Experimental and numerical investigation on fatigue strength of a TPMS lattice structure manufactured by SLM

Additive manufacturing (AM) nowdays offers the possibility to create a wide range of structures not buildable by conventional manufacturing processes: a new front in lightweight material design was born exploiting this opportunity, allowing the creation of complex shapes and lattice structures. Lightweight is crucial in various applications, such as aerospace and automotive sectors, but these structures are useful also because it is possible to act on their density to reach specific mechanical properties, making them object of research and studies also in the biomedical field, in the realization of bone scaffolds. Power bed fusion techniques, such as Selective Laser Melting (SLM), Electron Beam Melting(EBM) or Selective Laser Sintering (SLS), are the most common processes used for 3D printed metal parts, whose properties are strictly dependent on the AM process and its parameters. AM processes indeed produce a series of imperfections and defects that are responsible for the structure failure, especially regarding fatigue properties. Surface lattices are one of the most innovative structures and they still need to be characterized both for static and fatigue behaviour. All lattice designs are recent, therefore specimens must be designed without any standard reference in order to give a correct representation of the material properties. The ideal structure of the cells is designed for example through CAD software (or other specific software, such as Ntopology) and is not able to reproduce defects and imperfections in the structure, so in order to take into account these e ects and their distribution, the real geometry must be considered. Following this path Micro-Computed Tomographies are used to define the as-built geometry of the considered components, specimens or group of cells. In this work it is analysed one sheet-based cellular structure, the Trifurcating or Primitive Schwarz cell, considering both as-designed and as-manufactured geometry, going deeply into fatigue properties of this cell considering di erent load ratios and multi-axial load condition. This cell is a Triply Periodic Minimal Surface (TPMS): a minimal surface is the surface of minimal area between any given boundaries. In nature such shapes result from an equilibrium of homogeneous tension, e.g. in a soap film and tissues of a variety ofanimal species. Minimal surfaces have a constant mean curvature of zero, i.e. the sum of the principal curvatures at each point is zero. Particularly fascinating are minimal surfaces that have a crystalline structure, in the sense of repeating themselves in three dimensions, in other words being triply periodic. In this thesis, after a brief introduction on the actual state of art of this specific field, the trifurcating cell geometry is introduced as well as the finite element approach used to perform the simulations. Static properties and specimen design are analysed in order to have a general overview of the cell behaviour and then fatigue properties of various cell configurations have been studied: both as-designed and as-built cells have been considered and experimental tests have been performed to be compared to the numerical results,concluding with a fatigue analysis of various multiaxial load conditions.

L'Additive manufacturing offre oggi la possibilità di creare un'ampia gamma di strutture non realizzabili con processi di produzione convenzionali: un nuovo fronte nel lightweight design è nato sfruttando questa opportunità, permettendo la creazione di strutture con forme complesse e strutture reticolari (lattice). La leggerezza conferita ai pezzi realizzati con tali strutture può essere di grande importanza in varie applicazioni, come nei settori aerospaziale e automobilistico, ma non solo: in queste strutture infatti è possibile agire sulla loro densità in modo tale da raggiungere proprietà meccaniche specifiche, oggetto di ricerche e studi anche in ambito campo biomedicale, nella realizzazione di impalcature ossee. Tecniche come Selective Laser Melting (SLM), Electron Beam Melting (EBM) o Selective Laser Sintering (SLS), sono i processi più comuni utilizzati per lo stampaggio di Parti metalliche 3D, le cui proprietà sono strettamente dipendenti dal processo manufatturiero e dai suoi parametri. I processi AM producono infatti una serie di imperfezioni e difetti che sono responsabili del cedimento della struttura, soprattutto per quanto riguarda le proprietà a fatica. I lattice a superfici sono una delle strutture più innovative e diversi tipi di cella devono ancora essere caratterizzati sia per comportamento statico che a fatica. Tutti i modelli di lattice sono recenti, quindi i provini devono essere progettati senza alcun riferimento standard al fine di fornire una corretta rappresentazione delle proprietà del materiale. La struttura ideale delle celle è progettata ad esempio tramite software CAD (o altrosoftware specfico, come Ntopology) e non è in grado di riprodurre difetti e imperfezionitipiche della struttura reale, quindi per tenere conto di questi difetti e della loro distribuzione, la geometria reale deve essere considerata. Seguendo questo percorso vengono utilizzate tomografie per definire la geometria reale dei componenti, provini o gruppi di celle considerati. In questo lavoro viene analizzata un lattice a superfici, chiamato Trifurcating o Primitive Schwarz, considerando sia la geometria ideale che quella reale, in particolare analizzando le proprietà a fatica di questa cella considerando diversi rapporti di carico e anche in uno stato di sforzo multiassiale. Questa cella è una cosiddetta Triply Periodic Minimal Surface (TPMS),overo una superficie sottesa dell'area minima tra i confini dati, con una curvatura media costante pari a zero. In natura sono presenti vari esempi di questo tipo di superfici ad esempio nei tessuti di varie specie animali. Particolarmente affascinanti sono le superfici minime che hanno una struttura cristallina, nel senso di ripetersi in tre dimensioni, ovvero le TPMS. In questa tesi, dopo una breve introduzione sull'attuale stato dell'arte in questo specifico campo, è introdotta la geometria della cella trifurcating e l'approccio utilizzato per eseguire le simulazioni a elementi finiti. Successivamente sono stati analizzati il provino e le proprietà statiche al fine di avere una panoramica generale delle proprietà delle cella, per poi passare alle proprietà a fatica, in cui sono state studiate varie configurazioni: sono state considerate sia celle con geometria ideale che celle con geometria reale e sono state eseguite prove in laboratorio per avere un confronto tra risultati numerici e sperimentali, concludendo con un analisi a fatica con condizioni di carico multiassiale.