Influence of forming on mechanical properties of cellular structures

Karimi, Ako (author), Pepelnjak, Tomaž (mentor), Mole, Nikolaj (comentor)

Additive manufacturing (AM) technologies have revolutionised the production of parts with cellular structures and allowed for flexibility in their properties. To tailor these properties locally, we have tested the idea of targeting their elastoplastic loading. First, the elastoplastic response to compressive loading of cylindrical products printed by material extrusion of the polylactic acid (PLA) was evaluated. The samples were printed with different distances between the structural infill lines. We have introduced the parameter elastic stiffness and use it as the main criterion to assess the effect of cyclic compressive loading on the printed products. Numerical finite element simulations with Abaqus programme were used to estimate the elastic stiffness of the products under cyclic compressive loading in a digital environment. Here, a user subroutine allowed Young's modulus to be varied as a function of the equivalent plastic strain. After a good agreement between the elastic stiffness of the numerically calculated and the experimental results of the cylindrical specimens, we analysed the target variation of the plastic strain in the individual regions of the non-round product printed by the target loading method. The personification of the product properties was shown on a cellular truncated hyperbolic rectangular cube. This was designed, fabricated and target compressively loaded according to a predefined product shape and loading parameters analysed by numerical simulations to confirm the local strength increase of the product.

• Language: English
• Keywords: polylactic acid, 3D printing, infill structure line distance, compression test, elastic stiffness, numerical simulation
• Work type: Doctoral dissertation
• Typology: 2.08 - Doctoral Dissertation
• Organization: FS - Faculty of Mechanical Engineering
• Publisher: [A. Karimi]
• Year: 2025
• Number of pages: XXVIII, 141 str.
• PID: 20.500.12556/RUL-168191
• UDC: 539.3:620.1/.2(043.3)
• COBISS.SI-ID: 231791363
• Publication date in RUL: 02.04.2025

Secondary language

• Language: Slovenian
• Title: Vpliv preoblikovanja na mehanske lastnosti izdelkov s celično strukturo

Abstract

Tehnologije aditivne proizvodnje so korenito spremenile proizvodnjo izdelkov s celičnimi strukturami in omogočile prilagodljivost njihovih lastnosti. Da bi še bolje lokalno prilagodili lastnosti takih izdelkov smo preverili zamisel o njihovem ciljnem elasto-plastičnem obremenjevanju. Najprej je bil ovrednoten elasto-plastični odziv cilindričnih izdelkov na tlačno obremenitev, ki smo jih natisnili z metodo iztiskavanja polilaktične kisline (PLA). Izbrali smo natisnjene vzorce z različnimi razdaljami med linijami strukturne zapolnitve. Vpeljali smo parameter elastična togost, ki smo ga izbrali kot glavni parameter ocene vpliva ciklične tlačne obremenitve na natisnjene izdelke. Za oceno elastične togosti izdelkov pri ciklični tlačni obremenitvi v digitalnem okolju so bile uporabljene numerične simulacije z metodo končnih elementov, izvedene s programom Abaqus. Pri tem je uporabniški podprogram omogočil spreminjanje Youngovega modula v odvisnosti od ekvivalentne plastične deformacije. Po dobrem ujemanju med elastično togostjo numerično izračunanih in eksperimentalnih rezultatov cilindričnih vzorcev smo analizirali ciljno spreminjanje plastične deformacije na posameznih območjih neokroglega izdelka natisnjenega z metodo ciljnega nalaganja. Personifikacija lastnosti izdelka je bila prikazana na celičnem prisekanem hiperboličnem pravokotnem kubusu. Ta je bil za potrditev lokalnega povečanja trdnosti izdelka konstruiran, izdelan in ciljno tlačno obremenjen v skladu z vnaprej določeno obliko izdelka in parametri obremenitve, analiziranimi z numeričnimi simulacijami.

• Keywords: poli-mlečna kislina, 3D tiskanje, razmak linij strukturne zapolnitve, tlačni test, elastična togost, numerična simulacija