Finite element modeling to predict bulk mechanical properties of 3D printed metal foams

Modelado de elementos finitos para predecir propiedades mecánicas de espumas metálicas impresas en 3D

Las técnicas de impresión tridimensionales brindan la posibilidad de combinar metal sólido con espumas metálicas en un implante. La densidad aparente de la espuma está en relación directa con el módulo de Young, de tal forma que su rigidez se puede diseñar con dicha densidad. La impresión conlleva imperfecciones en la espuma, tales como secciones transversales irregulares de los puntales y porosidad dentro de estos. Los modelos analíticos se basan en escenarios perfectamente regulares y, por tal razón, no satisfacen las predicciones de la rigidez de las espumas.

En esta investigación se desarrolló una herramienta de modelado de elementos finitos hecha a la medida para generar modelos de espumas metálicas que incluyeran las irregularidades mencionadas. Los puntales estaban compuestos de varios elementos viga (beam elements) a los cuales se les asignaron distintos tamaños transversales con base en una distribución de Gauss.

Las propiedades mecánicas predichas mediante estos modelos generados se compararon con modelos analíticos y datos experimentales para validar los resultados del análisis de elementos finitos. Se evidenció que el modelado por elementos finitos es método prometedor para predecir la rigidez de las espumas metálicas impresas en 3D, en especial de aquellas con baja densidad aparente. Se requieren desarrollos posteriores para optimizar la exactitud de los resultados.