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Tesis:

Analysis of the Mechanical Behavior of PA12 Lattice Materials Fabricated by Additive Manufacturing

  • Autor: COBIAN GONZÁLEZ, Lucía

  • Título: Analysis of the Mechanical Behavior of PA12 Lattice Materials Fabricated by Additive Manufacturing

  • Fecha: 2025

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

  • Departamentos: CIENCIA DE LOS MATERIALES

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/87503/

  • Director/a 1º: SEGURADO ESCUDERO, Javier
  • Director/a 2º: MONCLÚS PALAZÓN, Miguel A.

  • Resumen: Lattice materials, composed of the repetition of cells made of struts, can be designed to achieve high specific stiffness and energy absorption with minimal weight. Recent improvements in additive manufacturing allow the fabrication of lattice cells using standard Selective Laser Sintering at the millimetric scale. However, these components often contain internal defects, such as porosity, affecting mechanical properties. It is generally observed that smaller cell sizes tend to reduce the lattice's effective elastic modulus, yet the cause of this size effect is not well understood. The objective of this work is to comprehensively analyze the non-linear behavior of PA12 lattice materials by combining experimental analysis and full-field simulations. The bulk response of PA12 is characterized experimentally with uniaxial tensile, compression, and shear tests at different strain rates, temperatures, and aging times, combined with microscopic testing techniques such as nanoindentation to calibrate a finite strain VEVP material model that predicts its behavior. Results show that PA12 exhibits a viscoelastic-viscoplastic response, moderate strain rate sensitivity in yield stress, and anisotropy under tension. In the study of the mechanical behavior of printed PA12 single struts, unit cells, and lattices of different sizes, it was found that smaller lattice cells exhibit a lower effective elastic modulus, a "smaller means softer" trend typical of SLS polymers. Compression tests, nanoindentation, X-ray tomography, DSC, WAXS, SAXS, and numerical simulations determined that this modulus reduction is not only due to defects like porosity or roughness. Instead, but is also results from a combination of incomplete particle melting and nanostructural changes from the printing process, as confirmed by micro- and nanostructural characterizations. Experimental and numerical studies on the fracture and deformation of PA12 lattice structures revealed that defects from porosity, surface roughness, and strut geometry significantly affect mechanical properties. In-situ tensile and compressive tests on single struts and unit cells showed that lattice stiffness is lower than in bulk PA12. Fractures in single struts were initiated at random surface or internal defects, with crack propagation influenced by printing direction, while fractures in unit cells were mainly influenced by geometry. Numerical simulations using voxelized RVEs from X-ray tomographies, applying FFT and phase-field fracture models, confirmed that surface defects, print orientation, and structural geometry impact the stiffness and failure behavior of PA12 lattices in a complex way. The non-linear response was predicted with FFT using a VEVP material model with calibrated parameters for the bulk and strut scale, closely predicting the material's behavior. Beyond build orientation in SLS, other printing parameters like contour and hatching settings strongly influence the mechanical properties of AM components, especially near the machines resolution limit. These factors influence particle coalescence and thermal history, affecting the annealing effect in printed parts. These findings apply to commercial machines optimized for larger samples. Optimizing the parameters for microscale components could minimize defects and coalescence issues, reducing size effects. This study helps understand the critical features for designing lattice meta-materials by linking mechanical behavior to component size, and the methods used could also characterize other polymers in bulk and lattice forms. RESUMEN Estructuras de celosía, compuestas por la repetición de celdas hechas con barras, pueden diseñarse para lograr alta rigidez específica y capacidad de absorción de energía con un peso muy bajo. Los avances en fabricación aditiva permiten producir estas estructuras mediante Sinterización Selectiva por Láser (SLS) a escala milimétrica. Estos componentes suelen presentar defectos, como porosidad, que afectan sus propiedades mecánicas. Se observa que los tamaños más pequeños de celda reducen el módulo elástico efectivo de la estructura, aunque la causa de este efecto de tamaño no está aun comprendida por completo. Este trabajo tiene como objetivo analizar a fondo el comportamiento no lineal de las estructuras de celosía de PA12 combinando análisis experimentales y simulaciones de campo completo. La respuesta del PA12 masivo se caracteriza experimentalmente con ensayos uniaxiales de tracción, compresión y cizalla a diferentes velocidades de deformación, temperaturas y tiempos de envejecimiento, combinadas con nanoindentación para calibrar un modelo de material VEVP con grandes deformaciones que predice su comportamiento. Los resultados muestran que el PA12 exhibe un comportamiento viscoelástico-viscoplástico, sensibilidad moderada a la velocidad de deformación en el límite elástico y anisotropía en tracción. En el estudio del comportamiento mecánico de barritas individuales, celdas unitarias y estructuras de celosía de diferentes tamaños impresas con PA12, se encontró que cuanto más pequeñas las celdas, más bajo es su módulo elástico efectivo, exhibiendo la tendencia "más pequeño significa más blando" típica de los polímeros SLS. Los ensayos de compresión, nanoindentación, tomografía por rayos X, DSC, WAXS, SAXS y simulaciones numéricas determinaron que esta reducción del módulo no se debe solo a defectos como la porosidad o la rugosidad, si no que también es el resultado de una combinación de fusión incompleta de partículas y cambios en la nanoestructura derivados del proceso de impresión. Los estudios experimentales y numéricos sobre la fractura y deformación de estructuras de celosía de PA12 mostraron que los defectos y geometría de las barras afectan considerablemente a las propiedades mecánicas. Los ensayos in-situ de tracción y compresión revelaron que la rigidez de las celdas es menor que la del PA12 masivo. Las fracturas en las barras ocurrieron tanto en defectos internos o superficiales, con la dirección de impresión influyendo en la propagación de las grietas. En las celdas, la geometría tuvo mayor impacto. Las simulaciones numéricas confirmaron que los defectos superficiales, la orientación de impresión y la geometría afectan la rigidez y el comportamiento de fallo de las celosías. Las predicciones de la respuesta no lineal se realizaron con FFT y un modelo VEVP calibrado para las escalas macro y micro, prediciendo con precisión el comportamiento del material. Más allá de la orientación durante la impresión con SLS, otros parámetros de impresión como las configuraciones de contorno y relleno influyen fuertemente en las propiedades mecánicas de los componentes AM, especialmente cerca del límite de resolución de la máquina. Estos factores afectan la coalescencia de partículas y la historia térmica, lo que influye en el efecto de recocido en las piezas impresas. Estos hallazgos son aplicables a máquinas comerciales optimizadas para muestras más grandes. Optimizar los parámetros para componentes a escala microscópica podría minimizar los defectos y problemas de coalescencia, reduciendo los efectos del tamaño. Este estudio ayuda a comprender las características críticas para diseñar materiales meta-lattice al vincular el comportamiento mecánico con el tamaño del componente, y los métodos utilizados también podrían caracterizar otros polímeros en forma masiva y en celosía.