Numerical and experimental investigation on the crushing behaviour of auxetic lattice cells produced with additive manufacturing

In aerospace, automotive and military applications, lightweight sandwich structures have an important role in the crush situations due to their crush resistance. To satisfy crashworthiness requirements, different types of sandwich structures have been proposed with different cores such as foams, lattices and trusses. The lattice cores have come forward regarding favourable energy dissipation characteristics, one of the most promising being the auxetic cellular solid structures. Auxetic lattice structures behave differently from conventional materials with their negative Poisson’s ratio so that; they shrink under compressive loads and expand while tensile loads are applied. The development of additive manufacturing (AM) processes in recent years provides an opportunity to produce arbitrary topologies of lattice cells and units with less limitation compared to conventional production methods. Two different AM methods have been used in this study for lattice cell productions. One of them is fused deposition modelling (FDM), which uses polymer material, and the other one is the electron beam melting (EBM) that uses an electron beam to melt metallic powders. In this study, material characterization studies are conducted to understand the constituent material behaviour of lattice cells and to obtain constitutive equations. Moreover, experimental and numerical crushing analyses are conducted to determine efficient auxetic topology for energy absorption applications, and an application study is deployed. The guidelines are constituted for design, production and modelling of the auxetic lattice cells. The observation is that, chiral auxetic lattice deformation mechanism shows better energy absorption ability compared to re-entrant. Hexachiral (chiral) auxetic lattice is showed the best performance among other type of 2D auxetic chiral lattice geometries, and it is revealed that the thickness of the chiral lattice cells is the dominating parameter about its stiffness and auxeticity. Increase in the chiral lattice thickness causes loss of auxetic behaviour, and the one showing auxeticity presents better energy absorption ability in terms of crush force efficiency, however; considering specific energy absorption value the results show the opposite.

Nelle applicazioni aerospaziali, automobilistiche e militari, le strutture sandwich hanno un ruolo importante nelle condizioni di impatto e schiacciamento grazie alla loro resistenza. Per soddisfare i requisiti di resistenza all’impatto, sono stati proposti diversi tipi di strutture sandwich con diverse anime come schiume, reticoli e tralicci. Le anime a reticolo anno trovato un forte sviluppo grazie alle caratteristiche favorevoli di dissipazione dell'energia, una delle più promettenti sono le strutture auxetiche. Le strutture auxetiche si comportano diversamente dai materiali convenzionali avendo un coefficiente di Poisson negativo: si restringono sotto carichi di compressione e si espandono mentre vengono applicati carichi di trazione. Lo sviluppo di processi di produzione additiva negli ultimi anni offre l'opportunità di produrre topologie arbitrarie di celle e unità reticolari con minori limitazioni rispetto ai metodi di produzione convenzionali. In questo studio sono stati utilizzati due diversi metodi di manifattura additiva per la produzione di celle reticolari. Uno di questi è la modellazione a deposizione fusa (FDM), che utilizza materiale polimerico e l'altro è la fusione a fascio di elettroni (EBM) che utilizza un fascio di elettroni per fondere le polveri metalliche. In questa ricerca, vengono condotti studi di caratterizzazione sperimentale dei materiali per comprendere il comportamento dei materiali costituenti delle celle reticolari e per ottenere le loro equazioni costitutive. Inoltre, vengono condotte analisi di frattura sperimentali e numeriche per determinare topologie di celle auxetiche efficienti per applicazioni di assorbimento di energia. Le linee guida vengono definite per la progettazione, la produzione e la modellazione delle celle reticolari auxetiche. I principali risultati evidenziano che il meccanismo di deformazione del reticolo auxetico chirale mostra una migliore capacità di assorbimento di energia rispetto alle altre celle considerate. In particolare, il reticolo auxetico esachirale ha mostrato le migliori prestazioni tra gli altri tipi di geometrie reticolari chirali auxetiche 2D studiate e si è scoperto che lo spessore delle cellule reticolari chirali è il parametro dominante sulla sua rigidità e auxeticità. L'aumento dello spessore del reticolo chirale causa la perdita del comportamento auxetico e il reticolo che mostra auxeticità presenta una migliore capacità di assorbimento di energia in termini di efficienza della forza di schiacciamento; considerando il valore di assorbimento energetico specifico i risultati mostrano il contrario.