Design, printing and chemical polishing of heterogeneous lattice structures

In the past few years, there has been substantial growth in Additive Manufacturing (AM) technologies and in the development of new design methods, approaches and tools for taking full advantage of the design opportunities provided by these technologies. This development is having a profound influence on design processes, especially for what concerns the development of functional and customised parts and increasing the possibility to control details at smaller scales. An example is represented by the possibility to design and manufacture new cellular materials and lattice structures. Among them, lattice structures (beam and node based) are demonstrating to have promising properties. For example, their structure can be tuned locally to obtain characteristics which can be variable along the structure. Although several strategies are already available, in the literature, to drive the design of these structures, further efforts are still needed to support designers in exploring all the opportunities available, such as the possibility to design heterogeneous structures. Despite these advantages, metal lattice structures, in particular those manufactured using the Selective Laser Melting (SLM) technology, are subjected to a thorny issue: low-quality surface finishing that negatively influences the mechanical properties of the structure. This is even more critical when the complexity of the lattice structure geometry increases, as in the case of heterogeneous structures, or when the beam size decreases. Indeed, surface roughness could be even of the same size order of that of the beam diameter. This thesis firstly describes an approach for supporting the design of lattice structures aiming at a local tuning of their geometry and thus, of their properties. Such local tuning allows the generation of heterogeneous lattice structures characterised by a variable geometry or material distribution. The Three-Point-Bending (TPB) test was used to compare the behaviour of different types of lattice structures printed using the Fused Deposition Modeling (FDM) technology. Results demonstrated that heterogeneous lattice structures, and in particular, those generated starting from different unit cells, represent an additional and effective strategy for tuning the material distribution and thus, the properties of these structures. Secondly, chemical polishing is proposed to improve the surface quality of heterogeneous lattice structures printed using SLM technology. The TPB test was used again to test the change in the behaviour after the polishing. As before, results demonstrated the validity of the proposed chemical polishing in providing a homogenous cleaning of the lattice surfaces, even in the case of the most complex structures.

Negli ultimi anni c'è stata una crescita sostanziale delle tecnologie di Additive Manufacturing (AM) e nello sviluppo di nuovi metodi e approcci di progettazione che sfruttassero al meglio le opportunità apportate da questa tecnologia. Questo sviluppo sta avendo una profonda influenza sui processi di progettazione, soprattutto per quanto riguarda lo sviluppo di parti funzionali e personalizzate, aumentando la possibilità di controllarne i dettagli su piccole dimensioni. Un esempio è rappresentato dalla possibilità di progettare e produrre nuovi materiali cellulari e strutture reticolari. Tra questi, le strutture reticolari (basate su travi e nodi) stanno dimostrando di avere proprietà promettenti. Ad esempio, la loro struttura può essere regolata per ottenere caratteristiche variabili lungo la struttura. Diverse strategie sono già disponibili, in letteratura, per guidare la progettazione di queste strutture, sono ancora necessari ulteriori sforzi per supportare i progettisti nell'esplorare le opportunità disponibili. Nonostante questi vantaggi, le strutture reticolari metalliche, in particolare quelle fabbricate utilizzando la tecnologia di Selective Laser Melting (SLM), sono soggette ad un problema: l’alta rugosità della superficie che può influire negativamente sulle proprietà meccaniche della struttura. Ciò diventa ancora più critico quando la complessità geometrica della struttura reticolare aumenta, come nel caso di strutture eterogenee, o se la circonferenza della trave diminuisce. In effetti, la rugosità superficiale potrebbe essere dello stesso ordine di grandezza di quella del diametro dell trave. Questa tesi descrive in primo luogo un approccio per sostenere la progettazione di strutture reticolari che mirano ad una modifica locale della loro geometria e, quindi, delle loro proprietà. Tale modifica consente la generazione di strutture reticolari eterogenee caratterizzate da una geometria o distribuzione di materiale variabile. Il test della flessione a tre punti è stato utilizzato per confrontare il comportamento di diversi tipi di strutture reticolari stampate utilizzando la tecnologia FDM (Fusion Deposition Modeling). I risultati hanno dimostrato che strutture reticolari eterogenee, e in particolare quelle generate partendo da unit cell diverse, rappresentano una strategia aggiuntiva efficace per la modifica della distribuzione del materiale e quindi, delle proprietà di queste strutture. In secondo luogo, la pulizia chimica consiste nel migliorare la qualità superficiale di strutture reticolari eterogenee stampate utilizzando la tecnologia SLM. Il test TPB è stato utilizzato nuovamente per testare il cambiamento nel comportamento dopo la lucidatura. Come in precedenza, i risultati forniscono una pulizia omogenea delle superfici in lattice, anche nel caso delle strutture più complesse.