Mechanical strength of additively manufactured Inconel 718 lattice structures

Abstract

Additive manufacturing (AM) enables use of complex geometries that would not be viable to manufacture with machining or other more conventional methods. Lattice structures are among these geometries due to their repeating pattern in 3 dimensions and intricate contours not viable to produce with conventional methods. Lattices could be utilized in various applications such as medical implants, heat exchangers, and light-weighting. This study focuses on the mechanical performance of lattices manufactured with laser powder bed fusion (L-PBF) as it is a widely used AM method for metals such as Inconel 718.

As Inconel 718 has good mechanical properties, in room temperature as well in elevated temperatures up to 650 °C, using it for lattice structures could provide lightweight yet strong parts. Additionally, Inconel 718 is difficult to machine due to its low thermal conductivity and tendency to work hardening. This makes it a suitable material for additive manufacturing as there is relatively little machining needed for the produced parts.

Lattices have few ways by which they are formed. Using a repeating pattern lattice has the smallest subdivision being a unit cell, which repeats throughout the structure. Beam lattices have multiple beams connected via nodes within a unit cell. Triply periodic minimal surface (TPMS) lattices are characterized by a mathematical equation.

This study characterizes various lattice structures produced with L-PBF from Inconel 718 for their compressive and tensile strengths to evaluate what type of lattice can provide best strength to volume ratio. By using different lattice structures with similar volume gives direct feedback at which lattice performs the best under similar loading. Under testing TPMS lattices performed better than beam lattices.

Lisäävä valmistus (AM) mahdollistaa monimutkaisten geometrioiden käytön, joita ei olisi kannattavaa valmistaa koneistaen tai muiden tavanomaisempien menetelmien avulla. Hilarakenteet kuuluvat näihin geometrioihin johtuen niiden jatkuvista ja monimutkaisista rakenteista, joita ei voida tuottaa tavanomaisilla menetelmillä. Hilarakenteita voitaisiin hyödyntää erilaisissa sovelluksissa, kuten lääketieteellisissä implanteissa, lämmönvaihtimissa ja rakenteiden keventämisessä. Tämä tutkimus keskittyy laserjauhepetisulatuksella (L-PBF) valmistettujen hilojen mekaaniseen suorituskykyyn, ollen laajalti käytetty AM-menetelmä metalleille, kuten Inconel 718.

Inconel 718:lla on hyvät mekaaniset ominaisuudet, niin huoneenlämmössä kuin korkeissa lämpötiloissa aina 650 °C asti, täten sen käyttäminen hilarakenteissa voisi tuottaa kevyitä mutta vahvoja osia. Lisäksi Inconel 718 on vaikea työstää sen huonon lämmönjohtavuuden ja taipumuksensa työkovettua vuoksi. Tämä tekee siitä sopivan materiaalin AM-valmistukseen, koska valmistetut osat vaativat suhteellisen vähän koneistusta.

Hiloilla on muutamia tapoja, joilla ne muodostetaan. Hilarakenteen pienin erotettava osa on yksikkösolu, joka toistuu koko rakenteessa. Sauvahiloissa on useita sauvoja, jotka on yhdistetty solmupisteiden kautta yksikkösolun sisällä. Kolminkertaisesti jaksollisen minimaalipinnan (TPMS) hilarakenteet määräytyvät matemaattisen yhtälön mukaan.

Tämä tutkimus käsittelee erilaisia Inconel 718:n L-PBF:llä valmistettuja hilarakenteita niiden puristus- ja vetolujuuden perusteella arvioidakseen, millä hilalla saavutetaan paras lujuus-tilavuussuhde. Käyttämällä erilaisia hilarakenteita, joilla on samanlainen tilavuus, voidaan helposti vertailla mikä hila on kestää staattista kuormaa parhaiten. Testattaessa TPMS-hilat kestävät staattista kuormaa paremmin kuin sauvahilat.