Master's Thesis

Additively produced kinetic energy absorber to protect sensitive cargo

Final Thesis 6.54 MB Appendix 7.09 MB

Author of thesis: Bc. Dominik Kolář

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D.

Reviewer: Ing. Aleš Dočkal, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis addresses the development of an additively manufactured kinetic-energy
absorber for cushioning the impact of a 70 kg payload airdropped by parachute. The
objective of the work is to design a modular absorber composed of four corner units that, at
an impact velocity of approximately 5.4 m·s⁻¹, limits the peak transmitted acceleration of
the payload to below 15 g.
The absorber is formed by an internal lattice structure printed by fused filament fabrication
(FFF) from polyamide reinforced with short carbon fibres (PA12CF15). Four candidate
lattice topologies were first compared by quasi-static compression tests and dynamic
drop-tower tests using a unified test methodology; the chiral topology was selected for the
functional prototype owing to its stable plateau stress and favourable ratio of absorbed
energy to mass. The mechanical response of the printed material was characterised by tensile
tests at several strain rates covering both the quasi-static and the dynamic regime.
The geometry of the chiral cell was optimised through a parametric finite-element study in
the explicit solver LS-DYNA, employing a material model that reflects the rate-dependent
response of the polymer composite. The numerical model was validated by drop-tower
experiments on a representative set of configurations. A regression relation between relative
density and plateau stress was derived from the parametric study data and combined with
a design map, which together with an iterative procedure enabled analytical sizing of the
corner-unit functional prototype.
The functional prototype was manufactured by FFF and its response under simulated impact
was verified by an FE simulation. The thesis delivers a complete methodology for the design
and validation of a printed single-use absorber – from material and topology selection
through a parametric FE study and regression analysis to experimental verification and
iterative sizing of the functional prototype.

Keywords:

kinetic energy absorber, additive manufacturing, lattice structure, LS-DYNA, PA12CF15

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval výsledky své diplomové práce a zodpověděl otázky oponenta. Otázka oponenta 1: Výsledkem experimentálního porovnání kandidátních topologií jsou data v Příloze 2, která jsou zpracována do tabulky 4-3. Můžete ukázat a popsat některý z naměřených průběhů? Jak byla zpracována data získaná z akcelerometru a tenzometrů? Jakých hodnot dosahovala zmíněná směrodatná odchylka? ZODPOVĚZENO Otázka oponenta 2: Přestože to není předmětem této práce, jaký vliv by na volbu výsledné struktury měl šikmý dopad? ZODPOVĚZENO doc Maňas: Dala by se struktura skládat z různých bloků, které by se navzájem natáčely? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Proč je požadavkem nevratná absorbce? ČÁSTEČNĚ ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Proč jste pro verifikaci nevyužil dostupný pádostroj? ZODPOVĚZENO prof. Vimmr: Jak jste určoval dopadovou rychlost? Jaký jste uvažoval součinitel aerodynamického odporu? ČÁSTEČNĚ ZODPOVĚZENO doc. Maňas: Opravdu jste dělal materiálový model nebo jste použil šablonu? ZODPOVĚZENO prof. Hartl: Je použití nerezových struktur ekonomické? ČÁSTEČNĚ ZODPOVĚZENO prof. Hartl: Veličina „lehkost“ – co tím myslíte? ZODPOVĚZENO prof. Hartl: Co myslíte tím, že je nejistota MKP 20%? NEZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Bylo by možné použít jako materiál keramiku? ZODPOVĚZENO prof. Hartl: Proč dochází při osovém zatížení k diagonální deformaci struktury? ČÁSTEČNĚ ZODPOVĚZENO doc. Horák: Počítal jste s vlivem teploty prostředí? ZODPOVĚZENO

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Mechanical Engineering Design (N-KSI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (člen)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Horák, Ph.D. (člen)
Ing. Aleš Dočkal, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D.

Cílem práce bylo navrhnout aditivně vyráběný absorbér kinetické energie pro ochranu citlivého nákladu o hmotnosti 70 kg tak, aby při dopadu došlo ke snížení maximálního přetížení pod 15 g. Práce navazuje na aktuální výzkum mřížkových struktur a jejich využití pro řízenou disipaci energie při nárazu. Pro naplnění cílů musel student propojit rešeršní, experimentální, výpočtovou i konstrukční část řešení.

Student navrhl a porovnal několik kandidátních topologií, provedl kvazistatické i dynamické zkoušky, charakterizoval materiál PA12CF15 a vytvořil numerický model v prostředí LS-DYNA. Oceňuji zejména systematický postup při výběru chirální struktury, validaci výpočtového modelu experimentem a následné dimenzování funkčního vzorku. Výsledkem je ucelená metodika návrhu absorbéru od volby materiálu a topologie po konstrukční návrh segmentu.

Textová část práce je logicky uspořádaná, dobře čitelná a graficky zdařilá. Slabší stránkou je omezenější experimentální ověření finální sestavy a stručnější rozbor nejistot reálných okrajových podmínek. Práce splňuje požadavky závěrečné vysokoškolské práce a doporučuji ji k obhajobě s výsledným hodnocením „B“.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Aleš Dočkal, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá návrhem aditivně vyráběného absorbéru dopadu. Jedná se o aktuální téma zejména s ohledem na současnou geopolitickou situaci.

Text je logicky členěný, rešeršní část pokrývá danou problematiku jak z odborného hlediska, tak z pohledu legislativy a patentů. Adekvátní je výběr testovaných struktur, volba materiálu i experimentálních metod pro jejich posouzení, případně získání dynamických materiálových vlastností pro numerické modelování.

Významnou částí práce je parametrická studie geometrie zvolené struktury, na kterou navazuje experimentální verifikace. Výsledný návrh je podroben MKP ověření, kdy ve druhé iteraci je dosaženo parametrů požadovaných v zadání.

Po formální i jazykové stránce je práce na velmi dobré úrovni a její rozsah je adekvátní řešenému tématu. Cíle zadání považuji za splněné a diplomant prokázal schopnost samostatně řešit složité inženýrské úkoly. Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Výsledkem experimentálního porovnání kandidátních topologií jsou data v Příloze 2, která jsou zpracována do tabulky 4-3. Můžete ukázat a popsat některý z naměřených průběhů? Jak byla zpracována data získaná z akcelerometru a tenzometrů? Jakých hodnot dosahovala zmíněná směrodatná odchylka?
  2. Přestože to není předmětem této práce, jaký vliv by na volbu výsledné struktury měl šikmý dopad?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová