Mechanical Behavior of FDM printed lattice structures with potential for Biomedical Application
Abstract
Følgende arbeid fant sted i Trondheim, ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU), på grunn av det unike utstyret til stede i NTNU for produksjon av prøver med Fluid Deposition Model og for deres karakterisering i ulik skala i nærvær av flerakselige belastninger og blandede moduser. Målet med arbeidet er å studere den mekaniske oppførselen til produserte gitterstrukturer gjennom mekanisk testing for å avsløre informasjon om materialets egenskaper under dynamiske eller statiske krefter. Dette fordi det globale markedet for medisinsk utstyr har gått gjennom bemerkelsesverdige utviklinger og fremskritt som foreslår gode måter å reparere eller erstatte tapte vev og skadede organer i menneskekroppen, som bein, hud eller brusk, takket være utformede gitterstrukturer som stillaser. For disse formål er det av grunnleggende betydning å forstå den optimale utformingen av slike stillaser og deres mekaniske egenskaper. Det er faktisk ønskelig for stillasene å ha mekaniske egenskaper i nærheten av det opprinnelige vevet eller organet, og å være i stand til å unngå "mulige bivirkninger" som følge av spenningsskjermingsmekanismen. Ifølge de nylige forskningsstudiene i litteraturen er det stor avhengighet av skala og tykkelseseffekt av de mekaniske egenskapene til konvensjonelt utformede deler produsert via additiv produksjon. Betydningen av skalaeffekten og veggtykkelseseffekten på de mekaniske egenskapene er fremdeles å undersøke. Av disse grunner er de første kubiske testprøvene designet og delt inn i tre kategorier med dimensjonale begrensninger for å holde konstant porøsitet, konstant veggtykkelse og konstant kubikkstørrelse. Deretter blir et totalt antall 30 arkbaserte TPMS gyroidgitter produsert fra PLA (polymjelsyre) via FDM-teknikk. De fabrikerte delene blir deretter utsatt for mekanisk belastning for å evaluere deres energiabsorpsjon og mekaniske styrke. Bilder med høy oppløsning blir tatt for å overvåke kompresjonsatferden under testene. Til slutt sammenlignes de eksperimentelle resultatene fra kompresjonstester, og den systematiske avhengigheten av den mekaniske oppførselen til veggtykkelsen og skalaen blir diskutert. The following work took place in Trondheim, at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU), due to the uniqueness of the equipment present in NTNU for the production of samples with Fluid Deposition Model and for their characterization at different scale in the presence of multiaxial loads and mixed modes. The aim of the work is studying the mechanical behavior of produced lattice structures through mechanical testing in order to reveal information about the material's properties under dynamic or static forces. This because the global medical device market has gone through remarkable developments and advancements proposing excellent ways to repair or replace lost tissues and damaged organs of the human body, such as bone, skin or cartilage thanks to designed lattice structures as scaffolds. For these purposes, it is of fundamental importance to understand the optimal design of such scaffolds and their mechanical properties. Indeed, it is desirable for the scaffolds to have mechanical properties close to those of the native tissue or organ, and to be able to avoid “possible side effects” resulting from the stress-shielding mechanism. According to the recent research studies in the literature, there is high dependency of the scale and thickness effect on the mechanical properties of conventionally designed parts produced via additive manufacturing. The significance of the scale effect and the wall thickness effect on the mechanical properties is still to be investigated. For these reasons, first cubic test specimens are designed and divided into three categories with the dimensional constraints of keeping constant porosity, constant wall thickness, and constant cubic size. Then a total number of 30 sheet-based TPMS gyroid lattices are fabricated from PLA (Polylactic Acid) via FDM technique. The fabricated parts are then subjected to mechanical loading to evaluate their energy absorption and mechanical strength. High-resolution images are captured in order to monitor the compression behavior during the tests. Finally, the experimental results from compression tests are compared and the systematic dependency of the mechanical behavior to the wall thickness and scale is discussed.