Problematyka projektowania i badania regularnych struktur komórkowych wytwarzanych technologiami przyrostowymi

• Autorzy: Janiszewski J. , Płatek P. , Dziewit P. , Sarzyńska K.

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0012.2738

Warianty tytułu

EN

Key Issues of Design and Investigations on Additive Manufactured Regular Cellular Structures

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem niniejszej pracy jest przedstawienie wybranych aspektów związanych z projektowaniem i badaniem energochłonnych regularnych struktur komórkowych typu 2D wykonanych za pomocą addytywnych technik wytwarzania. Zaproponowana przez autorów metodyka badawcza obejmowała wytwarzanie struktur za pomocą dwóch technik druku 3D zróżnicowanych pod względem technologicznym i możliwości wytwórczych. Metoda FDM (ang. Fused Deposition Modelling) pozwoliła na przeanalizowanie procesu deformacji szerokiego spektrum topologii w zakresie obciążenia quasi-statycznego i udarowego. Z kolei metoda LENS (ang. Laser Engineered Net Shaping) umożliwiła wykonanie struktur ze stopu tytanu Ti6Al4V charakteryzującego się wysoką wytrzymałością mechaniczną. W pracy przedstawiono najważniejsze problemy związane z procesem badania regularnych struktur komórkowych w różnych warunkach obciążenia, w szczególności w warunkach dynamicznego odkształcenia z wykorzystaniem techniki dzielonego pręta Hopkinsona (SHPB). Przedstawiono główne zagadnienia związane z budową stanowiska SHPB oraz opisano specyfikę badania struktur komórkowych w klasycznym układzie prętów Hopkinsona i w układzie tzw. bezpośredniego uderzenia. Ponadto, dokonano obszernego omówienia problematyki modelowania numerycznego deformacji struktur komórkowych, ze szczególnym uwzględnieniem definicji założeń koniecznych do poprawnego ich zamodelowania.

EN

The aim of this paper is to present main issues concerning designing and investigation on 2D regular cellular structures produced using additive manufacturing techniques. Proposed by authors experimental methodology was based on two types of technologically different 3D printings methods with various manufacturing capabilities. FDM (Fused Deposition Modelling) technique allowed to analyze wide spectrum of structure topologies under static and impact loading conditions. LENS (Laser Engineered Net Shaping) method enabled to produce high strength structures made of titanium alloy Ti6Al4V. This paper presents the most important issues related to the testing process of the regular cellular structures under various loading conditions, in particular under dynamic deformation using the split Hopkinson pressure bar technique (SHPB). The main issues concerning the construction of SHPB experimental setup were presented as well as the specificity of the research methodology on cellular materials in two different Hopkinson bar systems: classic and so-called direct impact. In addition, the extensive discussions on numerical modelling of cellular structures deformation was made. In particular, the emphasis of assumptions necessary for their correct modelling was defined.

Słowa kluczowe

PL

materiały komórkowe; energochłonność; druk 3D; modelowanie numeryczne; technika dzielonego pręta Hopkinsona

EN

cellular materials; crashworthiness; 3D printing; numerical investigations; split Hopkinson pressure bar

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Problemy Mechatroniki : uzbrojenie, lotnictwo, inżynieria bezpieczeństwa
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 9, Nr 3 (33)
• Strony: 29--56
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Janiszewski J.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechatroniki i Lotnictwa, Instytut Techniki Uzbrojenia ul. gen. Witolda Urbanowicza 2, 00-908 Warszawa

autor

Płatek P.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechatroniki i Lotnictwa, Instytut Techniki Uzbrojenia ul. gen. Witolda Urbanowicza 2, 00-908 Warszawa

autor

Dziewit P.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechatroniki i Lotnictwa, Instytut Techniki Uzbrojenia ul. gen. Witolda Urbanowicza 2, 00-908 Warszawa

autor

Sarzyńska K.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechatroniki i Lotnictwa, Instytut Techniki Uzbrojenia ul. gen. Witolda Urbanowicza 2, 00-908 Warszawa

Bibliografia

• [1] Labonnote Nathalie, Anders Rønnquist, Benedik Manum, Petra Rüther. 2013. ,,Additive construction: State-of-the-art, challenges and opportunities”. Automation in Construction 72 : 347-66.
• [2] Ngo Tuan, Alizera Kashani, Gabriele Imbalzano, Kate Nguyen, David Hui. 2018. “Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods , applications and challenges”. Composites Part B 143 : 172-96.
• [3] Thompson Mary, Giovanni Moroni, Tom Vaneker, Georges Fadel, Ian Campbell, Ian Gibson. 2016. “Design for Additive Manufacturing: Trends, opportunities, considerations, and constraints”. CIRP Annals – Manufacturing Technology 65 (2) : 737-60.
• [4] Liu Zengqian, Marc Meyers, Zhefeng Zhang, Robert Ritchie. 2017. “Functional gradients and heterogeneities in biological materials: Design principles, functions, and bioinspired applications”. Progress in Materials Science 88 : 467-98.
• [5] Banerjee Sourish. 2014. “On the mechanical properties of hierarchical lattices”. Mechanics of Materials 72 : 19-32.
• [6] Wadley Haydn. 2006. “Multifunctional periodic cellular metals”. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences: 31-68.
• [7] Kooistra W. Gregory, Haydn Wadley. 2007. “Lattice truss structures from expanded metal sheet”. Materials and Design 28 (2) : 507-514.
• [8] Yang Li, Ola Harrysson, Harwey II West, Denis Cormier, Chun Park, Kara Peters. 2015. “Low-energy drop weight performance of cellular sandwich panels”. Rapid Prototyping Journal 21 (4) : 433-442.
• [9] Sun Yongle, Qingming Li. 2017. “Dynamic compressive behaviour of cellular materials: A review of phenomenon, mechanism and modelling”. International Journal of Impact Engineering 112 : 74-115.
• [10] Mohsenizadeh Mehrdad, Federico Gasbarri, Michael Munther, Ali Beheshti, Keivan Davami. 2018. “Additively-manufactured lightweight Metamaterials for energy absorption”. Materials and Design 139 : 521-30.
• [11] Restrepo David, Nilesh Mankame, Pablo Zavattieri. 2016. “Programmable materials based on periodic cellular solids. Part I: Experiments”. International Journal of Solids and Structures 101 : 485-504.
• [12] Restrepo David, Nilesh Mankame, Pablo Zavattieri. 2016. “Programmable materials based on periodic cellular solids. Part II: Numerical analysis”. International Journal of Solids and Structures 101 : 505-22.
• [13] Tekog lu Cihan, Lorna Gibson, Thomas Pardoen. 2011. “Size effects in foams: Experiments and modeling”. Progress in Materials Science 56 (2) : 109-138.
• [14] Liebenstein Stefan, Stefan Sandfeld, Michael Zaiser. 2018. „Size and disorder effects in elasticity of cellular structures: From discrete models to continuum representations”. International Journal of Solids and Structures 2018 : 1-20.
• [15] Mahesh Mani, Yakesan Wong, Jerry Fuh. 2004. “Benchmarking for comparative evaluation of RP systems and processes”. Rapid Prototyping Journal 10 : 123-135.
• [16] Mahmood S., A. J. Qureshi, D. Talamona. 2018. “Taguchi based process optimization for dimension and tolerance control for fused deposition modelling”. Additive Manufacturing 21 (2017) : 183-190.
• [17] Knoop F., V. Schoeppner. 2015. Analysis and optimization of the dimensional accuracy for FDM parts manufactured with ABS-M30. In proceedings of .ASPE Spring Topical Meeting.
• [18] Durejko Tomasz, Michał Zietala, Wojciech Polkowski, Tomasz Czujko. 2014. „Thin wall tubes with Fe3Al/SS316L graded structure obtained by using laser engineered net shaping technology”. Materials & Design 63 : 766-774.
• [19] Attar Hooyar, Ehtemam-Haghighi Shima, Kent Damon, Wu Xinhua. 2017. “Comparative study of commercially pure titanium produced by laser engineered net shaping, selective laser melting and casting processes”. Materials Science and Engineering A: 385-393.
• [20] Unocic Raymond, Jairton DuPont. 2004. “Process efficiency measurements in the laser engineered net shaping process”. Metallurgical and Materials Transactions B 35 : 143-152.
• [21] Hallquist John. 2006. LS-DYNA® theory manual. http://www.dynasupport.com/manuals/additional/ls-dyna-theory-manual-2005-beta/at_download/file.
• [22] Tantikom Kanyatip, Tatsuhiko Aizawa. 2005. “Compressive Deformation Simulation of Regularly Cell-Structured Materials with Various Column Connectivity”. Materials Transactions 46 (6) : 1154-1160.
• [23] Liu Wangyu, Wang Ningling, Luo Tao, Lin Zhenqiong. 2016. “In-plane dynamic crushing of re-entrant auxetic cellular structure”. Materials & Design 100 : 84-91.
• [24] Kucewicz Michał, Paweł Baranowski, Jerzy Małachowski, Arkadiusz Popławski, Paweł Płatek. 2018. „Modelling, and characterization of 3D printed cellular structures”. Materials & Design 142 : 177-189.
• [25] Fu Ming-Hui, Chen Yu, Hu Ling Ling. 2017. “A novel auxetic honeycomb with enhanced in-plane stiffness and buckling strength”. Composite Structures 160 : 574-585.
• [26] Arve Hanssen, Odd Sture Hopperstad, Magnus Langseth, Havar Ilstad. 2002. “Validation of constitutive models applicable to aluminium foams”, International Journal of Mechanical Science 44 : 359-406.
• [27] Baranowski Paweł, Krzysztof Damaziak, Jerzy Małachowski, Łukasz Mazurkiewicz, Artur Muszyński. 2015. „A child seat numerical model validation in the static and dynamic work conditions”. Archive of Civil and Mechanical Engineering 15 : 361-375.
• [28] Bao Yingbin, Tomasz Wierzbicki. 2005. “On the cut-off value of negative triaxiality for fracture”. Engineering Fracture Mechanics 72 (7) : 1049-1069.
• [29] Bai Yuanli, Xiaoging Teng, Tomasz Wierzbicki. 2009.” On the application of stress triaxiality formula for plane strain fracture testing”. Journal of Engineering Materials and Technology 131 (2).
• [30] Bao Yuanli, Tomasz Wierzbicki. 2004. “A comparative study on various ductile crack formation criteria”. Journal of Engineering Materials and Technology 126 (3) : 314-324.
• [31] Janiszewski Jacek. 2012. Badania materiałów inżynierskich w warunkach obciążenia dynamicznego. Warszawa: Wydawnictwo Wojskowej Akademii Technicznej.
• [32] The Hopkinson Bar Facility, http://elsa.jrc.ec.europa.eu/facility.php? id=hoplab, (kwiecień 2018).
• [33] Chen Weinong, Bo Zhang, M.J. Forrestal. 1999. „A split Hopkinson bar technique for low-impedance materials”. Hopkinson Pressure Bar Instrumented with Velocity Gages”. Experimental Mechanics 39 : 81-85.
• [34] Chen Weinong, Fangyun Lu, Bo Zhou. 2000. „A Quartz-crystal-embedded Split Hopkinson Pressure Bar for Soft Materials”. Hopkinson Pressure Bar Instrumented with Velocity Gages”. Experimental Mechanics 40 (1) : 1-6.
• [35] Zhao Han, Gary Gérard, Janusz Roman Klepaczko. 1997. “On the use of a viscoelastic split Hopkinson pressure bar”. International Journal of Impact Engineering 19 (4) : 319-330.
• [36] Casem T. Daniel, William L. Fourney, Peter Chang. 2003. “A Polymeric Split Hopkinson Pressure Bar Instrumented with Velocity Gages”. Experimental Mechanics 43 (4) : 420-427.
• [37] Janiszewski Jacek, Witold Bużantowicz, Paweł Baranowski. 2016. “Correction procedure of wave signals for a viscoelastic split Hopkinson pressure bar”. Problemy mechatroniki. Uzbrojenie, lotnictwo, inżynieria bezpieczeństwa – Problems of Mechatronics: Armament, Aviation, Safety Engineering 7 (1) : 17-30.
• [38] Baker W.E., T.C. Togami, J.C. Weydert. 1998. “Static and dynamic properties of high-density metal honeycombs”. International Journal of Impact Engineering 21 (3) : 149-63.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).