Novel architected materials for advanced topology optimization utilizing additive manufacturing technologies

Abstract

Over the last decade, the topology optimization of 3D designs has emerged due to the development of sophisticated design software and the commercialization of advanced manufacturing methods, i.e. additive manufacturing technologies. Thus, topology optimization has gained increased scientific and industrial interest in producing com-ponents with optimum design in terms of functionality, reliability, and stiffness-to-weight ratio. Towards this direction, the current Ph.D. thesis aims to present an up-to-date technical and literature review coupled with in-depth studies and optimization processes for one of the most advanced procedures of topology optimization. More specifically, in the first and second chapters of this thesis, the principles of topology optimization are described along with the most widespread approaches of topology optimization, namely the element-based and the discrete/truss-based. Then, the dissertation focuses on the most complex and advanced approach, particularly the discrete/truss-based approach. This approach utilizes architected materials providing a plethora of additional advantages on a topologically optimized part, such as lightweight structure, high porosity, and high surface area to volume. The use of these advantages in commercial applications has also been listed in the current manuscript. In the third chapter, the manufacturing methods are presented that can be employed for the fabrication of these complex structures. A special reference has been performed for the additive manufacturing categories. Moreover, the utilized additive manufacturing techniques and their optimization processes, which have been conducted in the context of this dissertation, in order to generate the optimal result, are also presented.In the fourth and fifth chapters, the evaluation of the existing architected materials was performed based on the literature and the conducted studies. More specifically, numerous existing and most widespread architected materials were investigated through the literature in terms of design, anisotropy, mechanical behavior, and energy absorption performance. Furthermore, in the context of this dissertation, eight different architected materials were designed and manufactured in order to improve the existing library of different architected materials. In detail, through the designs and the fabricated specimens, the relation of relative density with the design-related parameter was mathematically described. In addition, the mechanical behavior of each examined architected material was investigated via numerical tools and experiments. In the sixth chapter, the developed material library was utilized in order to design and create new and novel hybrid architected materials that have more complex geometry and exhibit superior mechanical performance. Moreover, the methods of the relative density’s functional gradation and the creation of interpenetrated phase composite with architected materials have been proposed and examined in order to increase the specific aspects of the material’s mechanical behavior. It is worth mentioning that in the current dissertation, the overall mechanical behaviors of the examined architected materials were investigated and utilized for the construction of polymer-made, i.e. PA12, PLA, and PCL materials, and metal-made, i.e. Inconel 718, use case applications.In the last chapter, the three case studies are presented exploiting the acquired data from the architected materials and their optimization methods. In detail, two case studies were biomechanical applications, namely a bio-absorbable polymer tibial scaffold and a novel metal tibial implant for knee arthroplasty. In the third case study, the development of a lightweight sport helmet, constructed with architected materials, was performed with the objectives of increased mechanical strength and enhanced energy absorbability.

Την τελευταία δεκαετία, η βελτιστοποίηση τοπολογίας των τρισδιάστατων σχεδίων αναδύθηκε λόγω της ανάπτυξης εξελιγμένου λογισμικού σχεδιασμού και της εμπορευματοποίησης προηγμένων μεθόδων κατασκευής, όπως τεχνολογιών προσθετικής κατασκευής. Έτσι, η βελτιστοποίηση τοπολογίας έχει αποκτήσει αυξημένο επιστημονικό και εμπορικό ενδιαφέρον για την παραγωγή εξαρτημάτων με βέλτιστο σχεδιασμό όσον αφορά τη λειτουργικότητα, την αξιοπιστία και την αναλογία αντοχής προς βάρος. Προς αυτή την κατεύθυνση, η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή στοχεύει να παρουσιάσει μια ενημερωμένη τεχνική και βιβλιογραφική ανασκόπηση σε συνδυασμό με εις βάθος μελέτες και διαδικασίες βελτιστοποίησης για μια από τις πιο προηγμένες διαδικασίες βελτιστοποίησης τοπολογίας. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο και το δεύτερο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής, περιγράφονται οι αρχές της βελτιστοποίησης τοπολογίας μαζί με τις πιο διαδεδομένες προσεγγίσεις βελτιστοποίησης τοπολογίας, δηλαδή τη element-based και τη discrete/truss-based. Στη συνέχεια, η διατριβή εστιάζει στην πιο σύνθετη και προηγμένη προσέγγιση, ιδιαίτερα στη discrete/truss-based. Αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιεί αρχιτεκτονικά υλικά που παρέχουν μια πληθώρα πρόσθετων πλεονεκτημάτων σε ένα τοπολογικά βελτιστοποιημένο αντικείμενο, όπως ελαφριά κατασκευή, υψηλό πορώδες και μεγάλο λόγο επιφάνειας προς όγκο. Η χρήση αυτών των πλεονεκτημάτων σε εμπορικές εφαρμογές έχει επίσης καταγραφεί στο τρέχον χειρόγραφο. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται οι μέθοδοι κατασκευής που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή αυτών των πολύπλοκων δομών. Ειδική αναφορά έχει γίνει για τις κατηγορίες προσθετικής κατασκευής. Επίσης, παρουσιάζονται οι χρησιμοποιούμενες τεχνικές προσθετικής κατασκευής και οι διαδικασίες βελτιστοποίησής τους, που έχουν πραγματοποιηθεί στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, προκειμένου να παραχθεί το βέλτιστο αποτέλεσμα.Στο τέταρτο και πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιήθηκε η αξιολόγηση των υπαρχόντων αρχιτεκτονικών υλικών με βάση τη βιβλιογραφία και τις μελέτες που έγιναν. Πιο συγκεκριμένα, πολυάριθμα υπάρχοντα και πιο διαδεδομένα αρχιτεκτονικά υλικά διερευνήθηκαν μέσω της βιβλιογραφίας ως προς το σχεδιασμό, την ανισοτροπία, τη μηχανική τους συμπεριφορά και την απορρόφηση ενέργειας. Επιπλέον, στο πλαίσιο αυτής της διατριβής σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν οκτώ διαφορετικά αρχιτεκτονικά υλικά με σκοπό τη βελτίωση της υπάρχουσας βιβλιοθήκης διαφορετικών αρχιτεκτονικών υλικών. Αναλυτικά, μέσα από τα σχέδια και τα κατασκευασμένα δοκίμια, περιεγράφηκε μαθηματικά η σχέση της σχετικής πυκνότητας με τις παραμέτρους που σχετίζονται με το σχεδιασμό. Επιπλέον, η μηχανική συμπεριφορά κάθε εξεταζόμενου αρχιτεκτονικού υλικού διερευνήθηκε μέσω αριθμητικών εργαλείων και μηχανικών πειραμάτων. Στο έκτο κεφάλαιο, η βιβλιοθήκη υλικών που αναπτύχθηκε χρησιμοποιήθηκε για το σχεδιασμό και τη δημιουργία νέων και καινοτόμων υβριδικών αρχιτεκτονικών υλικών που έχουν πιο σύνθετη γεωμετρία και επιδεικνύουν ανώτερη μηχανική απόδοση. Επιπλέον, προτάθηκαν και εξετάστηκαν μέθοδοι λειτουργικής διαβάθμισης της σχετικής πυκνότητας και της δημιουργίας σύνθετων αρχιτεκτονικών υλικών, προκειμένου να βελτιωθούν συγκεκριμένες πτυχές της μηχανικής συμπεριφοράς του υλικού. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην παρούσα διατριβή, διερευνήθηκαν και αξιοποιήθηκαν οι συνολικές μηχανικές συμπεριφορές των εξεταζόμενων αρχιτεκτονικών υλικών τόσο για πολυμερή υλικά κατασκευής, δηλαδή υλικών PA12, PLA, και PCL, όσο και για μεταλλικό, δηλαδή Inconel 718.Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι τρεις περιπτωσιολογικές μελέτες αξιοποιώντας τα δεδομένα που αποκτήθηκαν από τα αρχιτεκτονικά υλικά και τις μεθόδους βελτιστοποίησής τους. Αναλυτικά, δύο περιπτωσιολογικές μελέτες ήταν εμβιομηχανικές εφαρμογές, συγκεκριμένα ένα βιο-απορροφήσιμο πολυμερές κνημιαίο ικρίωμα και ένα νέο μεταλλικό κνημιαίο εμφύτευμα για αρθροπλαστική γόνατου. Στην τρίτη μελέτη περίπτωσης, πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη ενός ελαφριού κράνους ποδηλασίας, κατασκευασμένου με αρχιτεκτονικά υλικά, με στόχο την αυξημένη μηχανική αντοχή και την ενισχυμένη απορρόφηση ενέργειας.