Thermal fatigue design of additive manufactured metal parts with lattice structures using selective laser melting method

Additive manufacturing is increasingly used as a primary way of creating components in multiple industries from aerospace and automotive, to bio-engineering, architecture and several more, due to its great advantages. For example, lightweighted parts, environmentally friendly production, lower cost,...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Καλύβα, Δέσποινα
Άλλοι συγγραφείς: Kalyva, Despoina
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2023
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/25243
id nemertes-10889-25243
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Additive manufacturing
Lattice structure
Lattice optimization
Thermo-mechanical analysis
Fatigue
Topology optimization
Προσθετική μηχανική
Δομή πλέγματος
Βελτιστοποίηση δομής πλέγματος
Θερμομηχανική ανάλυση
Κόπωση
Τοπολογική βελτιστοποίηση
spellingShingle Additive manufacturing
Lattice structure
Lattice optimization
Thermo-mechanical analysis
Fatigue
Topology optimization
Προσθετική μηχανική
Δομή πλέγματος
Βελτιστοποίηση δομής πλέγματος
Θερμομηχανική ανάλυση
Κόπωση
Τοπολογική βελτιστοποίηση
Καλύβα, Δέσποινα
Thermal fatigue design of additive manufactured metal parts with lattice structures using selective laser melting method
description Additive manufacturing is increasingly used as a primary way of creating components in multiple industries from aerospace and automotive, to bio-engineering, architecture and several more, due to its great advantages. For example, lightweighted parts, environmentally friendly production, lower cost, rapid production and so much more. The definition of AM given by the American Society for Testing and Material (ASTM) is as follows. “Additive manufacturing is a process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies”. The additive manufacturing methods following this process are being presented as well as their applications. The main goal of the current research is to simulate an additive manufactured model and to compare it with a traditional made one. First, a simple geometry is simulated, a cantilever cylindrical beam. For the additive model, solid material is replaced by an infill of lattice structure. Lattice structures are considered a way to reduce weight while maintaining the required properties. Extra attention is needed in the way of shaping them to avoid high stress, deformation, strain or overhanging areas. Multiple types are being presented and tested through simulation concerning their performance under load. Following that, lattice optimization takes place for the beam and better values ensue, resulting in it being a more preferable method to simulate the additive manufactured beam. Afterwards, based on the results from the beam, a more compound geometry, a piston, is simulated with the same way, but examined for fatigue failure under thermo-mechanical loads. Finally, the results of the original geometry and the additive manufactured one are compared and discussed.
author2 Kalyva, Despoina
author_facet Kalyva, Despoina
Καλύβα, Δέσποινα
author Καλύβα, Δέσποινα
author_sort Καλύβα, Δέσποινα
title Thermal fatigue design of additive manufactured metal parts with lattice structures using selective laser melting method
title_short Thermal fatigue design of additive manufactured metal parts with lattice structures using selective laser melting method
title_full Thermal fatigue design of additive manufactured metal parts with lattice structures using selective laser melting method
title_fullStr Thermal fatigue design of additive manufactured metal parts with lattice structures using selective laser melting method
title_full_unstemmed Thermal fatigue design of additive manufactured metal parts with lattice structures using selective laser melting method
title_sort thermal fatigue design of additive manufactured metal parts with lattice structures using selective laser melting method
publishDate 2023
url https://hdl.handle.net/10889/25243
work_keys_str_mv AT kalybadespoina thermalfatiguedesignofadditivemanufacturedmetalpartswithlatticestructuresusingselectivelasermeltingmethod
AT kalybadespoina schediasmossethermokopōsēmetallikōnstoicheiōnmedomēplegmatosapotrisdiastatēektypōsēmediadikasiaepilektikēstēxēsmelaser
_version_ 1771297362928467968
spelling nemertes-10889-252432023-06-30T04:01:07Z Thermal fatigue design of additive manufactured metal parts with lattice structures using selective laser melting method Σχεδιασμός σε θερμοκόπωση μεταλλικών στοιχείων με δομή πλέγματος από τρισδιάστατη εκτύπωση με διαδικασία επιλεκτικής τήξης με laser Καλύβα, Δέσποινα Kalyva, Despoina Additive manufacturing Lattice structure Lattice optimization Thermo-mechanical analysis Fatigue Topology optimization Προσθετική μηχανική Δομή πλέγματος Βελτιστοποίηση δομής πλέγματος Θερμομηχανική ανάλυση Κόπωση Τοπολογική βελτιστοποίηση Additive manufacturing is increasingly used as a primary way of creating components in multiple industries from aerospace and automotive, to bio-engineering, architecture and several more, due to its great advantages. For example, lightweighted parts, environmentally friendly production, lower cost, rapid production and so much more. The definition of AM given by the American Society for Testing and Material (ASTM) is as follows. “Additive manufacturing is a process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies”. The additive manufacturing methods following this process are being presented as well as their applications. The main goal of the current research is to simulate an additive manufactured model and to compare it with a traditional made one. First, a simple geometry is simulated, a cantilever cylindrical beam. For the additive model, solid material is replaced by an infill of lattice structure. Lattice structures are considered a way to reduce weight while maintaining the required properties. Extra attention is needed in the way of shaping them to avoid high stress, deformation, strain or overhanging areas. Multiple types are being presented and tested through simulation concerning their performance under load. Following that, lattice optimization takes place for the beam and better values ensue, resulting in it being a more preferable method to simulate the additive manufactured beam. Afterwards, based on the results from the beam, a more compound geometry, a piston, is simulated with the same way, but examined for fatigue failure under thermo-mechanical loads. Finally, the results of the original geometry and the additive manufactured one are compared and discussed. Ο όρος προσθετική κατασκευή χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο σαν τρόπος παραγωγής σε ένα ευρύ φάσμα κλάδων βιομηχανίας, όπως αυτοκινητοβιομηχανίες, εμβιομηχανική, αρχιτεκτονική και αρκετές ακόμη, χάρη στα σπουδαία πλεονεκτήματα που έχει να προσφέρει. Κάποια από αυτά είναι ελαφρότερες κατασκευές, φιλικές προς το περιβάλλον με μειωμένο κόστος κατασκευής, ταχεία παραγωγή και πολλά ακόμη. Ο ορισμός της προσθετικής παραγωγής που έχει δοθεί από τον παγκόσμιο οργανισμό τυποποίησης American Society for Testing and Material (ASTM) είναι ως εξής. «Προσθετική παραγωγή είναι η διαδικασία συνένωσης υλικών, συνήθως στρώμα πάνω σε στρώμα για τη δημιουργία αντικειμένων από τρισδιάστατα μοντέλα δεδομένων, σε αντίθεση με τις αφαιρετικές κατασκευαστικές τεχνολογίες όπως συμβατικές μηχανικές κατεργασίες». Στην παρούσα εργασία, αρχικά παρουσιάζονται διεργασίες που ακολουθούν αυτόν τον τρόπο παραγωγής και οι εφαρμογές τους. Έπειτα συγκρίνονται προσθετικά κατασκευασμένα εξαρτήματα με συμβατικά, αφού μοντελοποιηθούν κατάλληλα. Το πρώτο εξάρτημα που αναλύεται στατικά είναι μια πρόβολος κυλινδρική δοκός. Για να προσομοιωθεί η δοκός που έχει κατασκευαστεί με προσθετική μηχανική, αντικαθίσταται το συμπαγές εσωτερικό της με δομή πλέγματος. Οι δομές πλέγματος θεωρούνται μια μέθοδος ελάττωσης βάρους ενώ παράλληλα διατηρούνται οι απαιτούμενες ιδιότητες του εξαρτήματος. Εντούτοις, χρειάζεται αρκετή προσοχή ως προς τον τρόπο διαμόρφωσής τους, για να αποφευχθούν υψηλές τάσεις, παραμορφώσεις, μετατοπίσεις και περιοχές που μπορεί να λυγίσουν λόγω βάρους λιωμένο υλικού. Ποικίλα είδη δομών πλέγματος παρουσιάζονται και εξετάζεται η συμπεριφορά τους υπό την επίδραση φορτίων. Στη συνέχεια, δοκιμάζεται η βελτιστοποίηση δομής πλέγματος και λόγω των τιμών στις οποίες οδηγεί, επιλέγεται ως προτιμότερη μέθοδος μοντελοποίησης της δοκού από τρισδιάστατη εκτύπωση. Έπειτα, με βάση τα αποτελέσματα που εξάγονται από την δοκό, μια πιο σύνθετη γεωμετρία, ένα πιστόνι, αναλύεται σε θερμομηχανική κόπωση. Η διαμόρφωση του συμβατικού και του τρισδιάστατου εξαρτήματος ακολουθεί τα ίδια βήματα με τη δοκό. Τέλος, τα αποτελέσματα των δυο περιπτώσεων πιστονιού συγκρίνονται και σχολιάζονται. 2023-06-29T07:12:42Z 2023-06-29T07:12:42Z 2023-06-28 https://hdl.handle.net/10889/25243 en application/pdf