Wall thickness and scale effect on the quasi static compression and fatigue performance of AlSi10Mg sheet based lattices fabricated via selective laser melting

Abstract

AM-teknologi har åpnet muligheten for å produsere gitterstruktur metamaterialer som tidligere ikke var tilgjengelig gjennom standard produksjonsmetoder. I senere år har disse materialene sett et skifte fra kun å bli produsert i medisinsk utstyr og intervensjoner til økt oppmerksomhet i strukturell industri og andre industrier hvor lette og høyfaste materialer er fordelaktige. Her, i motsetning til i det biomedisinske feltet, er dimensjonene til metamaterialet mye større, og de ulike effektene er ikke helt forstått. Derfor er det et betydelig insentiv til å bestemme hvordan den mekaniske oppførselen til metamaterialet avhenger av deres skala og funksjoner fra mikrometer til centimeter.

Målet med denne oppgaven var å bestemme effekten av skala, størrelse og veggtykkelse på de mekaniske egenskapene og utmattingsegenskapene til gyroide gitterstrukturer AM produsert med AlSi10Mg. Ved å gjøre dette ble prøvene testet i statisk kompresjon og syklisk kompresjons for å måle flytegrense, Youngs modul, utmattelsesstyrke og tilsvarende oppførsel. En parametrisk studie av de tre effektene ble fullført ved å bruke disse dataene. I tillegg ble CT-skanning og SEM (skanning elektronmikroskop) brukt for å bestemme avvik i den produserte geometrien og undersøke sviktmekanismene.

Blant flere funn ga CT-skanningen en klar sammenheng mellom kubestørrelsen til en prøve og avviket fra den tiltenkte geometrien, hvorav de minste kubestørrelsene hadde høyest avvik. Med SEM-bildene ble det funnet lignende eksponerte steder for sprekkutvikling, sammen med bruddmekanikk avhengig av veggtykkelse og belastningsmengde. Den statiske kompresjonen viste at flytegrensen økte proporsjonalt med volumfraksjonen og at mer porøse strukturer var mer utsatt for sekvensiell kollaps. utmattingsstyrken varierte betydelig i det parametriske studiet av de tre effektene. Kapasiteten mot utmatting favoriserte mindre skalaer og kubestørrelser, mens når det gjelder veggtykkelseseffekten, økte utmattingsstyrken proporsjonalt med veggtykkelsen, selv om oppførselen mellom lav- og høysyklus utmatting antydet forskjellige sviktmekanismer.

På grunn av store avvik mellom tiltenkte og faktiske parametere som definerer de tre gruppene, var det vanskelig å underbygge de teoretiske effektene i motsetning til unøyaktighetene gjennom fabrikasjonsprosessen på utmattelsesatferd. Av den grunn ble noen metoder foreslått for å sikre mindre forskjeller mellom nominelle og faktisk geometri.

AM technology has opened the possibility of manufacturing lattice structure (AKA architected materials, metamaterials) that was previously not obtainable through standard manufacturing methods. In later years, these materials have seen a shift from only being produced in medical devices and interventions to increased attention in structural and otherwise industries where lightweight and high-strength materials are beneficial. Here, unlike in the biomedical field, the dimensions of the lattice are orders of magnitude larger, and the various effects are not entirely understood. Hence, there is a significant incentive to determine how the mechanical behavior of lattice structures depends on their scale and features from micrometer to centimeter.

The objective of this thesis was to determine the effects of scale, size, and wall thickness on the mechanical and fatigue properties of sheet-based gyroid lattice structures AM fabricated with AlSi10Mg. In doing so, the specimens were tested to static compression and cyclic compression to measure yield strength, Young's modulus, fatigue strength, and corresponding behavior. A parametric study of the three effects was completed by utilizing this data. In addition, CT scanning and SEM (scanning electron microscope) were employed to determine deviations in the produced geometry and examine the failure mechanisms, respectively.

Amongst several findings, the CT scanning provided a clear relationship between the cube size of a specimen and the deviation from the intended geometry, of which the smallest cube sizes deviated the most. With the SEM imagery, similar exposed locations for crack development were found, along with fracture mechanics dependent on wall thickness and the amount of load. The static compression demonstrated that yield strength increased proportionally to the volume fraction and that more porous structures were more susceptible to sequential collapses. The fatigue strength varied substantially in the parametric study of the three effects. The capacity against fatigue favored smaller scales and cube sizes for the scale and cube size effect. In terms of the wall thickness effect, the fatigue strength increased proportionally to the wall thickness, although the behavior between low and high cycle fatigue hinted at different failure mechanisms.

However, due to large deviations between the intended and actual parameters that define the three groups, it was difficult to substantiate the theoretical effects as opposed to the inaccuracies through the fabrication process on fatigue behavior. As such, some methods were proposed to ensure minor differences between nominal and actual geometry.