Bachelor's Thesis

3D printing of electroconductive auxetic metamaterials

Final Thesis 3.96 MB

Author of thesis: Bc. Roland Urban

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. RNDr. Josef Jančář, CSc.

Reviewer: Ing. Petr Lepcio, Ph.D.

Abstract:

This bachelor's thesis deals with 3D-printed electroconductive auxetic structures with a re-entrant unit cell, prepared using FGF and FDM technologies. A nanocomposite system based on a polyethylene terephthalate glycol (PETG) matrix and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) with a weight fraction of 3 wt.% and 5 wt.% was used as the input material for 3D printing. In terms of the observed properties, the thesis focuses on the electrical conductivity of the structures and their behavior under compression.
The results indicate that the manufacturing parameters and resolution (wall thickness, re-entrant angle, nozzle size) used in the FGF technology were not suitable for the given geometry. When using the FDM technology, the auxetic structures achieved an average negative Poisson's ratio of -0,558. Their deformation was symmetrical only within the linear elastic region, up to the moment of local collapse of the first cell. The electrical conductivity of the 3D-printed structures was several orders of magnitude lower compared to the conductivity of the initial material and exhibited significant anisotropy. This phenomenon was likely a consequence of filler orientation during the passage of the melt through the nozzle and weaker interlayer bonding.

Keywords:

auxetic structures, re-entrant honeycomb cells, 3D printing, electrical conductivity, deformation of auxetic lattice, PETG, MWCNT, FGF, FDM

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student při obhajobě práce 3D tisk elektrovodivých auxetik nejdříve komisi představil cíle své práce, problematiku metamateriálů, metodiku práce, vybranou geometrii vzorků. V experimentální části ukázal výsledky vlivu obsahu plniva na vodivost, naměřené deformační křivky a Poissonův poměr. V závěru zhodnotil naměřené vodivosti a byl komisí vyzván k odpovědím na otázku oponenta: Naměřené hodnoty vodivosti auxetických těles se nepodařilo jednoznačně vztáhnout k strukturním vlivům. Jakými měřeními by bylo možné potvrdit nebo vyvrátit vliv uvažovaných faktorů – agregace a orientace plniva, degradace, kontaktní odpor měděné pásky, přítomnost pórů a odpor mezi vrstvami tisku? Komise potom položila následující otázku: 1) Monitoroval jste nějaké defekty v 3D tisku? Na dané otázky student výborně odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta chemická

Department

Institute of Materials Science

Study programme

Chemistry and Technology of Materials (BPCP_CHTM)

Composition of Committee

doc. Ing. František Šoukal, Ph.D. (předseda)
prof. RNDr. Josef Jančář, CSc. (člen)
Ing. Lucie Keršnerová, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Másilko, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ladislav Omelka, DrSc. (člen)
prof. Ing. Petr Ptáček, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Lucy Vojtová, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. RNDr. Josef Jančář, CSc.

Práce je zaměřena na využití 3D tisku elektrovodivých polymerních nanokompozitů pro přípravu reentrantních auxetických struktur a měření vlivu strukturních veličin na jejich mechanické a elektrické vlastnosti. Literární rešerše je aktuální, cíle jsou definovány jasně, metodika je popsána přehledně a výsledková část i závěry jsou sepsány srozumitelně. Citace jsou věcné a aktuální, celkový počet zdrojů je vyhovující. Cíle práce byly splněny. Student se s touto skutečností vypořádal celkem obstojně v diskusi výsledků, i když většina závěrů je spíše spekulací nepodpořenou dodatečnými experimenty ani využitím zpracované literatury. Měření mechanické odezvy potvrdilo její auxetický charakter zápornými hodnotami Poissonova poměru. Byl zjištěn rapidní pokles vodivosti po tisku oproti surovému materiálu ve všech směrech vůči směru pohybu tiskové hlavy. I přes drobné nedostatky práce způsobené malou zkušeností studenta, práce vyhovuje požadavkům na BP a doporučuji ji proto k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Quality of the Results A
Interpretation and Discussion of the Results B
Conclusions and Their Formulation B
Use of Consultations during the Preparation of the Thesis A
Overall Approach to the Assigned Tasks A
Fulfilment of the Assignment Requirements A
Study and Processing of the Literature A
Use of Knowledge Gained from the Literature B

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Petr Lepcio, Ph.D.

Práce pojednává o tisku a elektrických vlastnostech reentrantních auxetických 3D tištěných struktur. Literární rešerše i výsledková část jsou přiměřeně obsáhlé. Citace jsou věcné a aktuální, celkový počet zdrojů je vyhovující. Většina zadaných cílů práce byla dosažena, i když výsledky nebyly zcela v souladu s očekáváními. Student se s touto skutečností vypořádal celkem obstojně v diskusi výsledků, i když většina závěrů je spíše spekulací nepodpořenou dodatečnými experimenty, a to ani takovými, které student s ohledem na prokázané experimentální dovednosti zcela nepochybně mohl provést. U porézních struktur by také bylo vhodné stanovit skutečnou porozitu vytištěných těles. Pokud byla stanovena, není to z práce zcela zřejmé. Zásadním výsledkem popsaným v práci je rapidní pokles vodivosti po tisku oproti surovému materiálu – zde by se například nabízelo srovnání s podobnými experimenty popsanými v literatuře. I přes dílčí nedostatky práce vyhovuje požadavkům a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of the Assignment Requirements B
Logical Structure of the Thesis A
Quality of the Results A
Interpretation and Discussion of the Results B
Use of Literature and Citations A
Language Quality A
Overall Formal Quality of the Thesis A
Conclusions and Their Formulation C
Topics for thesis defence:
  1. Naměřené hodnoty vodivosti auxetických těles se nepodařilo jednoznačně vztáhnout k strukturním vlivům. Jakými měřeními by bylo možné potvrdit nebo vyvrátit vliv uvažovaných faktorů – agregace a orientace plniva, degradace, kontaktní odpor měděné pásky, přítomnost pórů a odpor mezi vrstvami tisku?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová