Design, 3D printing and characterization of architected materials for orthotic insoles

This thesis focuses on the design, 3D printing, and characterization of non-stochastic structures for foot orthotics. The use of these types of structures is increasing day by day in sport and medical applications. For example, in the orthotic industry, the development of customized products could be an effective solution for treating pathological issues such as flat feet. This type of orthoses play an important role in the correction of the foot function; they also give more support and increase comfort. The interest in Additive Manufacturing (AM) technology in the customization of high-quality products is growing due to the possibility of creating, for example, lightweight and unique solutions. The manufacturing of orthotic insoles is mainly based on the use of conventional foams (i.e., expanded polyurethane (PU)), which are characterized by a stochastic arrangement. Some researchers have then explored the possibility of using architected materials as an alternative to foams. In this work, two unit cells were studied: the Kelvin and Octet. Different arrays of lattice structures were designed based on these two types of cells. Additional features were also considered: a top holed layer, whose purpose is to increase the comfort of the foot and allow transpiration, and fillets, to analyze their influence on the mechanical behavior of the lattices. Specimens for quasi-static compression test were 3D printed via stereolithography (SLA) using the Formlabs Flexible 80A resin and the Form 3B printer. Results demonstrated that these unit cells could be considered in the design of customized insoles. However, additional investigations are needed to explore further their behavior and elaborate a dedicated strategy for exploiting them in the design of a customized solution.

Questa tesi si concentra sulla progettazione, stampa 3D e caratterizzazione di strutture non stocastiche per applicazioni ortesiche plantari. L’utilizzo di questo tipo di strutture sta aumentando giorno per giorno in applicazioni in campo medico e sportivo. Per esempio, nell’industria ortesica, lo sviluppo di prodotti personalizzati potrebbe essere una soluzione efficace per il trattamento di numerose patologie, come il piede piatto. Le ortesi plantari giocano un ruolo fondamentale nella correzione delle funzioni del piede; esse inoltre forniscono maggior supporto ed aumentano il comfort. L’interesse delle tecnologie di manifattura additiva per la produzione customizzata di prodotti di alta qualità sta crescendo, grazie, ad esempio, alla possibilità di creare soluzioni a uniche e a basso peso. La produzione di plantari si basa sull’uso prevalente di schiume convenzionali (come il poliuretano espanso), caratterizzate da una struttura stocastica. Alcuni ricercatori hanno esplorato la possibilità di utilizzare i cosiddetti “architected materials” come alternativa alle schiume. In questo lavoro, due strutture reticolari sono state studiate: la Kelvin e la Octet. Utilizzando queste strutture sono stati progettati diversi reticoli caratterizzati da differenti configurazioni periodiche. Sono stati inoltre considerati alcuni elementi aggiuntivi: uno strato superiore forato, la cui funzione è quella di incrementare il comfort plantare e permettere la traspirazione, e dei raccordi, con l’obiettivo di analizzare l’effetto di questi elementi sul comportamento meccanico del reticolo. Diversi provini sono stati realizzati mediante stereolitografia, utilizzando la resina Formlabs Flexible 80A e la stampante Form 3B, e sottoposti a prove di compressione quasi statica. I risultati hanno dimostrato che queste strutture reticolari potrebbero essere utilizzate nella progettazione di plantari personalizzati. Ulteriori ricerche sono tuttavia necessarie per analizzare il loro comportamento più in dettaglio e per sviluppare una strategia dedicata per il loro utilizzo della progettazione di soluzioni customizzate.