Bachelor's Thesis

Influence of Strain Rate on the Mechanical Behavior of 3D-Printed Materials

Final Thesis 3.49 MB

Author of thesis: Bc. Lucie Kostková

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Miroslav Jopek, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jan Řiháček, Ph.D.

Abstract:

This bachelor thesis deals with the study of the mechanical behavior of PLA polymer material, focusing on the effects of high strain rates and temperature. The introductory theoretical part addresses the categorization of dynamic testing methods and describes the specific differences of dynamic testing compared to quasi-static conditions, particularly analyzing the effects of inertial forces occurring under impact loading. This research was followed by an experimental phase, within which quasi-static tensile tests and dynamic impact tests on a drop-weight tester were performed at room temperature, allowing for a comprehensive assessment of the studied material's sensitivity to strain rate and a detailed macrostructural analysis of the resulting fracture surfaces. The material behavior observed during these dynamic tests was subsequently verified using a numerical simulation of the impact event. A significant practical part of the thesis then involved the design, manufacturing, and laboratory validation of an innovative heating fixture. Utilizing a scissor-type centering mechanism, this fixture ensures a stable position relative to the specimen while successfully eliminating undesirable heat transfer into the gripping jaws of the testing machine during elevated temperature testing.

Keywords:

3D printing, Polymers, Drop-weight tester, Strain rate, Dynamic loading conditions, Numerical simulation

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Studentka prezentovala komisi výstupy a závěry své práce a zodpověděla dotazy oponenta. Dále byly studentce položeny následující otázky: Dr. Peterková – Popište, jak přípravek převede tlakového napětí na tahové. (otázka byla plně zodpovězena); Dr. Peterková – Z jakého materiálu je pružná podložka? (otázka byla plně zodpovězena); Dr. Peterková – Byly provedeny zkoušky za tepla i za dynamických podmínek zatěžování? (otázka byla plně zodpovězena); Dr. Šlais – Stanovila jste koeficient teplotního odpevnění v Johnson-Cookově konstitutivním vztahu? (otázka byla plně zodpovězena); Ing. Staněk – Jak vysvětlujete velké rozdíly mezi 50 °C a 60 °C? (otázka byla plně zodpovězena);

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

doc. Ing. Zdeněk Lidmila, CSc. (předseda)
Ing. Eva Peterková, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Michaela Císařová, Ph.D. (člen)
Ing. Vojtěch Staněk (člen)
Ing. Jan Řiháček, Ph.D. (člen)
Ing. Miroslav Šlais, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Miroslav Jopek, Ph.D.

Bakalářská práce Lucie Kostkové se zabývá vysoce aktuální a současně odborně velmi náročnou problematikou vlivu rychlosti deformace na mechanické chování materiálů vyrobených technologií 3D tisku. Již samotná volba tématu svědčí o ambicích autorky řešit problematiku přesahující běžný rámec bakalářských prací. Přestože studuje obecný bakalářský studijní program, prokázala během řešení práce mimořádnou odbornou vyspělost, schopnost samostatné tvůrčí práce a značný zájem o pokročilé inženýrské disciplíny spojující experimentální, materiálové a aditivní technologie. Za mimořádně cenný považuji především fakt, že autorka nad rámec stanovených cílů bakalářské práce samostatně navrhla, zkonstruovala a experimentálně ověřila speciální přípravek umožňující realizaci kvazistatických i dynamických tahových zkoušek za zvýšených teplot. Návrh funkčního experimentálního zařízení, jeho následná optimalizace na základě kritického vyhodnocení prvních měření a schopnost formulovat a implementovat konstrukční úpravy svědčí o výborných analytických schopnostech, technické kreativitě a především o vyspělém inženýrském přístupu, který je nadstandardní i ve srovnání se studenty navazujících magisterských studijních programů. Vedle návrhu a realizace experimentálního přípravku autorka systematicky provedla rozsáhlý soubor experimentálních zkoušek polymerního materiálu PLA při různých rychlostech deformace a teplotních podmínkách. Získaná data byla následně zpracována a vyhodnocena pomocí moderní metody digitální korelace obrazu (DIC), která umožnila detailní analýzu deformačního chování materiálu. Experimentální výsledky byly dále doplněny numerickými simulacemi, čímž vznikl komplexní soubor poznatků poskytující hlubší porozumění sledovaným jevům. Práce tak velmi úspěšně propojuje experimentální, analytickou a numerickou část a vykazuje vysokou metodickou i odbornou úroveň. Významným přínosem práce je rovněž její aplikační potenciál. Získané výsledky mohou nalézt uplatnění při vývoji, charakterizaci a validaci materiálů určených pro konstrukční součásti vystavené dynamickému zatěžování a současně působení zvýšených teplot. Práce tak přispívá k rozvoji poznání v oblasti mechanického chování aditivně vyráběných polymerních materiálů a vytváří kvalitní základ pro navazující výzkumné aktivity.

Po celou dobu řešení práce autorka přistupovala k plnění jednotlivých úkolů velmi aktivně, samostatně a zodpovědně. Konzultace probíhaly pravidelně, věcně a na vysoké odborné úrovni. Oceňuji zejména její iniciativu, schopnost samostatně řešit vzniklé technické problémy a systematický přístup k experimentální práci. Závěrem lze konstatovat, že předložená bakalářská práce představuje mimořádně kvalitní a odborně velmi zdařilé dílo, které po obsahové, metodické i formální stránce výrazně převyšuje standardní požadavky kladené na bakalářské práce. Práce jednoznačně dokládá vysoký odborný potenciál autorky a její schopnost řešit složité technické problémy na úrovni přesahující bakalářský stupeň studia. Předloženou práci proto jednoznačně doporučuji k obhajobě a navrhuji její hodnocení nejvyšším klasifikačním stupněm
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jan Řiháček, Ph.D.

Bakalářská práce slečny Lucie Kostkové, která pojednává o studiu vlivu rychlosti deformace na mechanické chování 3D tištěných materiálů splňuje svým obsahem i zpracováním vytyčené cíle zadání, nutno dodat že nad rámec prací běžně vypracovávaných v rámci studijního oboru Základy strojního inženýrství. Kladně hodnotím především šíři prováděných experimentů, které se zaměřují nejen na kvazistatické a dynamické zkoušky, ale též na zkoušení materiálu za zvýšených teplot, pro které byl navržen a odzkoušen nový experimentální zkušební přípravek, a to vč. návrhu a realizace topného a regulačního zařízení. Výsledky zkoušek jsou podloženy DIC vyhodnocením i ověřením numerickou simulací. Výše uvedené analýzy, které autorka ve své práci prezentuje, představují komplexní studium chování 3D tisknutého materiálu PLA s možností stanovit materiálový model chování pro různé teploty i rychlosti deformace. V práci se zákonitě objevují i drobné nedostatky, např. občasná zavádějící terminologie některých veličin, chybné číslování některých obrázků, nebo chybné formátování, což ale nijak nesnižuje odborný přínos a celkovou kvalitu předkládané studie.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Jaké parametry tisku byly použity při výrobě zkušebních těles?
  2. Jaký dynamometr byl použit při experimentech na padostroji (model a parametry)?
  3. Z kap. 5.6 vyplývá, že teplota uvnitř zkušební komory při testování za zvýšených teplot byla stanovována na základě kontrolních měření. Jakým způsobem byla měření prováděna a jakým způsobem by bylo možné stanovit teplotu ohřívaného vzorku přímo v průběhu zkoušky?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová