A Kirigami approach for material behavior modification in flat sheets

Kirigami, as a Japanese art of introducing cuts in the paper, has proven its ability to source creative solutions for many engineering problems. Pop-up greeting/invitation cards are the most common examples of Kirigami. Recently, Kirigami has been a focus of great interest to alter the mechanical behavior of the materials compared to the pristine material; some recent applications include stretchable electronic devices, small-scale force sensors, macro-scale sun-shading, and conforming flat sheet as wrapping covers for curved surfaces. The basic idea of this thesis is to analyze and design the shape and arrangement of specific cut patterns on flat sheets to tailor their mechanical response to tensile loading. Here in we developed detailed numerical simulations to capture the non-linear behavior of Kirigami structures under tensile loading. Different modeling approaches were implemented, and their pros and cons were discussed. Silhouette Portrait 2 cutting machine was used to accurately prepare PVC, and Polystyrene specimens for the experimental verification of the simulation and to better understand the working principles and deformation mechanisms of these structures. A series of parametric studies were then performed to analyze the effect of different geometrical aspects including the horizontal and vertical distance of the cuts, their length as well as the shape of the cuts on the stiffness and stretchability of the Kirigami structures. In the end, numerical approaches with damage models were introduced for modeling the complete behavior of the Kirigami structures. And the results were compared with the experimental data.

Il Kirigami è l’arte giapponese di introdurre tagli e pieghe su fogli di carta, al fine di riprodurre strutture tridimensionali. Un esempio di Kirigami sono i biglietti di auguri “pop-up” che aprendosi mostrano differenti forme tridimensionali più o meno complesse. Sfruttando diverse configurazioni di taglio, i Kirigami sono stati usati anche in ambito ingegneristico dove hanno potuto offrire soluzioni creative a problemi complessi. Possibili applicazioni possono essere i dispositivi elettronici estensibili, sensori dinamometrici su piccola scala, schermatura solare e lastre piane utilizzate come involucri di copertura per superfici curve. Lo scopo di questa tesi è analizzare e progettare la forma e la disposizione di modelli di taglio specifici su fogli, al fine di adattare la loro risposta meccanica quando sottoposti a trazione. A questo scopo sono stati sviluppati modelli di simulazione numerica, volti a simulare il comportamento non lineare delle strutture di Kirigami sotto carico di tensione. Sono stati implementati diversi approcci di modellazione, evidenziando così gli aspetti positivi e negativi dei diversi metodi. La macchina da taglio Silhouette Portrait 2 è stata utilizzata per preparare accuratamente campioni di PVC e polistirene utilizzati per la campagna sperimentale, verificando così l’accuratezza di stima della simulazione e comprendere meglio i principi di funzionamento e i meccanismi di deformazione di queste particolari strutture. Sono stati quindi eseguiti una serie di studi parametrici per analizzare l'effetto di diversi aspetti geometrici, tra cui la distanza orizzontale e verticale dei tagli, la loro lunghezza e la forma rispetto a diversi parametri come la rigidità e l’estensibilità. Infine, è stato introdotto un modello di danneggiamento per simulare il comportamento delle strutture di Kirigami durante il cedimento. Anche in questo caso, i risultati sono stati confrontati con i dati sperimentali.