Optimization of tpms lattice structures via hybridization and grading of the lattice morphologies

Abstract

Owing to its excellent mechanical properties, triply periodic minimum surfaces (TPMS) lattice structures have recently gained more interest in engineering applications. The superior properties of these structures make it easier to achieve engineering design goals such as strength and weight. Thanks to recent developments in additive manufacturing, the fabrication of the lattices are easier compared to the traditional methods. Therefore, their usage in the designs are more popular in recent application. However, technological advancements compel the designer to enhance the traditional TPMS design qualities. This thesis covers two approaches to enhance the design's mechanical performance by infilling the design domain with the optimal lattice design parameters. Initially, homogenization-based topology (HMTO) and free-size optimization-based graded lattice generation (FOGLG) methods are studied to obtain optimum lattice thickness distribution. The optimization methods are conducted for the modal characterization of a sandwiched structure. In the second study, a new hybrid optimization framework in which genetic algorithm (GA) and homogenization-based topology optimization are used to enhance the mechanical performance of the design. The method initially selects suitable lattice mythologies via GA and then grades them by topology optimization. In addition, the graded multi-morphology design is reconstructed by a novel blending algorithm in the study. The results of the studies clearly show that the proposed methods enable the designer to improve the mechanical performance of the designs. The proposed methods are also experimentally validated to assess their accuracy.

Mükemmel mekanik özelliklerinden dolayı üçlü periyodik minimum yüzeyler (TPMS) kafes yapıları son zamanlarda mühendislik uygulamalarında daha fazla ilgi görmeye başlamıştır. Bu yapıların üstün özellikleri, mukavemet ve ağırlık gibi mühendislik tasarım hedeflerine ulaşmayı kolaylaştırır. Eklemeli imalattaki son gelişmeler sayesinde, kafeslerin imalatı geleneksel yöntemlere göre daha kolaydır. Bu nedenle tasarımlarda kullanımları son dönemde daha popülerdir. Bununla birlikte, teknolojik gelişmeler tasarımcıyı geleneksel TPMS tasarım niteliklerini geliştirmeye zorlamaktadır. Bu tez, tasarım alanını optimal kafes tasarım parametreleriyle doldurarak tasarımın mekanik performansını geliştirmek için iki yaklaşımı kapsar. İlk olarak, optimum kafes kalınlığı dağılımını elde etmek için homojenleştirme tabanlı topoloji (HMTO) ve serbest boyutlu optimizasyon tabanlı kademeli kafes oluşturma (FOGLG) yöntemleri incelenmiştir. Sandviçlenmiş bir yapının modal karakterizasyonu için optimizasyon yöntemleri gerçekleştirilir. İkinci çalışmada, tasarımın mekanik performansını artırmak için genetik algoritma (GA) ve homojenizasyon tabanlı topoloji optimizasyonunun kullanıldığı yeni bir hibrit optimizasyon çerçevesi. Yöntem ilk olarak GA aracılığıyla uygun kafes mitolojilerini seçer ve daha sonra bunları topoloji optimizasyonu ile derecelendirir. Ek olarak, kademeli çoklu morfoloji tasarımı, çalışmada yeni bir harmanlama algoritması ile yeniden oluşturulmuştur. Çalışmaların sonuçları, önerilen yöntemlerin tasarımcının tasarımların mekanik performansını iyileştirmesini sağladığını açıkça göstermektedir. Önerilen yöntemler, yöntemlerin doğruluğunu değerlendirmek için deneysel olarak da doğrulanmıştır.