Master's Thesis

Box with controlled microclimate for transporting sensitive shipments

Final Thesis 6.38 MB Appendix 2.57 MB

Author of thesis: Bc. Tomáš Melichar

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Bc. Jan Fišer, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jiří Hájek

Abstract:

The diploma thesis deals with the design, realization, and experimental verification of a transport box
with stabilized temperature manufactured using additive manufacturing (3D printing) technology. The
first part of the thesis focuses on the experimental determination of the effective thermal conductivity
of samples with a 3D-printed internal structure fabricated using FDM technology from the most
commonly used polymers PLA and PETG with various combinations of infill types and densities. Based
on the obtained results, the enclosure of the climate box is subsequently designed with an optimized
internal wall structure with respect to minimizing heat losses, manufacturing complexity, cost, and
weight. The design also includes an air-cooled thermoelectric module providing both cooling and
heating of the internal space of the box, including the design of a control circuit to maintain the required
temperature. In the final part of the thesis, a functional prototype of the device is experimentally verified
under laboratory conditions in a climatic chamber, where its reliability, accuracy, and temperature
stabilization rate are evaluated. The results confirm the potential of FDM additive manufacturing
technology with various infill types and densities for the design of functional components combining
both thermal insulation and mechanical properties.

Keywords:

FDM, 3D printing, effective thermal conductivity, internal structure, infill density, thermoelectric cooling, temperature-controlled box

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student odprezentoval obsah své diplomové práce. Otázky oponenta byly zodpovězeny. V průběhu obhajoby byly položeny tyto doplňující otázky: Pro jaké vzorky byl navržen box? Gyroid 5% – jaká byla tepelná ztráta? Je započítáno napětí z teplotní roztažnosti? Z jakého materiálu je použitý modul? Jaký je vliv přítlačné síly? Jak byste nahradil využitý zdroj?

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Energy Institute

Study programme

Power and Thermo-fluid Engineering (N-ETI-P)

Specialization

Power Engineering (ENI)

Composition of Committee

prof. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D. (předseda)
Ing. Petr Kracík, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Ladislav Šnajdárek, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Skoupý (člen)
Ing. Milan Kořista, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Škorpík, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Bc. Jan Fišer, Ph.D.

Pan Tomáš Melichar zpracoval diplomovou práci na téma Box s řízeným mikroklimatem pro přepravu citlivých zásilek. Cílem práce bylo vytvořit demonstrátor boxu se stabilizovanou teplotou určený pro přepravu citlivých zásilek (např. laboratorních vzorků, citlivých potravin apod.) na krátké vzdálenosti s využitím technologie 3D tisku a optimalizované konstrukce výplně stěn. Technologie pro udržování požadovaného prostředí byla navržena na bázi termoelektrického chlazení/vytápění. Výsledný funkční demonstrátor a jeho vlastnosti měly být ověřeny laboratorními testy při různých okolních podmínkách a provozních režimech boxu.

Téma vzniklo z iniciativy studenta, což se pozitivně projevilo na jeho nasazení při zpracování práce. Na tématu aktivně pracoval již od čtvrtého ročníku studia, a to i během letních prázdnin. Navrhl, vyrobil a experimentálně ověřil dvanáct různých struktur výplně stěn (in-fill) a následně provedl precizní stanovení jejich tepelné vodivosti. Dále navrhl konstrukci boxu, realizoval jeho výrobu pomocí 3D tisku na OTTP a navrhl a zhotovil modul termoelektrického chlazení včetně elektroniky pro jeho regulaci. V průběhu řešení musel na základě získaných výsledků upravovat výrobní postupy a modifikovat konstrukci tak, aby co nejlépe splňovala cíle zadání. Celý systém sestavil a následně otestoval v laboratorních podmínkách. Veškerá získaná data vyhodnotil a formuloval potřebné závěry i doporučení pro konstrukci obdobných zařízení. Na základě dat získaných při měření tepelné vodivosti vznikl odborný článek, který byl přijat k publikaci na konferenci PRES 2026. Výsledky diplomové práce mohou být v budoucnu využity v oblasti 3D tisku izolačních struktur, případně při návrhu struktur se zvýšeným přenosem tepla.

Student při zpracování diplomové práce jednoznačně prokázal výborné schopnosti v oblasti návrhu a konstrukce zařízení, využití technologií 3D tisku, experimentálního měření přenosu tepla i samostatné tvůrčí práce.

Práci pana Tomáše Melichara doporučuji z pozice vedoucího diplomové práce k obhajobě a hodnotím ji stupněm výborně (A).
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené 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 A
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jiří Hájek

Diplomová práce Bc. Tomáše Melichara si kladla za cíl zkonstruovat a ověřit funkčnost boxu s vnitřní tepelnou regulací pro zajištění stabilní vnitřní teploty. Práce má konstrukční charakter, kdy autor nejdříve srovnal různé výplně 3D tištěných struktur z hlediska tepelné vodivosti pro stanovení nejvhodnější výplně stěn demonstrátoru, následně popisoval samotný 3D tisk boxu a problémy, které se během tisku objevovaly, a jejich řešení. Následuje návrh řídicí elektroniky a termoelektrického modulu. Nakonec je box testován v místnosti i klimatické komoře na OTTP VUT a poznatky jsou shrnuty v závěru.

Autor detailně popisuje návrh boxu od výpočtu tepelných ztrát stěn boxu až po pevnostní výpočty termoelektrického modulu. V práci je použito 118 rovnic, kde některé složitější vztahy nejsou podloženy odkazem na literaturu (např. rovnice 68 nebo 90). Stejně tak je tomu při získávání parametrů materiálů, viz strana 18 a hodnota měrné rezistivity mědi. Práce s literaturou je v práci poměrně strohá, kdy autor v současném stavu poznání použil pouze 5 studií a u 3 z nich ani neuvedl jejich výsledek. Problematická je také práce se zkratkami, kdy některé jsou vysvětleny až při několikáté zmínce (FDM nebo GUM). Současně prezentování stanovených součinitelů tepelné vodivosti pro různé výplně by mohlo být přehlednější, aby šlo lépe srovnat hodnoty jednotlivých typů struktur na základě výplně, ne pouze která výplň je nejúčinnější.

V práci je při návrhu tepelných ztrát zanedbáno minimum parametrů a do návrhu vstupuje široké spektrum faktorů, které jsou popsány a zahrnuty do výpočtu. Nedostatky práce jsou spíše formálního charakteru a vzhledem k detailnímu zpracování problematiky minoritní, proto hodnotím známkou A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací C
Topics for thesis defence:
  1. Jak moc je navržený demonstrátor použitelný v reálném provozu při transportu, kde na rozdíl od laboratorních testů dochází k výrazným změnám okolní teploty? V práci je zařízení testováno při konstantní teplotě okolí, případně jen s mírnými krátkodobými výkyvy.
  2. Výplň 5% gyroid dosáhla nejvyššího součinitele tepelné vodivosti k a výplň 20% gyroid nejnižšího, zatímco hodnoty pro 10% a 40% výplň skončily mezi nimi. Čím si autor vysvětluje tuto nelinearitu ve vztahu mezi hustotou výplně a součinitelem k?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová