The investigation of energy absorption characteristics of TPU TPMS structures subjected to impact loading

Abstract

In this thesis, the energy absorption capability of a schwarz based TPMS structure both experimentally and numerically was invetigated. In the product, TPU material and FDM printer was used. Instead of the regular schwarz primitive cell structure, which has been frequently examined in the literature, the sandwich structure design was prepared with the geometry selected from the region between two cells was used and its advantages were compared. In the selection of the TPMS structure, both its high energy absorption capability per unit weight and its geometry suitable for mass production in the future was important. A hyperelastic material TPU and a printer suitable for its production were selected to show deformation behaviour of the structure against multiple loading. After material characterization with TPU specimens, the determined printer parameters were kept constant, and single and multiple cell structures were produced. Static and dynamic tests were performed, and single and multiple-cell structures were modeled and validated in the LS-DYNA finite element package program. It was observed that as the strain rate increases, the structures densification point also decreased and the first peak force and the energy absorption per unit weight (SAE) increase. In addition, it was observed that the deformation behaviour of single and multiple-cell structures were rate dependent. It has been observed that the structure with 9 cells absorbs 20% more energy than the structure with unit cell, which is 9 times higher than the unit cell structure due to the interaction of cells. The developed structure was numerically exposed to blast loads following Nato Stanag 4569 standart. In this standart, from the defined of the injury criteria,on the lower and upper tibia joint should experienced force values lower than 2.6 kN and 5.4 kN respectively. From the numerial simulations, it was found that the structure was able to mitigate the blast load transmitted to the during the accaptable limits.

Bu çalışmada, 3 boyutlu üretim yöntemlerinden biri olan eriyik yığma modellemesi (FDM) ile üretimi yapılmış termoplastik poliüretan (TPU) Üç Yönlü Periyodik Minimal Yüzey (TPMS) schwarz primitive çekirdek yapısıyla elde edilmiş parçanın özellikle darbe yüklerindeki enerji emme kabiliyeti incelenmiştir. Literatürde sıkça incelenilen klasik schwarz primitive hücre yapısı yerine, iki hücre arası bölgeden seçilen geometri ile hazırlanan sandviç yapı tasarımı kullanılmış ve avantajları karşılaştırılmıştır. TPMS yapının seçiminde hem birim başına yüksek enerji soğurma kabiliyeti hem de ileride seri üretime geçebilmeye uygun geometri olması önem teşkil etmiştir. Yapının birden fazla yükleme karşısında eski şekline gelme kabiliyetini göstermesi için hiperelastik bir filament olan TPU ve üretimine uygun yazıcı seçilmiştir. 3D ile üretilmiş TPU numuneleri ile malzeme karakterizasyonu yapıldıktan sonra belirlenen yazıcı parametreleri sabit tutulup tekli ve çoklu hücre yapıları üretilmiştir. Statik ve dinamik testleri yapılan tekli ve çoklu hücre yapıları, LS-DYNA sonlu elemanlar paket programında modellenerek doğrulanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, gerinim hızı arttıkça yapının daha erken yoğunlaşma evresine girdiği, ilk pik kuvvetinin ve birim ağırlığa düşen enerji emme miktarının (SAE) arttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca tekli ve çoklu hücre yapılarının deformasyon hızına bağlı olarak şekil değiştirme tarihçesininde değiştiği gözlemlenmiştir. 9 hücreye sahip yapının tekli hücreye sahip olan yapıdan, hücrelerin birbiri ile etkileşiminden kaynaklı tekli ezilme davranışının 9 katından %20 daha fazla enerji emdiği gözlemlenmiştir. Son olarak Conwep yöntemi kullanılarak, taban pedi olarak TPU TPMS yapı ile hazırlanan patlama modelinde Nato Stanag 4569'a göre alt tibia ve üst tibia kemiği bağlantı noktası için sırasıyla 5.4 kN ve 2.6 kN olan sakatlanma kriterinin altında kalındığı görülmüştür.