Materials and Design 142 (2018) 177–189
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Materials and Design
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Modelling, and characterization of 3D printed cellular structures
Michał Kucewicz a, Paweł Baranowski a, Jerzy Małachowski a,⁎, Arkadiusz Popławski a, Paweł Płatek b
a Military University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Mechanics and Applied Computer Science, 2 Gen. S. Kaliskiego Street, 00-908 Warsaw, Poland
b Military University of Technology, Faculty of Mechatronics and Aviation, Institute of Armament Technology, 2 Gen. S. Kaliskiego Street, 00-908 Warsaw, Poland
H I G H L I G H T S
- Three different cellular structures are fabricated by FDM of ABSplus material
- Mechanical properties of the ABSplus material are determined
- Mesh sensitivity study is performed to assess the influence of mesh type and mesh size
- Crashworthiness properties of the three cellular structures are assessed during experimental and numerical testing
a r t i c l e i n f o
Article history:
Received 7 December 2017
Received in revised form 13 January 2018
Accepted 15 January 2018 Available online xxxx
Keywords:
3D printing Cellular structure
Finite element modelling Crashworthiness Energy absorption
G R A P H I C A L A B S T R A C T
a b s t r a c t
A procedure for characterizing the deformation process of a regular cellular structure under static loading condi- tions is presented. Three different topologies with similar relative densities were designed and fabricated by fused deposition modelling of ABSplus material. In the first stage, the material properties of the samples were evaluated and numerically correlated with experimental data. Experimental compression tests were performed on a universal strength machine. The comparison of the results of experiments and finite element analyses indi- cated acceptable similarity in terms of deformation, failure and force characteristics. Additionally, a mesh sensi- tivity study was performed, and the influence of the mesh on the obtained results was assessed. Finally, different types of elements for the discrete models of cellular structures were investigated. Two different approaches were considered for studying the energy-absorption properties of the cellular structures: with and without implemen- tation of the erosion criterion for simulating material failure.
copy; 2018 Elsevier Ltd. All rights reserved.
- Introduction
Advances in manufacturing technologies have led to increased inter- est in energy-absorbing structures [1–9]. In general, these structures are intentionally shaped elements fabricated from different types of
⁎ Corresponding author.
E-mail addresses: michal.kucewicz@wat.edu.pl (M. Kucewicz), pawel.baranowski@wat.edu.pl (P. Baranowski), jerzy.malachowski@wat.edu.pl (J. Małachowski), arkadiusz.poplawski@wat.edu.pl (A. Popławski), pawel.platek@wat.edu.pl (P. Płatek).
materials (e.g., metals, polymers, or foams) that are designed to dis- perse the maximum possible value of externally applied energy by transforming it to internal energy via deformation as plastic work. Con- sequently, energy-absorbing elements reduce the forces acting on the secured structures. These elements are mainly characterized by high deformability, plasticity and high ratios of stiffness to density and mass to density [10]. Due to their advantages, energy-absorbing struc- tures are widely used in the military, transportation, aircraft and auto- motive industries. The geometrical features of a structure#39;s topology strongly affect its crashworthiness behavior [2,7,11,12]. The most popu- lar regular cellular structure topologies consist of elementary cells
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.01.028
0264-1275/copy; 2018 Elsevier Ltd. All rights reserved.
periodically repeated and connected to each other. Irregular materials such as foams can also be considered as energy-absorbing elements in the engineering industry [13,14]. The revolution in additive manufacturing in combination with the increasing popularity of 3D printing and laser melting have enabled the fabrication of more com- plex, precise geometries [15–18] of energy-absorbing structures.
The crashworthiness of cellular structures can be investigated using analytical approaches [19–21], experimental techniques [3,6–8,17,22– 26] and numerical simulations [4,22,27–29]. Analytical methodologies can be implemented for simple cellular topologies (e.g., circular, rectan- gular, triangle, hexagon) [17,22,24,30]. Experimental approaches pro- vide accurate results [17,22,23,29,31–35] but are time-consuming and expensive, especially when metal or ceramic powder is used to manu- facture the cellular structure samples. Numerical simulations are versa- tile and can be used to study complex cellular topologies [19,23,24,36]. Finite element analyses (FEA) can be adopted to predict the behavior and strength of structures with
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材料与设计
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3D打印细胞结构的建模和表征
迈克尔kucewiczabaranovski，保罗a马sup3;achowski，乔治a,⁎popławski，arkadiusza保罗的花瓣，b
a军事技术大学，机械工程学院，力学与应用计算机科学系，2 Gen. S. Kaliskiego Street，00-908 Warsaw，Poland
b军事技术大学，机电与航空学院，装备技术研究所，2 Gen。S. Kaliskiego Street，00-908 Warsaw，Poland
H I G H L I G H T S
- 通过ABSplus材料的FDM制造三种不同的蜂窝结构
- 确定ABSplus材料的机械性能
- 进行网格灵敏度研究以评估网格类型和网格尺寸的影响
- 在实验和数值测试期间评估三种细胞结构的耐撞性
a r t i c l e i n f o
文章历史：
2017年12月7日收到
G R A P H I C A L A B S T R A C T
摘要
于2018年1月13日收到修订后的表格
接受2018年1月15日在线提供xxxx
关键词：
3D打印蜂窝结构
有限元建模耐撞性能量吸收
提出了一种表征静态载荷条件下规则细胞结构变形过程的方法。通过ABSplus材料的熔融沉积建模设计和制造了具有相似相对密度的三种不同拓扑。在第一阶段，评估样品的材料特性并与实验数据进行数值相关。在通用强度机器上进行实验压缩测试。实验结果和有限元分析的比较表明在变形，失效和力特性方面具有可接受的相似性。另外，进行网格灵敏度研究，并评估网格对获得的结果的影响。最后，研究了用于细胞结构的离散模型的不同类型的元素。考虑了两种不同的方法来研究细胞结构的能量吸收特性：有和没有实施模拟材料失效的侵蚀标准。
copy;2018 Elsevier Ltd.保留所有权利。
介绍
制造技术的进步使人们对能量吸收结构的兴趣增加[1–9]。通常，这些结构是由不同类型的有意成形的元件制成的
*通讯作者。
电子邮件地址：michal.kucewicz”wat.edu.pl（M。kucewicz），
pawel.baranowski”wat.edu.pl（P。baranowski），jerzy.malachowski”wat.edu.pl
（J。małachowski），arkadiusz.poplawski”wat.edu.pl（一popławski。）
pawel.platek”wat.edu.pl（P.Płatek）。
材料（例如，金属，聚合物或泡沫），其设计用于通过作为塑性加工的变形将其转化为内部能量来分散外部施加的能量的最大可能值。因此， 能量吸收元件减小了作用在固定结构上的力。这些元素的主要特征是高变形性，可塑性以及刚度与密度和质量与密度的高比率[10]。由于它们的优点，能量吸收结构广泛用于军事，运输，飞机和汽车工业。结构拓扑的几何特征强烈影响其耐撞性[2,7,11,12]。最流行的常规细胞结构拓扑由基本细胞组成
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周期性地重复并相互连接。不规则材料如泡沫也可以被视为工程行业的 能量吸收元素[13,14]。增材制造的革命与3D打印和激光熔化的日益普及相结合，使得制造更复杂，更精确的几何形状[15–18]能量吸收结构。
可以使用分析方法研究细胞结构的耐撞性[19–21]，实验技术[3,6– 8,17,22– 26]和数值模拟[4,22,27–29]。可以针对简单的细胞拓扑（例如，圆形，矩形，三角形，六边形）实施分析方法[17,22,24,30]。实验方法提供准确的结果[17,22,23,29,31–35但是耗时且昂贵，特别是当使用金属或陶瓷粉末来制造蜂窝结构样品时。数值模拟是通用的，可用于研究复杂的细胞拓扑[19,23,24,36]。有限元分析（FEA）可用于预测各种应变率下结构的行为和强度[37–39]。但是，为了进行有效和正确的分析，必须开发出精确的结构数值模型。有限元（FE）模型的最终形式和性质受许多因素的影响，对材料性质的了解对于获得与现实世界结构良好对应的可靠结果至关重要[40–42].
胡和俞[21]进行了动态加载的蜂窝状蜂窝结构的数值模拟;此外，对变形过程进行了验证并进行了分析描述。在作者的其他研究中[3,4]，给出了由ABS制备的三维印刷样品的准静态压缩试验的数值和实验结果， 并讨论了相对密度对吸收能量的影响。这些研究证实， 有限元建模
（FEM）可用于模拟附加制造的样品，与实验结果具有良好的相关性。贝茨等人。[43]对聚氨酯的功能梯度3D打印结构进行压缩试验，观察到壁厚不变的结构在塑性变形开始后载荷平台几乎恒定;相反，负载随着不同厚度的壁的位移而增加。哈比卜等人。[44最近比较了通过FDM（熔融沉积建模）3D打印技术制造的尼龙聚合物蜂窝体的压缩行为的实验， 数值和分析结果。其他研究表明，3D打印以及数值模拟在研究细胞样结构方面非常有用[27,28,45–47].
还研究了具有负刚度的不同类型的蜂窝结构拓扑[48,49]。这种类型的 结构在变形后可以恢复到其先前的形状，因为壁经历弹性屈曲而不是破裂。 另一种特定类型的细胞结构的特征是负泊松比[50–52]。例如，在一个结 构中使用两种不同的材料[50即使在大的塑性变形下，也能产生稳定的负泊松比。因此，可以产生具有均匀几何形状但具有不同的拉胀特性的结 构。本文与最近的一个项目有关，该项目旨在通过LENS（激光工程网成 型）优化由Ti-6Al-4V合金粉末制造的常规蜂窝状结构的耐撞性能[53系 统在静态和动态加载条件下。在这项工作中，提出了一种综合方法，用
于分析由ABSplus材料制成的三种不同的蜂窝结构。首先使用快速原型 技术制造样品，然后进行材料的实验测试和与建模预测的相关性，以及 通过数值模拟的准静态实验压缩测试。此外，进行灵敏度和参数研究以 验证所应用的网格的影响以及元素的类型对获得的结果的影响。建模和 实验结果的相关性证实了应用建模方法的有效性。考虑了两种不同的方 法来研究细胞结构的能量吸收特性：有无腐蚀的实施
用于模拟材料失效的terion。
本文的结构如下：in第2节，介绍了三种细胞结构，并描述了材料测试。在第3节讨论了实验和数值压缩试验，并给出了网格灵敏度和参数研究的结果。第4节介绍结果和讨论，以及部分 5 提供了最终结论。
- 细胞结构的描述
选择了三种不同的细胞形状几何形状（图。1）。这些几何形状所依据的假设取决于所实施的增材制造系统的电池数量和技术可能性。结构具有长方体状几何形状，尺寸为80times;80times;20 mm（宽x高x厚）[3,4]。蜂窝结构拓扑结构图。1a是一种众所周知且受到广泛研究的灵感来自大自然的结构[1,23,44,54,55]。第二种几何形状是改进的蜂窝状拓扑结构，在相邻的单元之间具有辐条，如图。1湾选择这样的几何形状，由于初步测试表明该结构可以表现出拉胀性能，并且假设它是与蜂窝状拓扑结构进行比较的有趣情况。在实验测试期间没有再现这种现象第3节 和第4节但它包含在论文中。第三种拓扑结构，如图所示图。1c，具有螺旋状细胞几何形状，具有可见的不对称性，与其他两种拓扑结构相比，在压缩过程中导致不同的结构行为。第二和第三结构由作者设计。根据相同密度（结构体积与具有相同总尺寸的长方体体积的比率）的假设选择细胞壁厚度为35％。
使用Dimension 1200es SST（Stratasys Corp.）3D打印机使用FDM 技术制造样品和不同的细胞结构拓扑。使用由Stratasys Corp.商业销售的ABSplus材料。印刷过程的参数如下：喷嘴温度，300℃;印刷室温度，80°C;单层厚度，约0.3毫米。为了最大化样品的机械性能，在软件中将实现类型设置为“固体”。制造商建议这些参数以获得最佳质量的产品。
-
- 获取材料数据
数值计算是模拟物理现象的有效工具。然而，为了预测结构在不同载荷条件下的实际行为，必须应用材料的本构模型。进行实验测试以确定所用材料（即ABSplus）的机械性能。根据ASTM D638-14标准制备狗骨样本的尺寸[56]。具有标记尺寸的样品的示意图在下面给出图2，以及相应尺寸的值列在表格1.3D打印材料的机械性能通常强烈地取决于打印方向。因此，在拉伸试验中分析了以两个方向印刷的样品（图2).
尽管打印机参数在理论上能够产生坚固的连续结构，但是样品的体积中具有空的空间，特别是在填充物与边界层的连接处。这些孔直接降低了材料的强度， 如本节后面所述（ 请参阅图4 ）。制造商提供的
ABSplus的机械性能测量为2.5mm的试样厚度，比研究中使用的试样厚度小约38％。将样品的厚度减小到1mm可以解决材料不连续的问题。这种减小的厚度反映了打印机的技术限制，但是可以实现材料的平滑和连续打印，而不需要在方向和性质上不同的附加层。
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图1.本研究中使用的细胞结构的不同拓扑结构（顶部，CAD模型;底部，印刷结构）：a）蜂窝，b）改性蜂窝，和c）螺旋。
在室温23℃下，在ElectroForce 3300通用强度机上进行单轴拉伸试验。以1mm / s的速度拉伸试样。每个印刷方向使用五个样品。基于实验测试，获得了在XZ和XY平面上打印的样品的总应力与真实应变曲线
（图3）。考虑到横截面积的差异，曲线的轮廓根据印刷方向而不同。 沿两个方向印刷的样品具有相似的弹性范围（在XZ方向上略小）。然而，
XZ取向试样的应力值在达到最大强度后下降约5-7MPa并持续到相同的水平直至失效。相比之下，XY取向试样的应力水平保持不变直至失效。虽然塑料由于其粘塑性而没有明显的屈服强度点，但它
可以观察到，XZ取向的屈服强度大于XY取向的屈服强度。此外，观察到印刷取向对失效应变值的相反影响。
两种取向之间的差异可以根据试验后对试样的观察来解释。在整个测量范围内观察到样品的变形，但是仅在样品内部的长丝未与边界层连接的区域中发生塑性变形。为了更好地理解这种现象，在两个平面上印刷的试样的横截面列于图4.对于在XZ平面中印刷的样品，在外层和内层之间的边界中的不连续性（具有大致0.2-0.3mm的尺寸）清晰可见，因此样品的内部和外部未连接。假设是
图2.使用Dimension 1200es SST（Stratasys Corp.）3D打印机以两种不同的打印方向打印的样品示意图，以及根据ASTM D638-14标准进行拉伸测试的样品示意图[56].
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表格1
拉伸试验试样的试样尺寸（mm）。
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h lt;全文共23097字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[2376] |
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