Tuhostní a statická analýza a optimalizace tvaru vybraných 3d tištěných průřezů

Abstract

Disertační práce je zaměřena na návrh a ověření vlastního algoritmu pro generování vnitřních gradientních struktur v objektech vytvářených aditivní výrobou. Algoritmus je založen na systému nezávislých prutů rozložených ve vymezeném prostoru, jejichž tloušťka je plynule řízena vstupními parametry, a umožňuje tak vytvářet funkčně gradientní struktury (FGLS) odlišné od tradičních mřížkových přístupů založených na jednotkových buňkách. Cílem práce bylo zvýšit efektivitu využití materiálu ve vztahu k mechanickým vlastnostem výsledného prvku, zejména z hlediska optimalizace poměru hmotnosti a pevnosti při zatížení ohybem. Součástí práce byly experimentální zkoušky mechanických vlastností vybraných 3D tiskových materiálů (PETG a PC Blend), tvorba numerických modelů a laboratorní ověření vzorků generovaných navrženým algoritmem. Výsledky ukázaly, že navržený přístup zatím nevedl k jednoznačnému zlepšení mechanických parametrů oproti běžně používaným výplním, avšak prokázal široký potenciál pro další rozvoj díky flexibilní parametrizaci geometrie a rozložení materiálu. Navržená metodika tak poskytuje originální rámec pro výzkum a praktické využití optimalizovaných struktur, a to nejen ve stavebnictví, leteckém a automobilovém průmyslu, ale také v oblasti designu a zdravotnických aplikací.

This dissertation focuses on the design and validation of a novel algorithm for generating internal gradient structures in objects produced by additive manufacturing. The algorithm is based on a system of independent struts distributed within a defined space, whose thickness is continuously controlled by input parameters. This approach enables the creation of functionally graded lattice structures (FGLS) that differ from conventional lattice-based methods relying on repeating unit cells. The aim of the research was to increase the efficiency of material usage in relation to the mechanical properties of the final component, with particular emphasis on optimizing the strength-to-weight ratio under bending loads. The study included experimental testing of the mechanical properties of selected 3D printing materials (PETG and PC Blend), the development of numerical models, and laboratory validation of samples generated by the proposed algorithm. The results showed that, although the presented approach has not yet demonstrated a clear improvement in mechanical performance compared to standard infill strategies, it revealed significant potential for further development due to its flexible parametrization of geometry and material distribution. The proposed methodology thus provides an original framework for research and practical applications of optimized structures, not only in construction, aerospace, and automotive industries but also in product design and medical applications.