Investigation of the fatigue strength of SLM-printed micro-lattice materials by experimental tests and uCT-based finite element analyses

The recent and promising development of additive manufacturing (AM) techniques has resulted in a new and unusual possibility to produce lightweight parts with very complex and these shapes. In this scenario, micro-lattice materials have become one of the most interesting kind of materials, thanks to their new range of properties that can not be reach by traditional manufactured parts: the lightweight design of this micro-structure can be combined with biochemical compatibility, capability to absorb energy and to carry loads, thermal insulation and packaging possibilities, and other properties. Despite these positive and favourable aspects, the full potential of micro-lattice materials is today far from being reached. Indeed, the mechanical properties and particularly the fatigue strength and the fatigue behaviour of these micro-structures are not yet well known. This knowledge is crucial for most of their possible applications, since in aerospace, automotive, mechanical and medical components the load-bearing capability is one of the paramount requirements. In literature, some works are available about the mechanical properties under mono-tonic uniaxial compressive loads, but only few studies can be found on the fatigue strength and on the mechanical behaviour under tensile and multiaxial loads of these micro-lattice materials. This is due to the lack of standards that give accurate guidelines for the mechanical testing of these materials: only a standard has been nowadays published for the compression testing of metallic lattice structures that exhibit a ductile plateau behaviour (ISO 13314). As a consequence, the first aim of this work is to study a specimen design that can be used in the fatigue tests and that can be representative of the properties of the corresponding micro-lattice materials and not only of the specimen as a structure: the size effect has been studied by analysing specimens with different numbers of unit cells in gage section. In addition, a specific design has been studied to perform tensile mechanical testing. The designed specimens have been used to study the fatigue strength of micro-lattice materials in compression and in tension with different load ratios. A methodological approach proposed in literature for the analysis of the experimental results of metal foam has been applying: the damage initiation, the damage propagation and the number of cycles to failure of micro-lattice materials have been analysed. Moreover, a failure analysis by means of microscope images and micro-computed tomography has demonstrated that the failure and the cracks of these micro-lattice materials start from the surface irregularities of their as-manufactured geometry, that are not predictable in the as-design model, since they depend upon the printing process parameters and on the printing angle of the struts. The study of these irregularities has been crucial, since they are very detrimental for the fatigue properties. The digital image correlation has been used to measured and quantify the effect of the strain localisations derived from the surface irregularities and to validate a FE model based on the as-manufactured geometry of the specimens. The Digital Volume Correlation has been applied to study the damage and the failure mode of the micro-lattice materials, confirming the damage predicted by the methodological approach applied to the experimental results. Then, a numerical model for the fatigue strength prediction has been developed on the FE models based on the as-manufactured geometry and it has been validated by compare the numerical results with the digital volume correlation results. By means of this numerical model, the fatigue strength of the micro-lattice materials has been analysed. The effect of the loading direction of uniaxial cyclic loads on the fatigue strength has been evaluated. The obtained values of fatigue strength have been related to the printing angle of the struts in the unit cells and their difference has been explained. To conclude, the fatigue strength of micro-lattice materials under multiaxial loading conditions has been numerically predicted: different loading directions have been considered to apply in-phase and out-of-phase cyclic loads and to study the fatigue strength of the micro-lattice structures in different loading conditions.

Il recente sviluppo delle tecniche di Additive Manufacturing (AM) ha portato a nuove e promettenti possibilità di produrre componenti molto leggeri, caratterizzati da forme complesse e dimensioni e spessori molto ridotti e inferiori al millimetro. In questo contesto, i materiali trabecolari sono diventati una delle applicazioni più interessanti e studiate. Questi materiali offrono, infatti, proprietà molto varie e non raggiungibili con materiali tradizionali: la leggerezza del design finale può essere raggiunto insieme con la capacità di assorbire energia, con una buona biocompatibilità, con un ruolo strutturale e nuove proprietà termiche. L’applicazione di questi materiali è però ancora limitata dalla scarsa conoscenza delle loro proprietà meccaniche e, soprattutto, del loro comportamento e della loro resistenza a fatica: componenti in ambito meccanico, medico e aerospaziale sono generalmente sottoposti a carichi statici e ciclici e ciò rende fondamentale la conoscenza e la previsione della loro risposta meccanica. In letteratura, diversi lavori sono stati pubblicati riguardo al comportamento meccanico di queste micro-strutture in condizioni di carico uniassiale di compressione, ma solo pochi studi sono disponibili riguardo al loro comportamento meccanico se sottoposti a carichi di trazione, ciclici o multiassiali. La mancanza di una normativa che dia delle precise linee guida per campagne e prove sperimentali è sicuramente una delle problematiche principali da affrontare: nessuna indicazione univoca è per esempio ad oggi disponibile riguardo alle procedure di prova, al disegno dei provini e al numero di prove necessarie per lo studio delle proprietà meccaniche di questi materiali. La norma ISO 13314 è l’unica norma di riferimento, ma è applicabile solamente a test sperimentali di compressione su materiali trabecolari duttili che sono caratterizzati da un comportamento a plateau. Partendo da queste considerazioni, il primo obiettivo di questa tesi è stato lo studio di una geometria dei provini per le prove sperimentali di fatica che fosse adatta per rappresentare le proprietà del materiale trabecolare: dimensioni ridotte del provino e un numero di celle unitarie non sufficienti portano ad ottenere le proprietà della struttura che caratterizza il provino, affetta da effetti di bordo. Lo studio dell’effetto delle dimensioni del provino sulle proprietà meccaniche è stato condotto variando il numero di celle unitarie nella sezione del provino. In aggiunta, un particolare disegno è stato studiato per le prove sperimentali di trazione. I provini studiati sono stati impiegati per prove sperimentali di fatica, con carichi di trazione e compressione e diversi rapporti di carico. Un approccio metodologico per l’analisi di risultati sperimentali di schiume metalliche è poi stato applicato per analizzare i risultati ottenuti: il numero di cicli al quale avviene l’inizio del danneggiamento in alcuni elementi del reticolo (strut) e il numero di cicli a rottura dopo la propagazione di questo danneggiamento nelle varie celle del reticolo sono stati determinati per ogni test condotto. Inoltre, l’analisi dei provini attraverso immagini al microscopio e tomografie, ha permesso di evidenziare come le rotture all’interno dei trabecoli siano dovute a difetti superficiali che caratterizzano la geometria dei provini stampati e che non sono prevedibili a priori, ma dipendono da diversi fattori, tra cui i parametri di stampa, l’orientazione del componente rispetto al paino si stampa, le dimensioni delle celle unitarie, ecc. Diverse cricche e rotture sono state trovate in corrispondenza di questi difetti, mentre nessuna di esse è stata ricondotta alla presenza di pori di diverse configurazioni presenti all’interno del materiale. Questi difetti sono cruciali per le proprietà a fatica dei materiali studiati e, di conseguenza, studiarne dimensioni ed effetti è risultato fondamentale. La correlazione di immagini attraverso la tecnica della DIC (digital image correlation) è stata utilizzata per misurare e quantificare gli effetti delle localizzazioni di deformazione in corrispondenza di queste irregolarità superficiali e per validare un modello agli elementi finiti basato sulla geometrie reali dei provini ottenute dalla tomografia. La tecnica della DVC (digital volume correlation) è stata poi impiegata per studiare il danneggiamento di questi materiali e per confermare le stime dello stesso ottenute dall’analisi dei dati sperimentali: la correlazione di volumi ottenuti da tomografie effettuate durante prove a fatica ripetutamente interrotte a diversi numeri di cicli per scansionare il provino ha permesso di analizzare le concentrazioni di deformazione nell’intera struttura e di confermare i risultati stimati in precedenza. Un modello numerico è stato sviluppato a completamento del lavoro per stimare la resistenza a fatica di questi materiali trabecolari: il modello è stato applicato a modelli ad elementi finiti basati sulla geometria reale dei provini ed è stato validato tramite il confronto con i risultati della DVC. Il modello numerico è stato applicato per lo studio delle proprietà a fatica in diverse condizioni di carico. In particolare, il modello ha permesso lo studio dell’effetto della direzione di carico in condizioni di fatica uniassiale e una relazione è stata trovata tra questa direzione e l’orientamento degli strut nel processo di stampa. In aggiunta, il modello numerico ha permesso lo studio della resistenza a fatica di questi materiali in condizioni multiassiali: l’effetto di carichi in fase e fuori fase (difficilmente applicabili in prove sperimentali) è stato analizzato e studiato considerando anche diverse direzioni di carico.