Topology optimization of fibre reinforced polymer lattice structures for additive manufacturing

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作者
Jingwei Zhang,Qinglong An
出处
期刊:Composites Science and Technology [Elsevier BV]
卷期号:242: 110144-110144 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.compscitech.2023.110144
摘要

The material anisotropy induced by the related additive manufacturing (AM) extrusion process and the geometric errors introduced into the unit lattices by the stair-stepping artifacts were coupled in the topology optimization model to ensure the accuracy and reliability of the optimal design for the fibre reinforced polymer lattice structures. The material properties of the 3D printed carbon fibre reinforced polymers (CFRP) were firstly systematically investigated by extensive tensile tests aided by the digital image correlation (DIC) system, through which the microscale material anisotropy was clarified. Moreover, the accurate orthotropic material models were introduced into the as-fabricated mesoscale unit lattices with geometric errors to obtain the effective mechanical properties. Finally, mechanical performance of the macroscale structures was optimized by the integration of the ideal and as-fabricated unit lattices with the homogenization-based topology optimization method. The AM process-induced material anisotropy and geometric errors result in significant deviations of the mechanical property of the topologically optimized macrostructures and more accurate topology optimization results can be achieved considering the microscale material anisotropy and the geometric error in the mesoscale unit lattice. The results obtained in this investigation indicate that it is essential to comprehensively consider the AM process-induced microscale material anisotropy and mesoscale geometric errors in the topology optimization of fibre reinforced polymer lattice structures to improve the accuracy and reliability of the optimal design.
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