Tensile strength properties of stainless steel 316L lattice structures manufactured by powder bed fusion
Riikonen, Niko (2017)
Kandidaatintyö
Riikonen, Niko
2017
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017112855120
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017112855120
Tiivistelmä
This thesis comprised tensile strength properties of various stainless steel 316L lattice structures manufactured by powder bed fusion. Aim of this thesis was to define the impact of lattice shape on tensile strength properties and weight of structures made of stainless steel 316L powder.
Literature review and laboratory experiments were used as research methods in this thesis. Literature review focused in three main issues of this thesis that were 1) powder bed fusion process that utilizes metal, 2) lattice structures and 3) tensile strength properties of metal, especially SS316L. Experimental part consisted of designing, manufacturing and tensile testing two different lattice structures and one solid structure. Experiments took place in the laser laboratory of Lappeenranta University of Technology.
Stress curves were modeled utilizing the data of applied tensile force in function of displacement of clamping jaws of the tensile test machine during tensile test. Tensile strengths were defined from the data collected in the experiments. Weights of all test pieces were calculated in order to determine strength-to-weight ratios of test pieces. On the ground of results it could be noticed that solid structure had significantly higher tensile strength than lattice structures examined in this thesis. Even strength-to-weight ratio was much higher with solid test piece, despite the fact that it was more than two times heavier than either lattice test piece examined. Also displacement at tensile strength was remarkably higher with solid test piece. However, lattice structure appeared to endure increasing tensile force even after achieving tensile strength, which may remain it still usable after reaching tensile strength. Tässä kandidaatintyössä käsiteltiin jauhepetisulatuksella ruostumattomasta teräksestä 316L valmistettujen muodoltaan erilaisten ristikkorakenteiden vetolujuusominaisuuksia. Työn tavoitteena oli selvittää ristikkomaisen muodon aiheuttama vaikutus ruostumattoman teräksen 316L vetolujuuteen ja massaan.
Tämän työn tutkimusmetodeina käytettiin kirjallisuustutkimusta ja laboratoriossa suoritettuja kokeita. Kirjallisuustutkimus keskittyi tämän tutkimuksen kolmeen pääaihealueeseen, jotka olivat 1) metallin jauhepetisulatus, 2) ristikkorakenteet ja 3) metallien vetolujuusominaisuudet, etenkin ruostumattoman teräksen 316L. Työn kokeellinen osa koostui kahden erilaisen ristikkomaisen vetokoekappaleen ja yhden umpinaisen vetokoekappaleen suunnittelusta, valmistuksesta sekä testaamisesta vetokokeessa.
Vetokokeissa mitattiin käytettyä voimaa vetokoelaitteiston kiinnitysleukojen siirtymän funktiona ja kokeiden tulosten pohjalta luotiin jännityskuvaajat. Koekappaleiden murtolujuudet määritettiin kokeista saatujen tulosten perusteella. Jokaisen koekappaleen massa laskettiin lujuus-painosuhteiden selvittämisen vuoksi. Tulosten pohjalta pystyttiin huomaamaan, että umpinaisella rakenteella oli huomattavasti suurempi murtolujuuden arvo kuin ristikkorakenteilla, joita tutkittiin tässä työssä. Jopa umpinaisen rakenteen lujuus-painosuhde oli huomattavasti korkeampi kuin ristikkorakenteiden huolimatta siitä, että umpinaisen rakenteen massa oli yli kaksinkertainen ristikoihin verrattuna. Ristikkorakenteet näyttivät kestävän voimaa vielä murtolujuuden saavuttamisen jälkeen, mikä saattaisi säilyttää rakenteen ylläpitävänä vielä murtolujuuden saavuttamisen jälkeenkin.
Literature review and laboratory experiments were used as research methods in this thesis. Literature review focused in three main issues of this thesis that were 1) powder bed fusion process that utilizes metal, 2) lattice structures and 3) tensile strength properties of metal, especially SS316L. Experimental part consisted of designing, manufacturing and tensile testing two different lattice structures and one solid structure. Experiments took place in the laser laboratory of Lappeenranta University of Technology.
Stress curves were modeled utilizing the data of applied tensile force in function of displacement of clamping jaws of the tensile test machine during tensile test. Tensile strengths were defined from the data collected in the experiments. Weights of all test pieces were calculated in order to determine strength-to-weight ratios of test pieces. On the ground of results it could be noticed that solid structure had significantly higher tensile strength than lattice structures examined in this thesis. Even strength-to-weight ratio was much higher with solid test piece, despite the fact that it was more than two times heavier than either lattice test piece examined. Also displacement at tensile strength was remarkably higher with solid test piece. However, lattice structure appeared to endure increasing tensile force even after achieving tensile strength, which may remain it still usable after reaching tensile strength.
Tämän työn tutkimusmetodeina käytettiin kirjallisuustutkimusta ja laboratoriossa suoritettuja kokeita. Kirjallisuustutkimus keskittyi tämän tutkimuksen kolmeen pääaihealueeseen, jotka olivat 1) metallin jauhepetisulatus, 2) ristikkorakenteet ja 3) metallien vetolujuusominaisuudet, etenkin ruostumattoman teräksen 316L. Työn kokeellinen osa koostui kahden erilaisen ristikkomaisen vetokoekappaleen ja yhden umpinaisen vetokoekappaleen suunnittelusta, valmistuksesta sekä testaamisesta vetokokeessa.
Vetokokeissa mitattiin käytettyä voimaa vetokoelaitteiston kiinnitysleukojen siirtymän funktiona ja kokeiden tulosten pohjalta luotiin jännityskuvaajat. Koekappaleiden murtolujuudet määritettiin kokeista saatujen tulosten perusteella. Jokaisen koekappaleen massa laskettiin lujuus-painosuhteiden selvittämisen vuoksi. Tulosten pohjalta pystyttiin huomaamaan, että umpinaisella rakenteella oli huomattavasti suurempi murtolujuuden arvo kuin ristikkorakenteilla, joita tutkittiin tässä työssä. Jopa umpinaisen rakenteen lujuus-painosuhde oli huomattavasti korkeampi kuin ristikkorakenteiden huolimatta siitä, että umpinaisen rakenteen massa oli yli kaksinkertainen ristikoihin verrattuna. Ristikkorakenteet näyttivät kestävän voimaa vielä murtolujuuden saavuttamisen jälkeen, mikä saattaisi säilyttää rakenteen ylläpitävänä vielä murtolujuuden saavuttamisen jälkeenkin.