نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

مروری بر روش‌ها و اصول ایجاد دوپایداری به کمک چاپ سه‌بعدی

نوع مقاله : مقاله مروری

نویسندگان
1 'گروه ساخت و تولید دانشکده مکانیک دانشگاه تربیت مدرس تهران ایران
2 گروه ساخت و تولید، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
10.22060/mej.2026.25444.7947
چکیده
سازه‌های دو/ چندپایدار به دلیل توانایی حفظ چند حالت تعادل پایدار بدون نیاز به ورودی مداوم انرژی، جایگاه ویژه‌ای در طراحی سازه‌های هوشمند، تطبیقی و قابل برنامه‌ریزی یافته‌اند. ظهور فناوری چاپ سه‌بعدی، به‌ویژه روش فیلامنت مذاب (FFF)، افق‌های جدیدی را برای ایجاد و کنترل این رفتارها فراهم کرده است؛ به‌گونه‌ای که امکان مهندسی دقیق ناهمسانگردی، تنش‌های پسماند حرارتی، پیش‌کرنش و هندسه سازه به‌صورت یکپارچه مهیا شده است. در این مقاله مروری، اصول و روش‌های ایجاد دوپایداری و چندپایداری به کمک چاپ سه‌بعدی به‌صورت نظام‌مند بررسی می‌شود. این روش‌ها شامل بهره‌گیری هدفمند از تنش‌های پسماند حرارتی، لایه‌های پیش‌کرنش‌یافته، طراحی مکانیزم‌های هندسی و اتصالات انعطاف‌پذیر، ساختارهای الهام‌گرفته از طبیعت، اوریگامی و کریگامی، و نیز استفاده از فیلامنت‌های تقویت‌شده و کامپوزیتی هستند. نتایج مطالعات اخیر نشان می‌دهد که با کنترل مسیر اکستروژن، جهت‌گیری لایه‌ها، الگوی حرارتی و چیدمان مواد، می‌توان منحنی انرژی پتانسیل سازه را مهندسی کرده و تعداد و پایداری حالات تعادل را به‌طور مؤثر تنظیم نمود. این قابلیت‌ها منجر به توسعه کاربردهای گسترده‌ای در حوزه‌هایی نظیر رباتیک نرم، سازه‌های هوافضایی قابل استقرار، تجهیزات پزشکی، برداشت انرژی و فراسازه‌های تطبیقی شده است. در پایان، چالش‌های اصلی پژوهشی شامل پیش‌بینی دقیق تعداد حالات پایدار، وابستگی رفتار مکانیکی به پارامترهای چاپ، اثرات وابسته به زمان مواد پلیمری و کمبود مدل‌های تحلیلی جامع مورد بحث قرار گرفته و مسیرهای آینده برای طراحی نسل جدید سازه‌های چندپایدار چاپ سه‌بعدی ارائه می‌شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

A Review of Methods and Principles for Creating Bistability Using 3D Printing

نویسندگان English

Davood Zehtabnajafi 1
Mohammad Golzar 2
1 Mechanical Engineering Department, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Mechanical Engineering Faculty, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

Bistable and multistable structures have attracted significant attention in recent years due to their ability to maintain multiple stable equilibrium states without continuous external energy. These characteristics make them highly suitable for designing adaptive, programmable, and intelligent structures. The advent of additive manufacturing technologies, particularly (FFF), has created new opportunities for realizing such structures by enabling precise control over material anisotropy, thermal residual stresses, pre-strain, and structural geometry. This review paper presents a systematic overview of the fundamental principles and methods for achieving bistability and multistability through 3D printing. The reviewed approaches include the intentional use of thermal residual stresses, pre-strained layers, geometry-driven bistable mechanisms, bio-inspired designs, origami and kirigami concepts, as well as reinforced and composite filaments. Recent studies demonstrate that by programming extrusion paths, layer orientation, thermal history, and material distribution, the potential energy landscape of printed structures can be effectively engineered, allowing accurate control over the number and stability of equilibrium states. These capabilities have enabled applications in soft robotics, deployable aerospace structures, biomedical devices, energy harvesting systems, and adaptive metamaterials. Finally, key research challenges are discussed, including the prediction of stable states, dependence of mechanical behavior on printing parameters, time-dependent material effects such as creep and fatigue, and the lack of comprehensive analytical design models. Future research directions toward developing next-generation programmable multistable structures enabled by additive manufacturing are also outlined.

کلیدواژه‌ها English

Bistable
3D Printing
Multistable
Residual Stress
Anisotropy

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 16 شهریور 1405