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Publicação
Methodologies for optimal design and additive manufacturing of metamaterials combining negative property indexes
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Engineering is evolving alongside technology, demanding new approaches to design materials capable of dealing with growing structural and functional challenges. Metamaterials are
artificially engineered materials designed to exhibit unusual properties, often unattainable in
natural materials. Among the most counterintuitive behaviors, Negative Poisson’s Ratio
(NPR) and Negative Thermal Expansion (NTE) stands out, showing unique thermomechanical responses such as lateral expansion under tension and contraction upon heating. These
unconventional behaviors are promising for a wide range of engineering applications, from
aerospace to biomedical devices.
This thesis presents the development of a computational framework for the systematic design of metamaterials exhibiting both NPR and NTE, incorporating advanced topology
optimization techniques, such as multimaterial, multiobjective and multiscale optimization.
Two complementary design strategies are explored, to tailor effective properties at the microscale and embed such behavior into structural applications: (1) a microscale approach,
focused on investigating the intrinsic trade-off between NPR and NTE using multimaterial
and multiobjective topology optimization and different types of microstructure discretizations (truss-like and continuum-like), obtaining Pareto sets; and (2) a multiscale approach, to
investigate how the macrostructure geometry and loading conditions influence the performance and design of the microstructures. The proposed methodology incorporates homogenization techniques, material symmetry constraints and uniform and layer-wise material
distribution in the structure to bridge the gap between microscale material behavior and
macroscale functional requirements.
Through a series of case studies, including multiobjective optimization, the influence
of anisotropy, and applications under non-uniform loading such as pure bending, the developed methodology demonstrates its ability to generate functionally graded porous metamaterials with tailored auxetic responses. Regarding the competitive behavior of both indexes, the minimization of the Poisson’s ratio depends mostly on the architecture of the unitcell, while the NTE is due to both architecture and material distribution. So, both can be negative simultaneously, but extremizing one property results in worsening the other. In the
multiscale framework, the concept of auxetic structure is introduced, allowing to formulate
the optimization problem using the actual structural response, moving beyond the conventional material design approach. This methodology has proved successful in designing auxetic and thermoauxetic structures, while also evidencing the critical role of macroscale effects,
such as loading and geometry, on the optimized microstructural layout. Additionally, a
computational cost study is performed, providing insights into the scalability and efficiency
of the proposed methods. The present work further explores the integration of optimized
designs with additive manufacturing, aiming to bridge the gap between design and manufacture.
Overall, this work contributes to the advancement of functional metamaterial design
by enabling the concurrent tuning of mechanical and thermal properties and ensuring their
effectiveness at both the material and structural levels.
A engenharia está a evoluir em paralelo com os avanços tecnológicos, exigindo novas abordagens para projetar materiais capazes de enfrentar desafios estruturais e funcionais cada vez maiores. Os metamateriais são materiais artificialmente concebidos para exibirem propriedades invulgares, muitas vezes inalcançáveis em materiais naturais. Entre os comportamentos mais contraintuitivos, destacam-se o coeficiente de Poisson negativo (NPR) e a expansão térmica negativa (NTE), que resultam em respostas termomecânicas únicas, como expansão lateral sob tração e contração com o aumento da temperatura. Estes comportamentos não convencionais revelam-se promissores para uma vasta gama de aplicações de engenharia, desde o setor aeroespacial até dispositivos biomédicos. Esta tese apresenta o desenvolvimento de uma abordagem computacional para o projeto sistemático de metamateriais com ambos NPR e NTE, integrando técnicas avançadas de otimização topológica, como a otimização multimaterial, multiobjetivo e multiescala. São exploradas duas estratégias de projeto complementares, com o objetivo de ajustar proprie- dades efetivas à microescala e incorporar tais comportamentos em aplicações estruturais: (1) uma abordagem à microescala, focada na investigação do conflito intrínseco entre NPR e NTE, utilizando otimização topológica multimaterial e multiescala e diferentes tipos de discretização da microestrutura (do tipo treliça e do tipo contínuo), obtendo frentes de Pareto; e (2) uma abordagem multiescala, para estudar como a geometria da macroestrutura e as condições de carregamento influenciam o desempenho e o projeto das microestruturas de material. A metodologia proposta incorpora técnicas de homogeneização, restrições de simetria de material e estratégias de distribuição de material uniforme e por camadas, de forma a ligar o comportamento do material à microescala com os requisitos funcionais à macroescala. Através de um conjunto de estudos de caso, incluindo otimização multiobjetivo, influência da anisotropia e aplicações com carregamento não uniforme, como flexão pura, a metodologia desenvolvida demonstra a sua capacidade de gerar metamateriais porosos com gradiente de funcionalidade com respostas auxéticas ajustadas. No que diz respeito ao com- portamento competitivo entre os dois índices de propriedades, a minimização do coeficiente de Poisson depende maioritariamente da arquitetura da célula unitária, enquanto a NTE resulta tanto da arquitetura como da distribuição do material. Assim, ambas as propriedades podem ser simultaneamente negativas, mas a minimização de uma conduz inevitavelmente à degradação da outra. No contexto multiescala, introduz-se o conceito de estrutura auxética, permitindo formular o problema de otimização com base na resposta estrutural real, indo para além da abordagem convencional focada apenas no material. Esta metodologia revelou- se eficaz no projeto de estruturas auxéticas e termoauxéticas, evidenciando também o papel determinante dos efeitos à macroescala, tal como o carregamento e a geometria, na definição da microestrutura otimizada. Adicionalmente, é realizado um estudo de custo computacional, fornecendo perspetivas sobre a escalabilidade e eficiência dos métodos propostos. O presente trabalho explora ainda a integração das soluções ótimas com manufatura aditiva, com o intuito de colmatar a lacuna entre projeto e fabrico. No seu todo, este trabalho contribui para o avanço do projeto de metamateriais funcionais, ao permitir o ajuste simultâneo das propriedades mecânicas e térmicas, garantindo a sua eficácia tanto ao nível do material como ao nível estrutural.
A engenharia está a evoluir em paralelo com os avanços tecnológicos, exigindo novas abordagens para projetar materiais capazes de enfrentar desafios estruturais e funcionais cada vez maiores. Os metamateriais são materiais artificialmente concebidos para exibirem propriedades invulgares, muitas vezes inalcançáveis em materiais naturais. Entre os comportamentos mais contraintuitivos, destacam-se o coeficiente de Poisson negativo (NPR) e a expansão térmica negativa (NTE), que resultam em respostas termomecânicas únicas, como expansão lateral sob tração e contração com o aumento da temperatura. Estes comportamentos não convencionais revelam-se promissores para uma vasta gama de aplicações de engenharia, desde o setor aeroespacial até dispositivos biomédicos. Esta tese apresenta o desenvolvimento de uma abordagem computacional para o projeto sistemático de metamateriais com ambos NPR e NTE, integrando técnicas avançadas de otimização topológica, como a otimização multimaterial, multiobjetivo e multiescala. São exploradas duas estratégias de projeto complementares, com o objetivo de ajustar proprie- dades efetivas à microescala e incorporar tais comportamentos em aplicações estruturais: (1) uma abordagem à microescala, focada na investigação do conflito intrínseco entre NPR e NTE, utilizando otimização topológica multimaterial e multiescala e diferentes tipos de discretização da microestrutura (do tipo treliça e do tipo contínuo), obtendo frentes de Pareto; e (2) uma abordagem multiescala, para estudar como a geometria da macroestrutura e as condições de carregamento influenciam o desempenho e o projeto das microestruturas de material. A metodologia proposta incorpora técnicas de homogeneização, restrições de simetria de material e estratégias de distribuição de material uniforme e por camadas, de forma a ligar o comportamento do material à microescala com os requisitos funcionais à macroescala. Através de um conjunto de estudos de caso, incluindo otimização multiobjetivo, influência da anisotropia e aplicações com carregamento não uniforme, como flexão pura, a metodologia desenvolvida demonstra a sua capacidade de gerar metamateriais porosos com gradiente de funcionalidade com respostas auxéticas ajustadas. No que diz respeito ao com- portamento competitivo entre os dois índices de propriedades, a minimização do coeficiente de Poisson depende maioritariamente da arquitetura da célula unitária, enquanto a NTE resulta tanto da arquitetura como da distribuição do material. Assim, ambas as propriedades podem ser simultaneamente negativas, mas a minimização de uma conduz inevitavelmente à degradação da outra. No contexto multiescala, introduz-se o conceito de estrutura auxética, permitindo formular o problema de otimização com base na resposta estrutural real, indo para além da abordagem convencional focada apenas no material. Esta metodologia revelou- se eficaz no projeto de estruturas auxéticas e termoauxéticas, evidenciando também o papel determinante dos efeitos à macroescala, tal como o carregamento e a geometria, na definição da microestrutura otimizada. Adicionalmente, é realizado um estudo de custo computacional, fornecendo perspetivas sobre a escalabilidade e eficiência dos métodos propostos. O presente trabalho explora ainda a integração das soluções ótimas com manufatura aditiva, com o intuito de colmatar a lacuna entre projeto e fabrico. No seu todo, este trabalho contribui para o avanço do projeto de metamateriais funcionais, ao permitir o ajuste simultâneo das propriedades mecânicas e térmicas, garantindo a sua eficácia tanto ao nível do material como ao nível estrutural.
Descrição
Palavras-chave
Metamaterials Multiobjective optimization Multiscale Negative thermal expansion Auxetic Multimaterial