Experimental and numerical evaluations of ultra-light uniform lattice structures under quasi-static loading conditions

Abstract

Nylig har det vært en økning i interesse for 3D-printet TPMS gitterstrukturer. Utviklingen av 3D-printet produksjon har gjort det mulig å fremstille komplekse strukturer med særegne egenskaper. Tre typer gitterstrukturer har blitt undersøkt og disse er solid-baserte, sheet-baserte og en kombinasjon av disse to. Den kombinerte strukturen kalles for en ultralett gitterstruktur, på grunn av den høye porøsiteten og bruken av 2 iterasjoner av forskjellige gitterstrukturer i samme strukturen. Gitterstrukturer kjennetegnes ved å ha et høyt styrke-til-vekt forhold og er derfor ønskelig for applikasjoner hvor vektreduksjon er viktig.

Oppgaven setter søkelys på de mekaniske egenskapene som stivhet, flytespenning første toppspenning og energi absorpsjon av TPMS gyroid gitterstrukturer. Tre typer gitterstrukturer undersøkes, og disse er solid-baserte, sheet-baserte og en kombinasjon av disse to. for å lage disse modellene er programvaren nTopology brukt og for å produsere dem er en prusa FDM printer brukt. For å kjøre de numeriske simuleringene er både Abaqus og den høy ytelses datamaskin Idun brukt. Den sheet-baserte strukturen har de beste mekaniske egenskapene både som den er og når resultatet per masse er sammenlignet. For den kombinerte strukturen har den bedre egenskaper enn den solide strukturen når man undersøker egenskapene basert på masse, men den er dårligere ellers.

Recently there has been an increase in interest in additively manufactured TPMS lattice structures. The development of additive manufacturing has made it possible to fabricate complex structures with distinctive properties. Three types of lattice structures have been investigated and those are solid-based, sheet-based, and one combined structure of the solid-based and sheet-based structure. The combined structure is called an ultra-light lattice structure, because of the high porosity and the use of two iterations of different lattices inside the same structure. Lattice structures are characterized by having a high strength-to-weight ratio, therefore desirable for applications where weight reduction is important.

The thesis focuses on mechanical properties such as stiffness, yield stress, first peak stress, and energy absorption of TPMS gyroid lattice structures. The FEM software used to produce these structures are nTopology and a prusa FDM printer is used to manufacture them. The mechanical properties under compression load and numerical simulations are investigated and compared. To do the numerical simulations Abaqus software and Idun high-performance computer are used. The sheet-based structure has the best mechanical properties both as it is and when compared to the result per mass. When investigating the properties based on mass, the combined structure has better properties than the solid-based structure, but it is worse when not.