Mechanical properties of irregular lattices

Abstract

Lattices are porous and lightweight structures that have high strength-to-weight ratio and energy absorption capacity compared to solid structures. They are used in various applications in order to save material and decrease weight while still having sufficient material properties. Manufacturing of lattices has become increasingly easy with 3D printers that can print objects regardless of their complexity. This has increased the interest in irregular lattices in order to find better alternatives to regular lattices. Hexagonal and triangular are common lattice topologies that have been studied in their irregular forms, though studies lack experiments and in finite element simulations they are only compressed up to low strains.

This thesis evaluates material properties of irregular hexagonal and tri-angular structures where the type of irregularity is nodal dispersion. In addition, cell wall removal is studied for triangular structures. All structures were studied by using finite element method and then total of ten irregular hexagonal and triangular lattices were 3D printed and tested in quasi-static crushing experiments. Based on the results, a moderate amount of irregularity could be beneficial since it decreases first peak stresses while the absorbed energy remains similar. On the other hand, high irregularity generally has almost negative impact on material properties. If the function of a lattice is in structural application, the regular one might be the most suitable as it requires highest load until it starts to deform plastically.

Kennorakenteet ovat avonaisia ja kevyitä rakenteita, joilla on korkea lujuus-paino suhde ja jotka pystyvät absorboimaan paljon energiaa verrattuna täysin kiinteisiin kappaleisiin. Kennorakenteita käytetään useisiin sovelluksiin, joissa niitä käyttämällä voidaan säästää materiaalia, mutta silti saada riittävän hyvät materiaaliominaisuudet. 3D-tulostimien avulla kennojen valmistaminen on nykyään helppoa riippumatta niiden monimutkaisestakin rakenteesta. Tämä on lisännyt kiinnostusta epäsäännöllisiin kennorakenteisin, joita tutkimalla voidaan etsiä parempia vaihtoehtoja säännöllisille rakenteille. Epäsäännöllisiä kennorakenteita, jotka koostuvat kuusi- ja kolmikulmaisista soluista on tutkittu paljon, mutta usein ainoastaan simuloimalla ja simulaatiotkin vain alhaisiin puristusvenymiin.

Tässä työssä tarkastellaan epäsäännöllisten kennojen mekaanisia ominaisuuksia, joissa epäsäännöllisuus on saatu aikaan satunnaisesti muuttamalla soluseinämien risteyskohtien paikkaa. Lisäksi tutkikaan sitä tilannetta, jossa kolmioista koostuvasta kennorakenteesta poistetaan soluseinämiä. Kaikkia rakenteita tutkittiin aluksi simulaatioiden avulla, jonka jälkeen 10 rakennetta 3D-tulostettiin ja testattiin puristuskokeessa. Tulosten perusteella pieni epäsäännöllisyys rakenteessa saattaa olla hyödyllistä, sillä se pienentää myötölujuutta energian absorboinnin pysyessä samana. Toisaalta suuri epäsäännöllisuus alentaa yleisesti kaikkia materiaaliominaisuuksia. Jos kennorakennetta käytetään pelkästään rakenteellisiin tarkoituksiin, on kaikista säännöllisimmät kennot sopivimpia, sillä niillä on korkein myötölujuus.