Using bio-inspired design elements in the fabrication of cellular materials with special properties and functionalities

Biomimetics is the study of biological substances with the aim of synthesizing and imitating similar elements, structures, systems and models in the fabrication of advanced artificial materials to achieve new properties. Biological materials combine different design elements such as hierarchies at different length-scales, heterogeneities, functional gradient, randomness, cellular structures, specific geometries and so forth. Their composition also consists of two primary solid and soft phases. All these elements are combined in natural substances and result in a wide range of mechanical properties and functions. In this thesis, I implemented, modeled and tested some of these essential design elements, in particular, randomness, functional gradient and auxetic shapes of microstructures in the construction of bio-inspired materials. New advanced materials were aimed at different mechanical or functional properties: • enhanced directional strength as an imitation of trabecular bones; • tailored elastic properties (elastic modulus and Poisson’s ratio) using the random design of unit cells; • predictability of final complex shapes of materials under mechanical loading by rational design of geometrical features; • functionalized internal surfaces of 3D cellular materials. To reach these goals, we adopted different production techniques, such as foaming process through the powder route, additive manufacturing, and crumpling.

La biomimetica è lo studio di materiali biologici finalizzato all’imitazione e riproduzione di strutture esistenti in natura per la fabbricazione di nuovi materiali avanzati. I materiali biologici sono caratterizzati da una combinazione di diversi elementi caratteristici, quali organizzazioni gerarchiche presenti a diverse scale di misura, eterogeneità, gradienti funzionali, casualità, strutture cellulari, e geometrie particolari. Tutti questi elementi caratteristici sono presenti nei materiali naturali e contribuiscono a fornire una vasta gamma di proprietà meccaniche e funzioni particolari. In questo lavoro di tesi, sono state implementati, nella progettazione e realizzazione di materiali bioispirati, diversi elementi di design, quali la casualità, il gradiente funzionale e le geometrie microstrutturali auxetiche. Nuovi materiali avanzati sono stati progettati per ottenere diverse proprietà meccaniche e funzioni quali: · Resistenza aumentata in una direzione specifica, similmente a ciò che è presente nell’osso trabecolare · Proprietà elastiche (modulo elastico e coefficiente di Poisson) su misura mediante il design causale di celle unitarie · Previsione di deformazioni di materiali geometricamente complesse, per effetto dei carichi applicati, mediante il design razionale di strutture geometriche · Superfici interne di materiali cellulari 3D funzionalizzate Diverse tecniche sono state utilizzate per ottenere queste caratteristiche. In particolare, processi di schiumatura, tecnologia additiva e accartocciamento (crumpling).