Investigation of mechanical and fracture behaviors of additively manufactured polymeric lattice materials / Bahman Paygozar; thesis advisor Recep M.Görgülüarslan.

Tez (Doktora Tezi)--TOBB ETÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Nisan 2025

Bu tez, deneylere ve sayısal analizlere dayalı olarak eklemeli imalatı (Eİ) ile üretilen kafes malzemelerin mekanik ve kırılma özelliklerini araştırmayı amaçlamaktadır. Bu amaçla, katı ve kafes numuneler için malzeme ekstrüzyon Eİ tekniği ile üretilen PLA malzemesi için malzeme ve kırılma özellikleri karakterize edilmiştir. Eİ işlemi sırasında sarkma sorunları nedeniyle oluşan destek gereksinimleri ve düşük kırılma özellikleri dahil olmak üzere mevcut kafes hücrelerinin sorunlarını ortadan kaldırmak için bir kafes hücresi önerilmiştir. Hafiflik ve yüksek mukavemet sağlayan bir destek elemanı ağından oluşan kafes malzemeler, Eİ teknikleri bunları üretebildiğinden, şu anda nihai ürünlerin üretiminde dikkat çekmektedir. Ancak, üretim tekniğinin katman bazlı yapısı nedeniyle, eklemeli olarak üretilen kafes malzemeler, malzeme ve kırılma özelliklerinde değişiklikler içerir. Dolayısıyla, sayısal araştırmalardan elde edilen malzemelerin mekanik performansı, üretilen malzemelerin performansından farklıdır. Biyomedikal, otomotiv ve havacılıkta ilgi gören, çevre dostu PLA malzemesinin üretimini sağlayan ergiyik filament fabrikasyonu (EFF) adı verilen malzeme ekstrüzyon Eİ tekniğinde, hasarı kapsamlı bir şekilde tahmin etmek için malzemelerin kırılma davranışını tahmin etmek esastır. Ancak, mevcut çalışmalar esas olarak tamamen katı malzemelerin mekanik ve kırılma özelliklerini araştırmıştır. Kafes malzemelerin kırılma davranışıyla ilgili çalışmalar, Eİ tarafından getirilen değişikliklerin kafes malzemelerin kırılma davranışının tahmini üzerindeki etkisini araştırmamaktadır. Bu kritik boşluğu doldurmak için, EFF tekniği ile üretilen PLA kafes malzemelerinin mod I, II ve III kırılma davranışı deneylere dayalı olarak karakterize edilmiş ve genişletilmiş sonlu elemanlar yöntemi'ne (GSEM) dayalı sayısal kırılma simülasyonlarında kullanılmak ve malzeme-özellik ilişkilerini elde etmek için eşdeğer özellikler belirlenmiştir. Bu amaçla, kırılma davranışı iki seviyede incelenmiştir: (1) Katı malzeme seviyesi ve (2) kafes malzemesi (makro) seviyesi. Katı malzeme seviyesinde, EFF ile üretilen katı numunelerin kırılma davranışı, farklı yapı yönelimleri için kırılma testleri (mod I, II, III) ile belirlenmiştir. Malzeme ve kırılma parametreleri, yapı yönelimlerine dayalı değişimleri de dahil olmak üzere, GSEM'e dayalı kırılma simülasyonlarında kullanılmak üzere belirlenmiştir. Kafes malzemesi seviyesinde, mod I, II ve III kırılma test numuneleri farklı yapı yönelimlerinde üretilmiş ve ardından test edilmiştir. GSEM tabanlı sayısal modeller, tekrarlanan testler ve farklı yapı yönelimleri nedeniyle oluşan değişimleri içerecek şekilde deneysel sonuçlara göre kalibre edilmiş eşdeğer özellikler kullanılarak katı elemanlarla kafes hücreyi temsil edecek şekilde geliştirilmiştir. Yüzey ve basit merkezli kübik (YBMK) adı verilen bir kafes hücre tipi, çıkıntı sorunları olmadan ve yüksek kırılma özellikleriyle EFF ile üretim için önerilmiştir. YBMK kafesin ve hacim merkezli kübik (HMK) adı verilen mevcut bir kafes hücre tipinin kırılma özellikleri ve onların değişimleri belirlenmiştir. Önerilen YBMK kafes hücre tipinin destek gereksinimi olmadan üretilebileceği ve mevcut HMK kafesten daha yüksek kırılma özelliklerine sahip olduğu gösterilmiştir. Kullanılan PLA'nın malzeme ve kırılma özelliklerinin çıkarılmasından sonra, GSEM tekniği kullanılarak yürütülen mod I/II/III sayısal analizlerinde kullanılacak malzeme özelliklerini çıkarmak için bir kalibrasyon süreci uygulanmıştır. Sayısal analizlerde yapı yöneliminin etkilerini göz önünde bulundurmak için, enine izotropik bir malzeme modeli kullanıldı. Sonraki adımda, eşdeğer katı malzeme modelini çıkarmak için başka bir kalibrasyon prosedürü kullanılmıştır ve bu model, GSEM tekniği kullanılarak YBMK kafes numunelerinin kırılma davranışını modellemek için kullanılmıştır.

This thesis aims to investigate the mechanical and fracture properties of polymeric lattice materials fabricated by additive manufacturing (AM) based on experiments and numerical analyses. For this purpose, material and fracture properties are characterized for the PLA material manufactured by the material extrusion AM technique for solid and lattice specimens. A lattice cell is proposed to eliminate the problems of existing lattice cells, including support requirements due to overhanging issues during the AM process and inferior fracture properties. Lattice materials, composed of a strut element network that provides lightweight and high strength, currently draw attention in producing final products since AM techniques can fabricate them. However, due to the layer-wise nature of the fabrication technique, additively manufactured lattice materials include variations in the material and fracture properties. Hence, the mechanical performance of materials obtained from numerical investigations differs from that of fabricated materials. In the material extrusion AM technique called fused filament fabrication (FFF), which enables the fabrication of environmentally friendly PLA material that gains interest in biomedical, automotive, and aerospace, it is essential to predict the fracture behavior of materials to estimate damage comprehensively. However, existing studies mainly investigated solid materials' mechanical and fracture properties. Studies concerning the fracture behavior of lattice materials do not investigate the effect of variations introduced by AM on the prediction of the fracture behavior of lattice materials. To fill this critical gap, mode I, II, and III fracture behavior of PLA lattice materials fabricated by the FFF technique are characterized based on experiments, and effective properties were determined to use in numerical fracture simulations based on the extended Finite Element Method (XFEM) and to obtain the material-property relationships. For this purpose, the fracture behavior is investigated at two levels: (1) Solid material and (2) lattice material (macro) level. At the solid material level, the fracture behavior of the solid specimens manufactured by FFF is determined by fracture tests (mode I, II, III) for different build orientations. The material and fracture parameters were determined, including their variations based on build orientations, for use in the fracture simulations based on XFEM. At the lattice material level, mode I, II, and III fracture test specimens were fabricated in different build orientations and then tested. XFEM-based numerical models are developed by representing lattice cells with solid elements using effective properties calibrated based on the experimental results to include variations due to repeated tests as well as different build orientations. A lattice cell type called face- and simple-centered cubic (FSCC) is proposed for fabrication by the FFF technique without overhang issues and with high fracture properties. Fracture behaviors and their variations of the FSCC lattice and one existing lattice cell type called body-centered cubic (BCC) are determined experimentally. It was shown that the proposed FSCC lattice cell type can be fabricated without support requirements and has higher fracture properties than the existing BCC lattice. After the extraction of the material and fracture properties of the PLA in use, a calibration process was implemented to extract the calibrated material properties to be used in the modes I/II/III numerical analyses conducted using the XFEM technique. To consider the effects of build orientation in the numerical analyses, a transversely isotropic material model was utilized. For the lattice specimens, another calibration procedure was employed to extract the equivalent solid material model, which was utilized to model the fracture behavior of the FSCC lattice specimens using the XFEM technique.