Design, analysis and optimization of 3D printed lattice structures for energy absorption for quasi-static compression loading

Cellular structures, such as lattices and honeycombs, have proved to be satisfactory for their applicability due to their outstanding properties, such as high strength, absorbed energy, lightweight design, and reduced vibration, which have been extensively studied and concerned. Because of their exc...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Βαρτζιώτη, Αικατερίνη Δανάη
Άλλοι συγγραφείς: Vartzioti, Aikaterini Danai
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2022
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/23349
id nemertes-10889-23349
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Additive manufacturing
Cellular material
Honeycombs
Energy absorption
Density graded structures
Foam-filled structures
Τρισδιάστατη εκτύπωση
Κυψελωτές δομές
Απορροφόμενη ενέργεια
Δομές μεταβλητής πυκνότητας
Δομές με ενίσχυση αφρού
spellingShingle Additive manufacturing
Cellular material
Honeycombs
Energy absorption
Density graded structures
Foam-filled structures
Τρισδιάστατη εκτύπωση
Κυψελωτές δομές
Απορροφόμενη ενέργεια
Δομές μεταβλητής πυκνότητας
Δομές με ενίσχυση αφρού
Βαρτζιώτη, Αικατερίνη Δανάη
Design, analysis and optimization of 3D printed lattice structures for energy absorption for quasi-static compression loading
description Cellular structures, such as lattices and honeycombs, have proved to be satisfactory for their applicability due to their outstanding properties, such as high strength, absorbed energy, lightweight design, and reduced vibration, which have been extensively studied and concerned. Because of their excellent properties, cellular structures have been widely used in aviation, aerospace, bioengineering, automation, sport, and other industrial fields. Nowadays, with the development of Additive Manufacturing (AM) technology this concept can easily be exploited and change the conventional material world, as it offers a design freedom so that complex geometries with the desired mechanical properties can be manufactured. Honeycombs are well-known for their out-of-plane energy absorption capacity, but in some applications, crushing occurs along any direction of the honeycomb. Therefore, it is important to enhance their in-plane behavior and techniques like foam filling and variation of the density through the structure are lately investigated. After a comprehensive literature review, we concluded that the performance of Nylon12 honeycombs have not been broadly explored, although it is a very promising lightweight material which can be used to 3D printing the structure. Thus, in this thesis we aim to investigate the performance of a Nylon 12 hexagonal honeycomb. A verification of the finite element (FE) model is conducted by comparing the results with published experimental work. The influence of the honeycomb’s size on its performance was, also, studied. In consequence, to enhance the energy absorption (EA) of the Nylon12 hexagonal honeycomb the density of the structure is distributed, by changing the thickness of each cell wall, while the overall density remained equal to the initial uniform structure. Specific gradients led to the higher densification strain, increased specific energy absorption (SEA) and lower initial loads, while others to the opposite. Moreover, the honeycomb was filled with Rohacell foam of different densities, and it was found that the SEA increase up to 150%, while the density only a small portion 41%, but the initial loads increased, too. Finally, a structure which combine the aforementioned techniques is modeled and the results showed the highest increase of the SEA compared to the other two methods and lower initial loads. The FE models of all the three techniques were parameterized with a MATLAB code and the results were processed saved for future use.
author2 Vartzioti, Aikaterini Danai
author_facet Vartzioti, Aikaterini Danai
Βαρτζιώτη, Αικατερίνη Δανάη
author Βαρτζιώτη, Αικατερίνη Δανάη
author_sort Βαρτζιώτη, Αικατερίνη Δανάη
title Design, analysis and optimization of 3D printed lattice structures for energy absorption for quasi-static compression loading
title_short Design, analysis and optimization of 3D printed lattice structures for energy absorption for quasi-static compression loading
title_full Design, analysis and optimization of 3D printed lattice structures for energy absorption for quasi-static compression loading
title_fullStr Design, analysis and optimization of 3D printed lattice structures for energy absorption for quasi-static compression loading
title_full_unstemmed Design, analysis and optimization of 3D printed lattice structures for energy absorption for quasi-static compression loading
title_sort design, analysis and optimization of 3d printed lattice structures for energy absorption for quasi-static compression loading
publishDate 2022
url https://hdl.handle.net/10889/23349
work_keys_str_mv AT bartziōtēaikaterinēdanaē designanalysisandoptimizationof3dprintedlatticestructuresforenergyabsorptionforquasistaticcompressionloading
AT bartziōtēaikaterinēdanaē schediasmosanalysēkaibeltistopoiēsēektypōmenōnkypselōtōndomōngiaaporrophēsēenergeiassepseudostatikaphortia
_version_ 1799945009035739136
spelling nemertes-10889-233492024-03-08T19:26:55Z Design, analysis and optimization of 3D printed lattice structures for energy absorption for quasi-static compression loading Σχεδιασμός, ανάλυση και βελτιστοποίηση εκτυπωμένων κυψελωτών δομών για απορρόφηση ενέργειας σε ψευδοστατικά φορτία Βαρτζιώτη, Αικατερίνη Δανάη Vartzioti, Aikaterini Danai Additive manufacturing Cellular material Honeycombs Energy absorption Density graded structures Foam-filled structures Τρισδιάστατη εκτύπωση Κυψελωτές δομές Απορροφόμενη ενέργεια Δομές μεταβλητής πυκνότητας Δομές με ενίσχυση αφρού Cellular structures, such as lattices and honeycombs, have proved to be satisfactory for their applicability due to their outstanding properties, such as high strength, absorbed energy, lightweight design, and reduced vibration, which have been extensively studied and concerned. Because of their excellent properties, cellular structures have been widely used in aviation, aerospace, bioengineering, automation, sport, and other industrial fields. Nowadays, with the development of Additive Manufacturing (AM) technology this concept can easily be exploited and change the conventional material world, as it offers a design freedom so that complex geometries with the desired mechanical properties can be manufactured. Honeycombs are well-known for their out-of-plane energy absorption capacity, but in some applications, crushing occurs along any direction of the honeycomb. Therefore, it is important to enhance their in-plane behavior and techniques like foam filling and variation of the density through the structure are lately investigated. After a comprehensive literature review, we concluded that the performance of Nylon12 honeycombs have not been broadly explored, although it is a very promising lightweight material which can be used to 3D printing the structure. Thus, in this thesis we aim to investigate the performance of a Nylon 12 hexagonal honeycomb. A verification of the finite element (FE) model is conducted by comparing the results with published experimental work. The influence of the honeycomb’s size on its performance was, also, studied. In consequence, to enhance the energy absorption (EA) of the Nylon12 hexagonal honeycomb the density of the structure is distributed, by changing the thickness of each cell wall, while the overall density remained equal to the initial uniform structure. Specific gradients led to the higher densification strain, increased specific energy absorption (SEA) and lower initial loads, while others to the opposite. Moreover, the honeycomb was filled with Rohacell foam of different densities, and it was found that the SEA increase up to 150%, while the density only a small portion 41%, but the initial loads increased, too. Finally, a structure which combine the aforementioned techniques is modeled and the results showed the highest increase of the SEA compared to the other two methods and lower initial loads. The FE models of all the three techniques were parameterized with a MATLAB code and the results were processed saved for future use. Οι κυψελωτές δομές έχουν αποδειχθεί ωφέλιμες για εφαρμογές λόγω των εξαιρετικών τους ιδιοτήτων, όπως υψηλή αντοχή, απορρόφηση ενέργειας, ελαφρές κατασκευές και μειωμένες δονήσεις, οι οποίες έχουν μελετηθεί εκτενώς. Χάρι αυτών, οι κυψελωτές δομές έχουν χρησιμοποιηθεί στη διαστημική, στην αεροπορία, στην εμβιομηχανικής, στην αυτοκινητοβιομηχανία, σε εξοπλισμό αθλημάτων και σε πολλούς άλλους τομείς. Σήμερα, με την εξέλιξη της τρισδιάστατης εκτύπωσης η κατασκευή τέτοιων δομών έχει γίνει ακόμα πιο εύκολη καθώς προσφέρεται ευελιξία σχεδίασης και δοκίμια με πολύπλοκη γεωμετρία μπορούν να κατασκευαστούν επιτυγχάνοντας τις επιθυμητές μηχανικές ιδιότητες. Οι δισδιάστατες κυψελωτές δομές είναι κυρίως γνωστές για τις ιδιότητες τους στην διεύθυνση κάθετη στον άξονά τους (out-of-plane), αλλά σε πολλές φορές η κρούση συμβαίνει σε διάφορες κατευθύνσεις. Για αυτό τεχνικές όπως η ενίσχυση της δομής με αφρό ή η μεταβολή της πυκνότητας της κατασκευής κατά το πάχος της, μελετώνται ώστε να αυξηθεί η ενέργεια απορρόφησης και στην διεύθυνση παράλληλα με τον άξονας της δομής (in-plane). Έπειτα από βιβλιογραφική ανασκόπηση καταλήξαμε ότι η συμπεριφορά Nylon 12 δισδιάστατων κυψελωτών δομών δεν έχει ευρέως μελετηθεί παρότι είναι πολλά υποσχόμενες λόγω του χαμηλού τους βάρους και επειδή μπορούν να κατασκευαστούν με τρισδιάστατη έκπτωση. Έτσι, σε αυτή την διπλωματική μελετάτε η συμπεριφορά Nylon12 εξαγωνικής δομής. Η εγκυρότητα του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων επιβεβαιώνεται κάνοντας σύγκριση των αποτελεσμάτων με τα πειραματικά δεδομένα άλλου μελετητή. Έπειτα, εξετάζεται η επίδραση του μεγέθους της δισδιάστατης δομής στην συμπεριφορά και τις ιδιότητες της συγκριτικά με το αρχικό μέγεθος. Ακολούθως, μεταβάλλεται η πυκνότητα κατά το πάχος της δομής με ποικίλους μορφές, διατηρώντας την ολική μάζα ίση με την αρχική ομοιόμορφη δομή, αλλάζοντας το πάχος κάθε μοναδιαίας κυψελίδας με σκοπό να αυξηθεί η ενέργεια απορρόφησης. Συγκεκριμένες μεταβολές πυκνότητας οδήγησαν σε υψηλότερες παραμορφώσεις μέχρι την πλήρη συμπίεση της δομής, σε αυξημένη απορροφόμενη ενέργεια και χαμηλότερες αρχικές τάσεις, ενώ άλλες οδήγησαν στο αντίθετο. Επιπλέον η δομή ενισχύθηκε με αφρό διαφόρων πυκνοτήτων και βρέθηκε ότι η απορροφόμενη ενέργεια αυξήθηκε μέχρι και 150% ενώ η μάζα κατά 41%, όμως παρατηρήθηκε και αύξηση των τάσεων. Τέλος, οι δύο αυτές μέθοδοι συνδυάστηκαν και η νέα δομή μεταβλητής πυκνότητας και με αφρό έδειξε την υψηλότερη απορροφόμενη ενέργεια και μείωση των αρχικών φορτίων. Και για τις τρεις προαναφερθείσες μέθοδοι οι παραμετροποίηση των μοντέλων των πεπερασμένων στοιχείων τους έγιναν μέσω ενός κώδικα στο ΜΑΤLAB, όπου και επεξεργάστηκαν και αποθηκευτήκαν τα αποτελέσματα για μελλοντική χρήση. 2022-10-10T13:21:07Z 2022-10-10T13:21:07Z 2022-10-10 https://hdl.handle.net/10889/23349 en application/pdf