Modeling and characterization of novel honeycomb structures with mass gradient produced by additive manufacturing technologies

Luís Áser Castillo Portela

Key information

Authors:

Luís Áser Castillo Portela (Luís Aser Castillo Portela)

Supervisors:

Maria de Fátima Reis Vaz (Maria de Fátima Reis Vaz); Augusto Manuel Moura Moita de Deus (Augusto Manuel Moura Moita de Deus)

Published in

November 29, 2023

Abstract

Na indústria aeroespacial, automóvel e prostetica, verificou-se um aumento do uso de estruturas de favo-de-mel, devido ao seu baixo peso e alta resistência. A disseminação dos métodos de manufatura aditiva permitiu que se produzissem estruturas complexas que não seriam possíveis através dos métodos de manufatura convencionais como a fundição ou a maquinagem. Este trabalho tem como por objectivo estudar estruturas metálicas favo-de-mel regulares e com gradiente funcional que foram fabricadas através de Selective Laser Melting, que é um tipo de manufatura aditiva, nomeadamente Laser Powder Bed Fusion. Foram estudados três tipos de configurações para as unidades repetitivas: hexágonos regulares, com limites Plateau e Lotus. As propriedades mecânicas compressivas in-plane foram estudadas através de ensaios experimentais e numéricos. Na análise experimental foram ensaiados provetes regulares com e sem tratamento térmico sendo que os provetes com o tratamento térmico serviram para averiguar a sensibilidade das propriedades mecânicas das estruturas a este tratamento. O método numérico recorreu ao Método dos Elementos Finitos para obter a rigidez, energia absorvida e tensão de cedência específica. Os resultados indicam que um aumento da densidade relativa traduz-se num aumento das propriedades mecânicas. Também foi possível averiguar que a configuração Lotus tem as melhores propriedades mecânicas específicas que as outras configurações e é capaz de dissipar melhor as concentrações de tensões. Foi possível concluir que os resultados numéricos são precisos e existe uma boa correlação com os experimentais. As discrepâncias entre os resultados numéricos e experimentais advêm das limitações do método de manufatura. An increase in the use of honeycomb structures has been noted in the aerospace, automotive and prosthetic industries due to their low weight and high strength. The dissemination of additive manufacturing methods allowed the manufacture of more complex shapes, which were impossible with traditional methods such as die casting or machining. This work aims to study several types of metallic regular honeycombs and functionally graded honeycombs which were manufactured through Selective Laser Melting, a type of additive manufacturing, particularly a Laser Powder Bed Fusion Method. Three types of gradients were studied: regular gradients, radial gradients and linear gradients. These types of honeycombs have three configurations for the repeating units: regular hexagons, Plateau borders and Lotus. The compressive in-plane properties of the structures were evaluated using experiments and numerical simulations. In the experimental testing, the regular specimens with and without annealing were tested, and the ones with annealing were studied to investigate how the mechanical properties changed with said treatment. The numerical method resorted to the Finite Element Method to obtain the specific stiffness, energy absorbed and yield strength. The results indicated that the mechanical properties increased with an increase in the relative density. The Lotus configuration has the highest specific mechanical properties and reduces the stress concentrations within the honeycombs. The numerical simulations were accurate and matched well with the experimental results. The observed discrepancies were attributed to the limitations of the manufacturing method used.