Mechanical behavior of PA12 lattice structures produced by SLS

Abstract

Taking into account the rapid technological evolution and the growing demand, for the industrial sector to meet the most diverse needs of the market, Additive Manufacturing (AM) technology appears as a transformative approach to industrial production that enables the creation of lighter, stronger parts and systems. The versatility of this type of technology allows a reduction in production time and energy consumption, as well as, reducing material waste in the production of a product. It is in this last point that the technologies of AM stand out when comparing to the technologies of conventional manufacture. In AM technologies, it is possible to carry out the deposition of material in a controlled manner, where it is really necessary and, at the same time, ensure the necessary mechanical properties to meet the product requirements. Due to its versatility and rapid technological advances, it has become possible to implement typological optimization in AM. In this context, this study aims to investigate the mechanical behavior of lattice structures to support further investigations based on Topology Optimization (TO). The study of the mechanical behavior of these structures allows an intelligent distribution of these structures along a given structure in order to absorb the amount of energy needed for the impact, presenting competitive manufacturing times and costs. In the course of this research, the manufacturing technique to be used will focus on the Powder Bed Fusion (PBF) process, more specifically in the EOS P396 equipment with the polymeric material polyamide 12 (PA12), that will shape the desired lattice structures, which are constituted by different topologies and volume fractions. The purpose of this development is focused on obtaining the experimental mechanical properties of certain types of cellular structures in order to compare them with the properties obtained from the simulations. Thus, strut-based (BCC) and Triply Periodic Minimal Surfaces (Schwarz-P and Neovius) lattice structures were defined based on different independent variables, such as, cell size, strut diameter/ surface thickness and shell thickness. The defined structures were evaluated by compression and impact mechanical tests. It was found that beside geometrical design, the relative densities of the unit cells could also significantly influence the impact energy absorption performance.

Tendo em conta a rápida evolução tecnológica e a crescente procura do sector industrial para satisfazer as mais diversas necessidades do mercado, as tecnologias de Fabrico Aditivo (FA) aparece como uma abordagem transformadora da produção industrial que permite a criação de peças e sistemas mais leves e fortes. A versatilidade deste tipo de tecnologia permite uma redução do tempo de produção e do consumo de energia, bem como a eliminação do desperdício de material na produção de um produto. É neste último ponto que as tecnologias de FA se destacam no que diz respeito às tecnologias de fabrico convencional. Nas tecnologias FA, é possível realizar a deposição de material de forma controlada, onde é realmente necessário, e ao mesmo tempo, garantir as propriedades mecânicas necessárias para satisfazer os requisitos do produto. Neste contexto, este estudo destina-se a investigar o comportamento mecânico de lattice structures para apoiar investigações posteriores que têm por base a Otimização Topológica (OT). O estudo do comportamento mecânico destas estruturas permite uma distribuição inteligente destas mesmas ao longo de uma determinada estrutura de forma a absorverem a quantidade de energia necessária ao impacto, apresentando tempos e custos de fabrico competitivos. No decurso desta investigação, a técnica de fabrico a ser utilizada centrou-se no processo de Powder Bed Fusion (PBF), mais especificamente no equipamento EOS P396 com o material polimérico poliamida 12 (PA12), que dará forma às lattice structures, constituídas por diferentes células unitárias e frações de volume. O objetivo deste desenvolvimento focou-se na obtenção das propriedades mecânicas experimentais das estruturas celulares de maneira a compará-las com as propriedades obtidas a partir das simulações. Assim, as lattice structures baseadas em strut-based (BCC) e Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) (Schwarz-P e Neovius) foram definidas com base em diferentes variáveis independentes, tais como, tamanho da célula unitária, diâmetro da viga/ espessura da superfície e espessura da casca. As estruturas definidas foram avaliadas mecanicamente através de testes de compressão e impacto. Verificou-se assim que, para além do desenho geométrico, as densidades relativas das células unitárias também podiam influenciar significativamente o desempenho de absorção de energia de impacto.