Numerical Analysis on Mechanical Properties of the Neovius and Schwarz-P Triple Periodic Minimal Surface Structures

Abstract

Additive manufacturing has become a very popular production method in recent years. Undoubtedly, what brings it to this popularity is its capacity to produce complex structures that are not possible to produce with traditional manufacturing methods. The best example of these complex structures is lattice structures, which stand out with their lightness. Triple periodic minimal surface (TPMS), which is a different class among lattice structures, is frequently preferred due to its high strength and energy absorption capacity. In this study, the behavior of models consisting of Neovius and Schwarz-P TPMS structures under various loads was examined using the finite element analysis method. 316 stainless steel was used as the material in the analyses. 20x20x20 mm cubic TPMS structures are designed with a unit cell size of 10 mm and three different volumetric filling levels: 10%, 15%, and 20%. Only compression, only shear, and compression-shear combined loads were applied to the designed structures, respectively. In all three loading cases, higher stresses occurred in the Schwarz-P structure. In both Neovius and Schwarz-P samples, less equivalent stresses occurred under compressive load than in shear.

Keywords

• 316 Stainless Steel
• Additive Manufacturing
• Finite Element Analysis
• Mechanical Properties
• Triple Periodic Minimal Surface

Neovius ve Schwarz-P Üçlü Periyodik Minimal Yüzey Yapılarının Mekanik Özelliklerinin Sayısal Analizi

Öz

Eklemeli imalat son yıllarda oldukça popüler bir üretim yöntemi olmuştur. Kuşkusuz onu bu popülerliğe taşıyan, geleneksel üretim yöntemleriyle üretilmesi mümkün olmayan karmaşık şekilli yapıları üretebilme kapasitesidir. Bu karmaşık yapılara en iyi örnek ise hafiflikleri ile ön plana çıkan kafes yapılardır. Kafes yapılar içerisinde farklı bir sınıf olan üçlü periyodik minimal yüzey (ÜPMY) yüksek mukavemet ve enerji emilimi kapasitesi nedeniyle sıklıkla tercih edilmektedir. Bu çalışmada Neovius ve Schwarz-P ÜPMY yapılarından oluşan modellerin sonlu elemanlar analizi (sayısal) yöntemiyle çeşitli yükler altındaki davranışları incelenmiştir. Analizlerde malzeme olarak 316 paslanmaz çelik kullanılmıştır. 20x20x20 mm kübik ÜMPY yapılar birim hücre boyutu 10 mm, hacimsel doluluğu ise %10, %15 ve %20 olmak üzere üç farklı hacimsel dolulukta tasarlanmıştır. Tasarlanan yapılara sırasıyla yalnızca basma, yalnızca kayma ve basma-kayma bileşik yükleri uygulanmıştır. Her üç yükleme durumunda da Schwarz-P yapısında daha yüksek gerilmeler meydana gelmiştir. Hem Neovius hem de Schwarz-P numunelerinde basma yükü altında kaymaya göre daha az eşdeğer gerilmeler meydana gelmiştir.

Anahtar Kelimeler

• 316 Paslanmaz Çelik
• Eklemeli İmalat
• Mekanik Özellikler
• Sonlu Elemanlar Analizi
• Üçlü Periyodik Minimal Yüzey

References

1. Afshar, M., Anaraki, A. P., Montazerian, H., & Kadkhodapour, J. (2016). Additive manufacturing and mechanical characterization of graded porosity scaffolds designed based on triply periodic minimal surface architectures. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 62, 481-494.
2. Akbulut, A., Top, N., & Gökçe, H. (2023). Eİ için tasarlanan kafes yapıların yapısal davranışlarının incelenmesi. İmalat Teknolojileri ve Uygulamaları, 4(2), 92-100.
3. Akgümüş Gök, D., Kiliçtek, S., Gök, S., & Yakut, N. (2023). Katmanlı imalat teknolojilerinin karşılaştırılmasına yönelik bir araştırma. Gümüşhane University Journal of Science and Technology, 13(3), 517-537.
4. Benedetti, M., du Plessis, A., Ritchie, R. O., Dallago, M., Razavi, N., & Berto, F. (2021). Architected cellular materials: A review on their mechanical properties towards fatigue-tolerant design and fabrication. In Materials Science and Engineering R: Reports, 259-300.
5. Bobbert, F. S. L., Lietaert, K., Eftekhari, A. A., Pouran, B., Ahmadi, S. M., Weinans, H., & Zadpoor, A. A. (2017). Additively manufactured metallic porous biomaterials based on minimal surfaces: A unique combination of topological, mechanical, and mass transport properties. Acta Biomaterialia, 53.
6. Bozkurt, Y., Gülsoy, H. Ö., & Karayel, E. (2021). Eklemeli İmalat Teknolojilerinin Tıbbi Ekipmanların Üretiminde Kullanımı. El-Cezeri, 8(2), 962-980.
7. Canlıdinç, M. (2023). Topoloji Optimizasyonu ile Metal Eklemeli İmalat Yönteminin Endüstriyel Uygulamaları. Kirklareli University Journal of Engineering and Science, 9(2), 552-565.
8. Depboylu, F. N., Poyraz, Ö., Yasa, E., & Korkusuz, F. (2023). Lazer-Toz Yatağında Füzyon ile Üretilen Ti6Al4V Gyroid Yapıların Basma Dayanımlarının Nümerik Modellenmesi. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 23(1), 270-283.

9. Dursun, A. M., Tüzemen, M. Ç., Salamcı, E., Yılmaz, O., & Ünal, R. (2022). Investigation of compatibility between design and additively manufactured parts of functionally graded porous structures. Politeknik Dergisi, 25(3), 1069-1082.
10. Kladovasilakis, N., Tsongas, K., Kostavelis, I., Tzovaras, D., & Tzetzis, D. (2022). Effective mechanical properties of additive manufactured triply periodic minimal surfaces: Experimental and finite element study. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 121(11), 7169-7189.
11. Kısasöz, B. Ö., Tütük, İ., Koç, E., Karabeyoğlu, S. S., & Kısasöz, A. (2023). Seçici lazer sinterleme yöntemiyle üretilen PA 12 matrisli seramik takviyeli kompozitlerin aşınma davranışının incelenmesi. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 39(2), 1029-1036.
12. Maconachie, T., Leary, M., Lozanovski, B., Zhang, X., Qian, M., Faruque, O., & Brandt, M. (2019). SLM lattice structures: Properties, performance, applications and challenges. Materials and Design, 183, 108137.
13. Mishra, A. K., Chavan, H., & Kumar, A. (2023). Effect of cell size and wall thickness on the compression performance of triply periodic minimal surface based AlSi10Mg lattice structures. Thin-Walled Structures, 193.
14. Qiu, N., Wan, Y., Shen, Y., & Fang, J. (2024). Experimental and numerical studies on mechanical properties of TPMS structures. International Journal of Mechanical Sciences, 261.
15. Song, K., Wang, Z., Lan, J., & Ma, S. (2021). Porous structure design and mechanical behavior analysis based on TPMS for customized root analogue implant. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 115.
16. Tayfun, Ü., Murat Yilmaz, V., & Arslan, Ç. (2023). Eklemeli İmalat Yönteminde Filament Olarak Kullanılan Polimerik Malzemeler. Journal of Smart Systems, 2(1), 45-67.
17. Tyagi, S. A., & Manjaiah, M. (2024). Printability, post-processing and mechanical behaviour of sub-millimetre sized SS 17-4PH TPMS lattice structures. Materials Today Communications, 38.
18. Wang, Z., Wang, X., Gao, T., & Shi, C. (2021). Mechanical behavior and deformation mechanism of triply periodic minimal surface sheet under compressive loading. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 28(19).
19. Yılmaz, M., Yılmaz, N. F., Kılıç, A., & Mazı, H. (2023). Eklemeli imalat yönteminde polilaktik asit (PLA)/peroksit kompozitinin in-situ olarak çapraz bağlama tekniği ile üretilebilirliğinin araştırılması. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 39(2), 859-868.