Εφαρμογή υπολογιστικής ομογενοποίησης σε υλικά προσθετικής κατασκευής για τον προσδιορισμό των μηχανικών τους ιδιοτήτων

Αγγελόπουλος, Νικόλαος

Computational homogenization of additive manufacturing materials for the determination of their effective mechanical properties

Διπλωματική εργασία

Author

Αγγελόπουλος, Νικόλαος

Date

2023-03-07

Advisor

Σάββας, Δημήτριος

Κύριο άρθρο (3.721Mb)

Keywords

Υπολογιστική ομογενοποίηση ; Πεπερασμένα στοιχεία ; Προσθετική κατασκευή ; Τρισδιάστατη εκτύπωση

Abstract

Στον κλάδο της παγκόσμιας κατασκευαστικής κοινότητας, η μελέτη και η κατασκευή προϊόντων στηρίζεται στην ταχεία προτυποποίηση. Εξελικτικά, από αυτή την κατασκευαστική γνώση τέθηκαν τα θεμέλια για την ανάπτυξη των τεχνολογιών προσθετικής κατασκευής ή αλλιώς των τεχνολογιών τρισδιάστατης εκτύπωσης αντικειμένων με πολλαπλές εφαρμογές στη σύγχρονη βιομηχανία. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η εύρεση φαινομενολογικών καταστατικών νόμων υλικού που εκφράζουν τη μηχανική συμπεριφορά αντιπροσωπευτικών στοιχείων όγκου της μεσοδομής τρισδιάστατων εκτυπωμένων μηχανολογικών αντικειμένων, μέσω εφαρμογής της μεθόδου υπολογιστικής ομογενοποίησης και ανάλυσης με τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων. Η συγκεκριμένη μεθοδολογία μπορεί να προβλέψει, ανάλογα με τη μεσοδομή του αντικειμένου που προκύπτει μεταβάλλοντας τις παραμέτρους εκτύπωσης, ανισοτροπικούς καταστατικούς νόμους υλικού. Συγκεκριμένα στην εργασία διερευνάται η επιρροή της αβεβαιότητας της γεωμετρίας εκτύπωσης καθώς και της αβεβαιότητας των ιδιοτήτων του υλικού εκτύπωσης στις ελαστικές παραμέτρους του καταστατικού τανυστή του τελικού ομογενοποιημένου υλικού. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται καταδεικνύουν την σημαντική επιρροή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της ίνας εκτύπωσης που μελετήθηκαν, δηλαδή της διαμέτρου της οπής του ακροφυσίου της κεφαλής εκτύπωσης και του πάχους της στρώσης εκτύπωσης στις τελικές ιδιότητες του εκτυπωμένου αντικειμένου. Επίσης, αναδεικνύεται η μεγάλη επιρροή του συντελεστή επικάλυψης μεταξύ των διαδοχικών ινών η οποία καθορίζει την πυκνότητα εκτύπωσης. Ο λόγος που καθορίζει την σημαντική επιρροή της αβεβαιότητας της γεωμετρίας εκτύπωσης στις τελικές μηχανικές ιδιότητες του εκτυπωμένου αντικειμένου είναι η μεταβολή του πορώδους της μεσοδομής του (κατ’ όγκο αναλογία των κενών) που επηρεάζεται από τις υπό εξέταση γεωμετρικές παραμέτρους εκτύπωσης. Όσον αφορά την επιρροή της αβεβαιότητας των ιδιοτήτων του υλικού εκτύπωσης εξάγεται το συμπέρασμα ότι η διακύμανση των ιδιοτήτων του τελικού υλικού ταυτίζεται με αυτή του υλικού που χρησιμοποιείται για την τρισδιάστατη εκτύπωση του αντικειμένου. Σημειώνεται ότι τα αποτελέσματα που εξάγονται από την παρούσα εργασία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάλυση με Στοχαστικά Πεπερασμένα Στοιχεία ενεργειακά ισοδύναμων μοντέλων τρισδιάστατα εκτυπωμένων αντικειμένων η μεσοδομή των οποίων αντικαθίσταται από ένα φαινομενολογικό υλικό με ελαστικές παραμέτρους που υπολογίστηκαν με τη μέθοδο της υπολογιστικής ομογενοποίησης. Το γεγονός αυτό καθιστά υπολογιστικά εφικτή την ανάλυση της μηχανικής συμπεριφοράς μεγάλης κλίμακας κατασκευών που έχουν προέλθει από μεθόδους προσθετικής κατασκευής

Abstract

In the industry of the global manufacturing community, the design and manufacture of products relies on rapid prototyping. Evolutionarily, from this manufacturing knowledge the foundations were laid for the development of additive manufacturing technologies or otherwise 3D printing technologies with multiple applications in today industry. The goal of this thesis is to find phenomenological constitutive material laws expressing the mechanical behavior of representative volume elements of the mesostructure of 3d printable mechanical parts, using computational homogenization method and finite element analysis. By this procedure anisotropic constitutive laws can be defined based on the behavior of the mesostructure of printed parts. Specifically, in this study the effect of geometric and material uncertainty on the homogenized elastic properties is investigated. In case of geometric uncertainty different geometrical characteristics which affect the section shape of the extruded filaments were investigated including the diameter of the nozzle and the height of the layers. The presented numerical results show a significant influence of these geometrical characteristics on the effective material properties of the printable part. The effect of overlap factor between two subsequent printing lines (printer’s density) is also investigated. It is deduced that the change of the porosity of the mesostructure (amount of volume fraction of voids present) is the main reason for the significant effect of the geometric uncertainty on the homogenized elastic properties of the printable part. Regarding the effect of material uncertainty it is deduced that the coefficient of variation of the homogenized elastic properties is as this of the properties of the material used for printing the object. The outcome of the present study can be utilized in the Stochastic Finite Element analysis of surrogate models of large scale 3d printed structures. The computed phenomenological constitutive laws can be assigned to homogeneous models which are used as substitutes to the mesostrucure of the printable objects, leading thus to affordable computational analysis.