Repositorio
Institucional

Tuninetti, Victor

Compressive Behavior of 316L Stainless Steel Lattice Structures for Additive Manufacturing: Experimental Characterization and Numerical Modeling

MDPI

BIOMIMETICS

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Lattice structures produced by additive manufacturing are increasingly used in lightweight, load-bearing applications, yet their mechanical performance is strongly influenced by geometry, process parameters, and boundary conditions. This study investigates the compressive behavior of body-centered cubic (BCC) 316L stainless steel lattices fabricated by laser powder bed fusion (LPBF). Four relative densities (20%, 40%, 60%, and 80%) were achieved by varying the strut diameter, and specimens were built in both vertical and horizontal orientations. Quasi-static compression tests characterized the elastic modulus, yield strength, energy absorption, and mean force, while finite element simulations reproduced the deformation and hardening behavior. The experimental results showed a direct correlation between density and mechanical properties, with vertically built specimens performing slightly better due to reduced processing defects. Simulations quantified the effect of strut-joint rounding and the need for multi-cell configurations to closely match the experimental curves. Regardless of the boundary conditions, for a density of 20%, simulating a single cell underestimated stiffness because of unconstrained strut buckling. For higher densities and thicker struts, this sensitivity to boundary conditions strongly decreased, indicating the possibility of using a single cell for shorter simulations-a point rarely discussed in the literature. Both experiments and simulations confirmed Gibson-Ashby scaling for elastic modulus and yield strength, while the tangent modulus was highly sensitive to boundary conditions. The combined experimental and numerical results provide a framework for the reliable modeling and design of metallic lattices for energy absorption, biomedical, and lightweight structural applications.Las estructuras reticulares producidas mediante fabricación aditiva se utilizan cada vez más en aplicaciones ligeras y portantes, pero su rendimiento mecánico se ve fuertemente influenciado por la geometría, los parámetros del proceso y las condiciones de contorno. Este estudio investiga el comportamiento a compresión de estructuras reticulares de acero inoxidable 316L cúbicas centradas en el cuerpo (BCC) fabricadas mediante fusión selectiva por láser de lecho de polvo (LPBF). Se lograron cuatro densidades relativas (20 %, 40 %, 60 % y 80 %) variando el diámetro del puntal, y se construyeron probetas en orientaciones tanto verticales como horizontales. Las pruebas de compresión cuasiestática caracterizaron el módulo elástico, el límite elástico, la absorción de energía y la fuerza media, mientras que las simulaciones de elementos finitos reprodujeron el comportamiento de deformación y endurecimiento. Los resultados experimentales mostraron una correlación directa entre la densidad y las propiedades mecánicas, con las probetas construidas verticalmente presentando un rendimiento ligeramente mejor debido a la reducción de defectos de procesamiento. Las simulaciones cuantificaron el efecto del redondeo de las uniones de los puntales y la necesidad de configuraciones multicelulares para ajustarse con precisión a las curvas experimentales. Independientemente de las condiciones de contorno, para una densidad del 20 %, la simulación de una sola celda subestimó la rigidez debido al pandeo no restringido de los puntales. Para densidades más altas y puntales más gruesos, esta sensibilidad a las condiciones de contorno disminuyó notablemente, lo que indica la posibilidad de utilizar una sola celda para simulaciones más cortas, un aspecto poco tratado en la literatura. Tanto los experimentos como las simulaciones confirmaron la ley de escala de Gibson-Ashby para el módulo elástico y el límite elástico, mientras que el módulo tangente fue altamente sensible a las condiciones de contorno. Los resultados experimentales y numéricos combinados proporcionan un marco para el modelado y diseño fiables de celosías metálicas para aplicaciones de absorción de energía, biomédicas y estructurales ligeras.

artículo original

body-centered cubic (BCC) lattice

selective laser melting (SLM)

laser powder bed fusion (LPBF)

stainless steel 316L

relative density

compression behavior

finite element analysis (FEA)

energy absorption

mechanical metamaterials

biomedical implants

10.3390/biomimetics10100680

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MECHANICAL-PROPERTIES

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Ingeniería de los Materiales

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Ingeniería Mecánica

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WOS:001601876000001

Compressive Behavior of 316L Stainless Steel Lattice Structures for Additive Manufacturing: Experimental Characterization and Numerical Modeling

artículo original

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BIOMIMETICS

Engineering, Multidisciplinary

Materials Science, Biomaterials

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ANID Fondecyt Regular#the Fund for Scientific Research#a bilateral project between the University of Lige and the Universidad de La Frontera

ANID Fondecyt Regular [1250102]

the Fund for Scientific Research

a bilateral project between the University of Lige and the Universidad de La Frontera [DIE23-0001]

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