Technological and Mechanical Studies on Additively Manufactured Cellular Structures Made of the Ultrafuse 316L Composite Filament

• Autorzy: Cieplak Kamil , Płatek Paweł

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0054.7507

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Regular cellular materials produced using additive manufacturing (AM) techniques represent a significant development trend in modern engineering materials. Depending on the applied elementary unit cell of topology, it is possible to define the course of the structure deformation process in order to obtain the highest possible energy absorption effectiveness. This feature makes regular cellular structural materials particularly attractive for a number of industrial branches. This paper presents the results of technological trials and the results of experimental studies on the mechanical properties of regular cellular structures made using 3D printing technology under compression test loading conditions. The material used for their production was the Ultrafuse 316L filament and the fused filament fabrication (FFF) technique. The proposed material is a polymer-metal composite with a manufacturing process similar to metal injection moulding (MIM). The adopted research methodology included a feasibility study aimed at achieving material homogeneity and compression tests of the developed and manufactured regular cellular structures under quasi-static loading conditions. Several structural topologies were analysed. Experimental results indicated that regular cellular structures made from 316L steel exhibit high mechanical strength and extensive plastic deformation capabilities. The utilized in this work manufacturing technology used combines the advantages of 3D printing process with the potential of powder metallurgy. The proposed technique of structure manufacturing process is much cheaper than other based on melting metallic powders.

PL

Materiały komórkowe wytwarzane za pomocą przyrostowych technik wytwórczych, stanowią jeden z interesujących trendów rozwojowych w zakresie nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych. W zależności od przyjętej topologii (geometrii) komórki elementarnej, istnieje możliwość programowania przebiegu procesu deformacji struktury, celem uzyskania jak najwyższego wskaźnika energochłonności. Wymieniona cecha czyni regularne materiały komórkowe szczególnie atrakcyjnymi dla różnych dziedzin przemysłu. Głównym celem niniejszej pracy jest przedstawienie wyników badań technologicznych oraz rezultatów badań właściwości mechanicznych regularnych struktur komórkowych wykonanych za pomocą techniki druku 3D. Do ich produkcji wykorzystano materiał w postaci filamentu Ultrafuse 316L oraz technikę FFF (ang. Fused Filament Fabrication). Zaproponowany materiał stanowi kompozyt polimerowo-metaliczny. Proces wytwarzania niniejszego materiału jest zbliżony do procesu MIM (ang. Metal Injection Molding). Przyjęta w pracy metodyka badań obejmowała studium wykonalności ukierunkowane na uzyskanie jednorodności materiału oraz testy ściskania opracowanych regularnych struktur komórkowych w warunkach obciążenia quasi- statycznego. W podjętych badaniach przeanalizowano kilka wariantów topologii struktur. Na podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych stwierdzono, że regularne struktury komórkowe wytworzone ze stali 316L, wykazują wysoką wytrzymałość mechaniczną oraz duży zakres odkształceń plastycznych. Zastosowana technologia wytwarzania łączy zalety metod druku 3D z możliwościami metalurgii proszków. Zaproponowana metoda ich produkcji jest znacznie tańsza w porównaniu do innych procesów wytwórczych bazujących na przetapianiu proszków metalicznych.

Słowa kluczowe

EN

mechanical engineering; additive techniques; regular cellular structures; 3D printing; 316L steel; BASF Ultrafuse 316 L

PL

inżynieria mechaniczna; techniki addytywne; regularne struktury komórkowe; druk 3D; stal 316L

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Problemy Mechatroniki : uzbrojenie, lotnictwo, inżynieria bezpieczeństwa
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 15, Nr 3 (57)
• Strony: 47--62
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Cieplak Kamil

• Military University of Technology Faculty of Mechatronics, Armament and Aerospace 2 Sylwestra Kaliskiego Str., 00-908 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-0825-2689

autor

Płatek Paweł

• Military University of Technology Faculty of Mechatronics, Armament and Aerospace 2 Sylwestra Kaliskiego Str., 00-908 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] DebRoy T., H. L. Wei, J.S. Zuback, T. Mukherjee, J. W. Elmer, J.O. Milewski, A.M. Beese, A. Wilson-Heid, A. De, and W. Zhang, 2018, "Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties". Prog. Mater. Sci. 92 : 112-224.
• [2] Wood, M. Benjamin. 2016, "5 – Multifunctionality in Additive Manufacturing". In Design and Manufacture of Plastic Components for Multifunctionality, Structural Composites, Injection Molding, and 3D Printing. Elsevier Inc.
• [3] Salmi, Mika. 2021. "Additive manufacturing processes in medical applications". Materials 14 (1) : 191-1-16.
• [4] Murr, E. Lawrence. 2016. "Frontiers of 3D Printing/Additive Manufacturing: from Human Organs to Aircraft Fabrication". J. Mater. Sci. Technol. 32 (10) : 987-995.
• [5] Craveiro, Flavio, Jose Duarte, Helena Galha Bartolo, and Paolo Jorge Bartolo. 2019. "Additive manufacturing as an enabling technology for digital construction: A perspective on Construction 4.0". Autom. Constr. 103 : 251-267.
• [6] Valino, D. Arnaldo, John Rayan C. Dizon, Alejandro H. Espera Jr., Qiyi Chen, Jamie Messman, and Rigoberto C. Advincula. 2019. "Advances in 3D printing of thermoplastic polymer composites and nanocomposites", Prog. Polym. Sci. 98 : 101162.
• [7] Yuan, Shangqin, Fei Shen, Chee Kai Chua, and Kun Zhou. 2019. "Polymeric composites for powder-based additive manufacturing: Materials and applications". Prog. Polym. Sci. 91 : 141-168.
• [8] Penumakala, Pavan Kumar, Jose Santo, and Alen Thomas. 2020. "A critical review on the fused deposition modeling of thermoplastic polymer composites". Compos. Part B Eng. 201 : 108336.
• [9] Bandyopadhyay Amit, and Bryan Heer. 2018. "Additive manufacturing of multi-material structures". Mater. Sci. Eng. R Reports 129 : 1-16.
• [10] Velasco-Hogan, Audrey, Jun Xu, and Marc A. Meyers. 2018. "Additive Manufacturing as a Method to Design and Optimize Bioinspired Structures". Adv. Mater. 30 (52) : 1800940.
• [11] Kucewicz, Michał, Paweł Baranowski, Jerzy Małachowski, Arkadiusz Popławski, and Paweł Płatek. 2018. "Modelling, and characterization of 3D printed cellular structures". Mater. Des. 142 : 177-189.
• [12] Płatek, Paweł, Kamil Rajkowski, Kamil Cieplak, Marcin Sarzyński, Jerzy Małachowski, Ryszard Woźniak, and Jacek Janiszewski. 2020. "Deformation Process of 3D Printed Structures Made from Flexible Material with Different Values of Relative Density". Polymers 12 (9) : 2120.
• [13] Kucewicz, Michał, Paweł Baranowski, Michał Stankiewicz, Marcin Konarzewski, Paweł Płatek, and Jerzy Małachowski. 2019. "Modelling and testing of 3D printed cellular structures under quasi-static and dynamic conditions". Thin-Walled Struct. 145 : 1-15.
• [14] Sadaf, M., M. Bragaglia, and F. Nanni. 2021. "A simple route for additive manufacturing of 316L stainless steel via Fused Filament Fabrication". J. Manuf. Process. 67 : 14-150.