Design of a clothespin through metamaterial mechanisms

Metamaterials are materials engineered to satisfy new functional needs. Specifically, their lattice structures are designed to obtain the desired properties. These properties can be of different type, for example, magnetic, electric, acoustic and mechanical. Concerning mechanical properties, some metamaterials were designed to act in a non-conventional way when they undergo external loads. Auxetic structures represent an example. These, when compressed, contract along the direction transverse to the one of the uniaxial load. An interesting study, on which this thesis is grounded, also demonstrates the possibility to use these lattices structures to create mechanisms. Indeed, it is possible to design structures that can provide one or more degrees of freedom if an external load is applied, thus behaving like mechanisms. These degrees of freedom are obtained through a planned and controlled cooperative deformation of the unit cells of the structure. The use of such structures provides several advantages among which the possibility to simplify the product architecture reducing the number of components through their functional integration. Starting from the examples, already available in the literature, the thesis deepens the design of these type of lattice structures and specifically, the definition and choice of the types of unit cell and their distribution inside the design space, developing a design methodology and a case study. Besides, the thesis explores the potentialities of such metamaterial mechanisms, combined with the opportunities as well as the constraints of additive manufacturing technologies. The developed design methodology is structured in multiple phases, from the parametric design of the structure, the simulation of its behaviour until the generation of the printing file for the FDM (Fused Deposition Modeling) technology. The case study, selected for developing an example of metamaterial mechanism based on lattice structures, is a clothespin. As thesis output, a new concept of clothespin was designed, which represents an example of mechanism whose working principle could also be transferred to other objects.

I metamateriali sono materiali ingegnerizzati per soddisfare nuove esigenze funzionali. Nello specifico, si progettano le strutture reticolari che li compongono per far conseguire al metamateriale le proprietà desiderate. Tali proprietà possono essere di varia natura, ad esempio magnetica, elettrica, acustica e meccanica. Relativamente alle proprietà meccaniche, sono stati ad esempio progettati metamateriali in grado di rispondere in maniera non convenzionale se sottoposti a carichi esterni. Un esempio è rappresentato dalle strutture auxetiche. Quest’ultime, quando sono soggette a compressione si contraggono nella direzione trasversale a quella di applicazione del carico uniassiale. Un interessante studio presente in letteratura, e sul quale si basa tale lavoro di tesi, dimostra anche la possibilità di utilizzare le strutture reticolari per la creazione di meccanismi. E’ infatti possibile progettare strutture in grado di restituire uno o più gradi di libertà se sottoposte ad un carico esterno, comportandosi quindi come meccanismi. Tali gradi di libertà si ottengono attraverso una deformazione cooperativa, programmata e controllata, delle celle elementari che compongono la struttura. L’utilizzo di tali strutture determina una serie di vantaggi, tra i quali la possibilità di semplificare l’architettura di un prodotto, riducendone il numero di componenti attraverso un’integrazione funzionale di quest’ultimi. Partendo quindi dagli esempi presenti in letteratura, il lavoro di tesi approfondisce la progettazione di tali tipologie di strutture reticolari e nello specifico, la definizione e la scelta della topologia delle celle elementari e la loro distribuzione all’interno dello spazio di progetto, elaborando una metodologia di progettazione ed un caso studio. La tesi inoltre esplora le potenzialità dei meccanismi basati su metamateriali, combinate con le opportunità ed i vincoli delle tecnologie di manifattura additiva. La metodologia di progettazione sviluppata è articolata su più fasi, dalla modellazione parametrica della struttura, alla simulazione del comportamento di quest’ultima, sino alla generazione del file per la stampa tramite tecnologia FDM (Fused Deposition Modeling). Il caso studio selezionato, per sviluppare un esempio di meccanismo basato su strutture reticolari, è una molletta da bucato. Come risultato è stato sviluppato un nuovo concept di molletta, rappresentativo di un esempio di meccanismo il cui principio di funzionamento potrebbe essere anche trasferibile ad altri oggetti.