Quasi-static and dynamic behaviour of additive manufactured gyroid cellular structures made of Ti6Al4V

Abstract

Gyorider er matematisk optimalisert for å maksimere overflate-til-volum forholdet. Grunnet deres komplekse struktur er de produsert med additiv tilvirkning. De kvasistatiske egenskapene til gyorid gitterstruktur har blitt studert, men ingen forskning angående de dynamiske egenskapene har blitt funnet under skrivingen av denne avhandlingen.

Kvasistatiske og dynamiske trykk tester ble utført på 24 slike prøver for å fastslå deres egenskaper under trykk last. Effekten av "hot isostatic pressing" og additiv tilvirkning på disse egenskapene ble også utforsket.

De mekaniske og energi-absorberende egenskapene viste seg å følge en skaleringslov og degradere ikke linjært med økende relativ tetthet. Effekten av "hot isostatic pressing" på disse egenskapene var funnet å være neglisjerbar.

Numeriske analyser ble utført i ABAQUS der materialkonstantene ble funnet ved invers modellering. Simuleringene var i stand til å gjenskape responsen til de to komponentene med høyest relativ tetthet, men var for sterk for de to laveste. Et parameterstudie ble også gjennomført for å se hvor sensitiv de numeriske modellene var for en endringer i forskjellige parametere.

Gyroids are mathematically optimized to maximize the surface-to-volume ratio. They are produced by additive manufacturing due to their complex structure. While quasi-static properties of gyroid lattice specimens have been studied, no research regarding their dynamic properties has been found during the writing of this thesis.

Quasi-static compression tests and dynamic impact tests were conducted on 24 such specimens to determine their properties under compressive loading. Additionally, the effect of hot isostatic pressing and additive manufacturing on these properties were studied.

The mechanical and energy-absorbing properties were found to follow a scale law and degrade in a nonlinear fashion with the increase of relative density. The effect of hot isostatic pressing on these properties was found to be negligible.

Finite element simulations were conducted using ABAQUS with the material constants obtained from reverse engineering. The simulations captured the response of the two specimens with the greatest relative densities, but were too strong for the two lowest relative densities. A parameter study of the constitutive model was also conducted to see how sensitive the base models were to changes in different parameters.