Analysis and optimization of micro-lattice structures obtained by additive manufacturing

In this work, different lattice structures are analysed in order to identify their mechanical properties; for this purpose, an homogenized approach is used, which could be capable to relate cell properties with the ones of an equivalent homogeneous metamaterial. Investigation begins with FEM analysis of ideal models, and the extracted mechanical parameters are then compared with results obtained from experimental compression tests on actual lattices produced by Selective Laser Melting using an AlSi10Mg powder. The significant gap between ideal and real behaviour of the examined lattice structures requires then an accurate analysis of actual parts to determine the factors influencing this remarkable difference; nondestructing tests such as microcomputed tomography are performed to investigate internal geometrical characteristics otherwise impossible to be examined. Results of this research are then used to improve and correct the geometry of the ideal structures, in order to build optimized models capable of effectively take into account defects introduced in the manufacturing phase. Lastly, constitutive material is investigated in terms of internal porosity, and the results are used to fit the parameters of the Gurson-Tvergaard-Needleman damage model, which is then applied to estimate damage in the lattice cells.

In questo lavoro di tesi sono state analizzate differenti strutture reticolari allo scopo di identificare le loro proprietà meccaniche; a questo fine è stato utilizzato un approccio omogeneizzato in modo da correlare le proprietà delle singole celle con quelle di un metamateriale omogeneo equivalente. La ricerca inizia con analisi a elementi finiti dei modelli ideali, e successivamente le caratteristiche meccaniche estratte sono comparate con i risultati ottenuti da compressioni sperimentali su strutture reticolari reali prodotte mediante Selective Laser Melting utilizzando una polvere di AlSi10Mg. Il divario significativo tra il comportamento ideale e quello reale delle strutture esaminate richiede quindi un'attenta analisi delle parti reali per determinare i fattori che influenzano questa marcata differenza; test non distruttivi come la microtomografia computerizzata sono quindi eseguiti per esaminare le caratteristiche geometriche interne altrimenti impossibili da ispezionare. I risultati di questa ricerca sono poi usati per migliorare e correggere la geometria delle strutture ideali per costruire modelli ottimizzati che possano effettivamente tener conto dei difetti introdotti nella fase di fabbricazione. Infine, il materiale costituente viene studiato in termini di porosità interna ed i risultati vengono utilizzati per adattare i parametri del modello di danneggiamento di Gurson-Tvergaard-Needleman, che viene quindi applicato per stimare il danneggiamento delle strutture reticolari.