Experiments, analysis and an application of 3D-printed gyroid structures

• Main Authors: Hussmo, Jonatan, Schröder, Roman
• Format: Others
• Language: English
• Published: Örebro universitet, Institutionen för naturvetenskap och teknik 2020
• Subjects: gyroid; test; convergence; simulation; konvergens; simulering; Mechanical Engineering; Maskinteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:oru:diva-85935

The thesis investigates the mechanical properties of gyroid structures through various experiments and simulations. Gyroid structures consist of an intricate mesh of surfaces and can differ in density and cell size. The mechanical properties of the gyroid structure are inevitably dependent on the density. A convergence between density and the resulting mechanical stiffness of the lattice structure could be applied to a wide range of industrial components. To test the mechanical properties of gyroid structures 3D-printed cubes are compressed in a test machine where stiffness is measured for a range of cubes with different density. The tests are confirmed by a finite element analysis (FEA) and all data is precisely analysed thereafter. A linear increase in density results in a non-linear increase in stiffness where the region between 30 % and 60 % density yields particularly good results. After evaluating results from experiments and simulations, gyroid structure is implemented in one of ABB’s components for a circuit-breaker system to further display its advantages. Four different concepts are presented for the component where the most promising concept reached a weight reduction of 30 percent just by adding gyroid structures. No other design alterations have been made to the component. The results show great potential of being able to reduce the plunger’s weight whilst maintaining desired stiffness. The results of the thesis can be applied widely to develop new methods of optimizing industrial components with additive manufacturing as the gyroid doesn’t need any supportive structure. It is possible to blend gyroid surfaces with other optimization tools such as topology optimization or grading to achieve even higher degrees of weight reduction. === Tesen undersöker de mekaniska egenskaperna av gyroidstrukturer genom olika experiment och simuleringar. Gyroidstrukturer består av ett komplext nätverk av ytor och kan variera i densitet och cellstorlek. Dess hållfasthetsegenskaper är givetvis beroende på densiteten. Konvergensen mellan densitet och den resulterande mekaniska styvheten av nätverksstrukturen skulle kunna tillämpas på ett brett spektrum av industriella komponenter. Det är möjligt att reducera vikt eller öka styvhet medan att kunna bibehålla hållfastheten. För att testa hållfasthetsegenskaperna av gyroidstrukturer 3D-printade kuber komprimeras i en tryckmaskin där styvhet mäts för ett antal kuber med olika densitet. Testen bekräftas genom en analys med finita elementmetoden (FEM) och all data utvärderas noggrant därefter. En linjär ökning i densitet leder till en ickelinjär ökning i styvhet där området mellan 30% och 60% densitet ger ett särskilt bra förhållande mellan styvhet och vikt. När resultatet från experimenten och analysen utvärderats, implementeras gyroidstruktur på en av ABB’s komponenter i en strömbrytare för att ytterligare visa dess fördelar. Fyra olika koncept presenteras där det mest lovande konceptet kunde viktoptimeras med 30 procent endast genom att tillägga gyroidstrukturer. Inga andra designändringar har gjorts på komponenten. Resultatet demonstrerar en stor potential när det gäller att viktreducera komponenten utan att tappa nödvändig styvhet. Resultaten av tesen kan användas på många olika sätt för att ta fram nya metoder för optimering av industriella komponenter med additiv tillverkning då gyroiden inte behöver några stödstrukturer. Det är möjligt att blanda gyroidstrukturer med andra optimeringsverktyg såsom topologioptimering eller gradering för att åstadkomma ännu större viktminskningar.