Development and experimental validation of a method for designing hybrid lattice structures

Designing and 3D printing cellular structures capable of fulfilling specific technical targets and providing multiple functionalities is a research topic amply explored in the literature. Studies are focused, for example, on characterizing different cell topologies' behaviour, exploiting the wide range of materials nowadays available and the possibility of creating structures with a graded distribution of the material. However, only recently, the attention has been focused on exploring the design and characterisation of hybrid cellular structures. These types of structures are obtained through the combination of different unit cell topologies. This design possibility could significantly extend the range of opportunities available when designing lightweight and multi-functional 3D-printed solutions. This thesis aims to contribute to this research topic by presenting a method, based on the analysis of the principal stress trajectories, to guide the selection of the unit cell topologies and thus the overall design of the hybrid structure. The validity of the proposed design method was tested experimentally through three-point bending (TPB) tests on samples 3D-printed using both the Fused Deposition Modelling (FDM) and Stereolithography (SLA) technologies. The experimental campaign demonstrated that the method could provide an effective support in the unit cell selection despite further investigations are needed to explore in detail its efficacy for example in the case of more complex loading conditions.

La progettazione e la stampa 3D di strutture cellulari, in grado di soddisfare specifici obiettivi tecnici e fornire molteplici funzionalità, è un argomento di ricerca ampiamente esplorato in letteratura. Gli studi degli ultimi anni si sono focalizzati, ad esempio, sulla caratterizzazione del comportamento di diverse topologie cellulari, sfruttando l'ampia gamma di materiali oggi disponibili e la possibilità di creare strutture con una distribuzione non uniforme del materiale. Tuttavia, solo di recente l'attenzione si è concentrata sulla progettazione e sulla caratterizzazione di strutture cellulari ibride. Le strutture ibride sono ottenute attraverso la combinazione di diverse topologie di celle. Questa ulteriore possibilità potrebbe ampliare significativamente la gamma di soluzioni progettuali esplorabili relativamente allo sviluppo di soluzioni leggere e multifunzionali, ottenibili mediante tecnologie additive. La tesi contribuisce a questo argomento di ricerca presentando un metodo, basato sull'analisi delle traiettorie degli sforzi principali, per guidare la selezione delle topologie delle celle e quindi la progettazione complessiva della struttura ibrida. La validità del metodo di progettazione proposto è stata testata sperimentalmente attraverso test di flessione a tre punti, su campioni stampati in 3D, utilizzando sia la tecnologia di modellazione a deposizione fusa sia la stereolitografia. La campagna sperimentale ha dimostrato che il metodo può fornire un efficace supporto per la selezione delle celle, nonostante siano necessari ulteriori validazioni per approfondirne l’efficacia, ad esempio in condizioni di carico più complesse.