Homogenization rules for 3D printed BCC lattices and preliminary design of a CubeSat structure

Lattice structures are a group of bio-inspired meta-materials that mimic the animal bone structure. This translates in a material organized in a regular spatial repetition of small unitary cells, made of struts. This structure is advantageous with respect to traditional materials, offering a higher stiffness over mass ratio, and, moreover, it opens many different application exploiting the open cell configuration. In this thesis work an analytical model for the homogenization of the lattice is developed, obtaining an equivalent homogeneous material that can be used during the design and analysis phase, in order to limit the computational effort needed otherwise to simulate each single strut. In this phase several observations on the 3D printed material were performed to access important geometrical parameters for the homogenization process. The results are then analyzed in conjunction with experimental tests. To complete the process, the interaction of the lattice structure with another continuum material is studied, verifying that the equivalent homogeneous material can grant good representability. This work is done with a numerical analysis divide into the analysis of singular struts and their interaction with a metallic skin. Moreover, during this work, a thermal treatment is proposed, with the aim of enhancing the toughness and elongation at break of the material. The samples that have undergone the treatment are then tested mechanically and the results are compared with those of the non-treated material. Eventually in this thesis work a preliminary design is performed with the ambition of highlighting the achievable advantages with lattice structure, in particular in space sector. It is then proposed a 3D printed CubeSat, whose mass is significantly reduced by the adoption of structures under analysis.

Le strutture trabecolari sono una famiglia di meta-materiali con ispirazione biologica che vanno a imitare la struttura ossea degli animali. Ciò si traduce in un materiale organizzato in una ripetizione spaziale regolare di piccole celle unitarie, formate da trabecoli. Questa struttura possiede numerosi vantaggi rispetto a materiali tradizionali, come un maggior rapporto tra rigidezza e massa, ed inoltre, sfruttando la sua configurazione a celle aperte, può aprirsi a svariate applicazioni. In questa tesi è sviluppato un modello matematico analitico di omogeneizzazione del materiale trabecolare, ottenendo, quindi, un materiale virtuale omogeneo equivalente, che possa venire sfruttato in fase di design e analisi, per evitare il sovraccarico computazionale dovuto dalla necessaria rappresentazione dell'interazione di migliaia di trabecoli. In questa fase è stato necessario svolgere alcuni studi su dei campioni stampati in 3D per ottenere importanti parametri geometrici per il processo di omogeneizzazione e i risultati sono stati analizzati a fronte di prove sperimentali. Per completare questo processo, è stato necessario studiare l'interazione della struttura trabecolare con altri materiali continui, e verificare che il materiale omogeneo equivalente riportasse gli stessi risultati. Questo è stato svolto con un lavoro numerico diviso tra uno studio dei singoli trabecoli e poi della loro interazione con una pelle metallica. Durante questo lavoro, inoltre, è stato proposto un trattamento termico che avesse il fine di migliorare la tenacità e l'elongazione a rottura del materiale stesso. I campioni sottoposti a questo trattamento sono stati poi testati meccanicamente e i risultati sono stati comparati con quelli del materiale non trattato. Infine in questa tesi è stato svolto un progetto preliminare che andasse a sottolineare i vantaggi raggiungibili delle strutture trabecolari, in particolare nell'ambito spaziale. Quindi è presentato il progetto di un CubeSat prodotto in maniera additiva la cui massa è considerevolmente ridotta grazie all'adozione delle strutture in analisi.