Experimental characterization of the mechanical behaviour of lattice structures under monotonic load conditions

A detailed study of mechanical properties of micro-lattice structures obtained by selective laser melting (SLM) with AlSi10Mg is presented in this thesis work. Two different cell topologies have been investigated: the body-centered cubic cell (BCC) and the face centered cubic cell (FCC). Compression and tensile tests have been performed on micro-lattice specimen in order to obtain experimentally the mechanical properties. Digital image correlation technique (DIC) has been used during the tests to better understand failure modes and localization of strains inside the cells. A remarkable difference of failure modes has been observed between the compression and tensile loads. CT scan has been performed on specimen before testing to analyses and quantify porosity and to reconstruct the real geometry of the specimens. Different lattice models such as ideal and real unit cell, one-eighth and a row of real specimen of both cell topology have been numerically analyzed with Gurson-Tveergard-Needleman (GTN) damage model. The entire specimen of BCC structure has been reconstructed in order to compare results with the simplified models. Numerical results of ideal cells have underestimated the mechanical properties compared with the experimental results. On the contrary, the results of real geometries have shown a good prediction for all mechanical properties (elastic modulus, yielding stress, ultimate stress and strain at rapture). Finally, the GTN damage model has been implemented on single cell geometry with boundary conditions equivalent to the periodic ones for plane stress load cases. Some points of the failure locus have been thus numerically identified. It has been found that a modification of the Tsai-Hill criterion well describes the failure surface according to the anisotropy observed from the elastic properties.

In questo lavoro è presentato uno studio dettagliato delle proprietà meccaniche di strutture lattice stampate con polveri di AlSi10Mg tramite il processo Selective-Laser-Melting (SLM). Due tipi di celle unitarie sono state analizzate: cubica corpo centrato (BCC) e cubica faccia centrata (FCC). Prove sperimentali di trazione e compressione sono stati effettuati su provini in lattice per determinarne le proprietà meccaniche. La tecnica “Digital image correlation” (DIC) è stata utilizzata durante gli esperimenti per studiare e comprendere meglio i meccanismi di rotture e le deformazioni locali delle celle di questa struttura. Un’evidente differenza di meccanismi di rottura è stata rilevata tra i test di compressione e trazione. Un’analisi a scansione (CT scan) è stata effettuata sui provini prima di essere testati per analizzarne la porosità all’interno del materiale. Dalle slices della tomografia diversi modelli basati sulla geometria reale sono stati ricostruiti, in particolare celle unitarie reali, un ottavo, una fila e il provino intero, in modo da analizzarli numericamente tramite un’analisi ad elementi finiti con il modello di danneggiamento Gurson-Tveergard-Needleman (GTN). Il provino intero composto da celle BCC è stato analizzato numericamente per validare i modelli semplificati. I risultati numerici condotti sui modelli ideali hanno sottostimato le proprietà meccaniche trovate durante gli esperimenti. Al contrario, i risultati della geometria reale sono molto simili a quelli sperimentali. (Modulo di Young, sforzo di snervamento, carico massimo e deformazione a rottura). Infine, il modello di danneggiamento GTN è stato implementato sulle celle unitarie con condizioni al contorno che riescano a replicare la periodicità della cella soggetta a carichi biassiali. Alcuni punti di rottura sono stati numericamente ottenuti dalle analisi FEM. Calcolando le proprietà elastiche della cella unitaria si è notato un comportamento anisotropo. Il criterio modificato di Tsai-Hill è stato utilizzato dimostrando una corretta previsione dei punti di rottura.