توصيفگر ها :
ساختار مشبك سلولي , ساخت افزودني , خمش غالب , كشش غالب , رابطۀ گيبسون - اشبي
چكيده فارسي :
توسعۀ فرآيندهاي ساخت افزودني با قابليتهاي متفاوتي كه توليد هندسه¬هاي پيچيده يكي از آنهاست، قابليت¬هاي جديدي را براي كاربردهاي صنعتي ارائه داده است. يكي از اين قابليتها، استفاده از ساختارهاي مشبك سلولي بهعنوان راهي براي كاهش هزينه¬هاي ساخت، كنترل خواص مكانيكي قطعات و دستيابي به ويژگيهاي خاص موردنظر يك مهندس طراح براي يك مسئلة خاص در اين حوزه است. جذابيت استفاده از ساختارهاي مشبك سبب شده است كه محققان به بررسي و معرفي ساختارهاي متنوعي بپردازند. ساختارهاي مشبك سلولي شامل ساختارهاي دوبعدي، وُرونوي، TPMS، ميله - گره و سلول واحد سفارشي هستند كه هركدام از آنها تعدادي زيادي زيرمجموعه دارند. ازاينرو، انتخاب مناسبترين ساختار از ميان اين مجموعة بزرگ براي دستيابي به ويژگي خاص هر طراحي، چالش مهمي است كه بايد برطرف شود. در پژوهشهايي كه تا كنون تلاش كردهاند تا به اين مسئله پاسخ دهند، معيارهاي متفاوتي براي بررسي ساختارها مورد ارزيابي قرار گرفته است؛ اما همچنان ويژگيهايي وجود دارند كه به طور جامع مورد ارزيابي قرار نگرفتهاند. علاوه بر اين، در اكثر پژوهشهاي انجام شده، تعداد محدودي از انواع ساختارهاي مشبك بررسي شده است. در پژوهش حاضر، تلاش شده است تا با بررسي جامعة نسبتاً بزرگي از ساختارهاي مختلف به روشهاي تحليلي و عملي، الگوريتمي براي تعيين مناسبترين ساختار باهدف دستيابي به مدول كشسان مشخص و نسبت استحكام به وزن بالا ارائه شود. به اين منظور، ابتدا انواع روش¬هاي طراحي تمام ساختارهاي مشبك بررسي شدهاند؛ زيرا طراحي الگوريتمي يك ساختار، امكان ايجاد ساختارهاي ديگر و حتي ساختارهاي جديد را بدون اتلاف زمان و هزينة اضافي فراهم ميكند. از اين ديدگاه، پژوهش پيشرو اولين پژوهشي است كه مسئلة تسهيل طراحي تمام خانواده¬هاي ساختارهاي مشبك و حتي طراحي ساختارهاي گرادياني، تركيبي يا تركيبي - گرادياني را پاسخ مي¬دهد. علاوه بر اين، پژوهش حاضر با ارائة مسيرهاي طراحي و تحليل الگوريتمي و با الهام از رابطۀ گيبسون - اشبي، به استخراج مدول يانگ مؤثر هجده ساختار متنوع پرداخته است. به اين منظور، روش¬هاي همگن¬سازي و تجربي براي استخراج ضرايب رابطۀ گيبسون - اشبي استفاده شده و سپس براي ارزيابي روش¬هاي استفاده شده، به پيش¬بيني رفتار چند ساختار پرداخته شده است. نتايج نشان مي¬دهد كه اگرچه روش همگنسازي يك روش خيلي دقيق تحليلي نيست، ولي دقت مقايسه بسيار بالايي دارد. اين بدان معناست كه اگر روش همگنسازي ساختار "الف" را در چگالي ثابت كشش غالبتر از ساختار "ب" پيشبيني ميكند، با انجام آزمونهاي تجربي نيز همين نتيجه حاصل خواهد شد. لازم به ذكر است كه رابطة گيبسون - اشبي، يك رابطة تواني بوده و طبيعتاً براي ساختارهايي دقت بهتري دارد كه رفتار مكانيكي آنها نيز تواني باشد. نكتة حائز اهميت ديگر آن است كه با زيادتر شدن چگالي نسبي دو ساختار خمش غالب و كشش غالب، نوع رفتار اين دو ساختار نيز به همديگر نزديك ميشود. بايد توجه داشت كه اگرچه نوع فرآيند ساخت، ماده مصرفي و برخي شرايط ديگر ميتواند رفتار و خواص مكانيكي يك ساختار را دستخوش تغيير كند، ولي همچنان رابطۀ استخراج شده در اين پژوهش مي¬تواند كشش غالب¬تر بودن يك ساختار را در فرآيندهاي ساخت ديگر نيز پيشبيني كند. در نهايت و بر اساس نتايج حاصل شده در اين پژوهش، مناسبترين ساختار از ميان ساختارهاي بررسي شده براي دستيابي به مدول كشسان مشخص و نسبت استحكام به وزن بالا، ساختار لانهزنبوري است درصورتيكه بارگذاري در جهت عمود بر صفحۀ ششضلعي باشد. لازم به ذكر است كه الگوريتم ارائه شده در اين پژوهش، اين امكان را ميدهد تا ساختارهاي جديد ديگر نيز بهآساني براي اين تابع هدف يا بسياري توابع هدف ديگر مورد ارزيابي و مقايسه قرار گيرند.
چكيده انگليسي :
The development of additive manufacturing processes, which one of their advantages is the ability to generate complicated geometries, has introduced new capabilities in industrial applications. One kind of these capabilities is the use of cellular lattice structures as a way to decrease manufacturing costs, to control the mechanical properties of parts, and to achieve desired design specifications for a special problem in this area. The benefits of lattice structures have led researchers to introduce and study new lattice structures. Cellular lattice structures include two-dimensional structures, Voronoi, TPMS, strut, node-based, and custom unit cells, each of which has many subsets. Thus, selection of the appropriate structure for each unique design is an important challenge that should be addressed. In previous related works, different criteria have been evaluated to study these structures; however, some other specifications have not been studied thoroughly. In addition, previous researchers have usually used limited lattice structures. In this research, by studying a large group of lattice structures using different analytical and experimental methods, it is attempted to find a proper algorithm for determining the best structure with desired tensile module and high strength-to-weight ratio. To do so, different design methods for all of the lattice structures were studied because the algorithmic design of a structure makes the design of the others or new ones possible without wasting time or extra costs. Thus, the current research is the first one that tries to solve the issues related to all categories of lattice structures and even the design of gradient, composite or hybrid-gradient structures. Moreover, in the present work, the Young’s module of eighteen various structures are extracted using the design approach and algorithmic analysis, inspired by the Gibson-Ashby correlation. To do this, experimental and homogenization methods are employed for calculating Gibson-Ashby coefficients. After that, to evaluate them, some other structures' behavior were predicted. The results showed that, although the homogenization is not a precise method, its accuracy suffices for comparison purposes. This means that, if the homogenization methods predict more tensile dominancy in structure A compared to structure B with the same density, the experimental tests will show the same result. It is worth mentioning that the Gibson-Ashby correlation is a power-law relation so it can predict the structures with power-law behaviors better than other structures. Another important point is that with the increase in relative density between two bending-dominant and tensile-dominant structures, their behaviors of them will reach closer to each other. It should be considered that although the manufacturing process, the material, and other conditions affect the mechanical properties, the resulted relation in this study can predict
105
the tensile-dominancy in structures manufactured by other methods. Finally, based on the results, the most proper structure for getting desired tensile module and high-strength to weight ratio is the honeycomb structure if the loading is perpendicular to the hexagon plane. It should be mentioned that the algorithm proposed in this research offers the possibility of studying other structures based on different goal functions.
Keywords:
Lattice structures, Additive manufacturing, tensile-dominant, bending-dominant, Gibson-Ashby Correlation