Analysis of strain heterogeneity in additive manufactured ti6al4v cubic porous structures by experimental testing and finite element method

Abstract

Le comportement mécanique, en particulier l'hétérogénéité des contraintes, des biomatériaux poreux en titane (Ti-6Al-4V) a été étudié en utilisant la technique de corrélation d'images numériques 2D (2D DIC). Trois échantillons cubiques avec une porosité de 75 % ont été fabriqués à l'aide de la fusion laser sélective (SLM), qui est basée sur la technique de laser powder bed fusion (LPBF). Ils ont été testés dans des conditions de chargement en compression quasi-statique jusqu'à un déplacement de 1 mm de la traverse de la machine. Parallèlement à la méthode 2D DIC, un extensomètre de contact a été utilisé pour mesurer le déplacement avec plus de précision. Les graphiques contrainte-déformation apparents pour trois échantillons et trois méthodes ont été obtenus, et il a été constaté que l'échantillon 2 a le module d'élasticité apparent le plus bas tandis que la région linéaire la plus longue, contrairement à l'échantillon 1. Les cartes de déformation et les histogrammes obtenus par OpenDIC et ImageJ a démontré que la répartition des contraintes n'est pas la même non seulement entre les trois faces de chaque échantillon, mais également sur une face spécifique à travers trois échantillons. Ce fait a été analysé au microscope confocal à balayage laser pour trois faces de l'échantillon 3 (avant et après essai). Plus important encore, une analyse avancée des graphiques de déformation pour chaque étage englobant uniquement les entretoises verticales a permis de conclure que bien que chaque étage n'ait pas le même comportement de déformation et la même valeur de déformation maximale parmi trois échantillons, l'étage 2 a la déformation localisée la plus élevée. Enfin, la déformation tardive d'un étage peut être un signe potentiel d'accumulation de contraintes sévères dans quelques entretoises de cet étage, c'est-à-dire l'étage 2.

The mechanical behavior, especially strain heterogeneity, of porous titanium biomaterials (Ti6Al-4V) was studied by using 2D digital image correlation technique (2D DIC). Three cubic samples with 75% porosity were fabricated using selective laser melting (SLM), which is based on laser powder bed fusion (LPBF) technique. They were tested under quasi-static compressive loading condition up to 1 mm displacement of machine crosshead. Along with 2D DIC method, contact extensometer was used to measure displacement more accurately. The apparent stressstrain graphs for three samples and three methods were obtained, and it was found that sample 2 has the lowest apparent elastic modulus while the longest linear region, which is in contrast for sample 1. The strain maps and histograms obtained by OpenDIC and ImageJ software demonstrated that strain distribution is not the same not only among three faces of each sample, but also in one specific face through three samples. This fact was analyzed by laser scanning confocal microscope for three faces of sample 3 (before and after test). Most importantly, advanced analysis of strain graphs for each floor encompassing only vertical struts helped to conclude that although each floor does not have the same strain behavior and peak strain value among three samples, floor 2 has the highest localized strain. Lastly, late deformation of one floor can be a potential sign of severe strain accumulation in few struts of that floor i.e. floor 2.