Design and analysis of novel hybrid triply periodical minimal surfaces lattice structures fabricated by fused deposition modelling

For several years, the requirements in the field of design have become increasingly challenging, leading to the development of increasingly lightweight, complex and high-performance structures based on the target application. With the recent developments of Additive Manufacturing technologies, it is now possible to respond adequately to market needs, thanks to the ability to manufacture geometrically complex light-weight structures with superior functionalities. We speak, therefore, of “lattice structures“, in particular of Triply Periodical Minimal Surfaces (TPMS), which have allowed the achievement of increasingly high performance and tailored structures through the introduction of variable gradients. This thesis, developed in collaboration with NTNU University (Trondheim, NO) aims to design, develop and analyze novel Functionally Graded Materials (FGM) through implementing cell type gradients of two individual unit cells, namely the Primitive and the Gyroid. These gradient designs are aimed to facilitate control and customization of mechanical properties. The contribution of the gradients in tuning the compressive deformation behaviour of the multi-morphological structures was analyzed both using experimental tests and numerical analysis. The main mechanical properties of the generated hybrid structures were compared with the reference uniform structure, that is the Gyroid network-based TPMS. The study includes the analysis of mechanical performance in terms of stiffness, yield stress and energy absorption capacity. Then, elastic zone response was also studied through numerical simulations that were validated through comparison for experimental tests. The developed model was then used to study other multimorphological combinations that were not experimentally tested. This study allowed obtaining hybrid structures that could modulate and customize the properties according to the performance requirements, through the manipulation of the stress-strain curves under compression. In the end, some examples of the potential application of the developed structures have been presented with particular attention to the biomedical field.

Da diversi anni, le richieste nell’ambito della progettazione sono diventate sempre più esigenti, tanto che hanno spinto allo sviluppo di strutture sempre più leggere e performanti, che potessero adeguarsi in maniera ottimale e controllata al tipo di applicazione. Con i recenti sviluppi delle tecnologie di manifattura additiva è stato possibile rispondere in maniera adeguata alle richieste del mercato, grazie alla possibilità di realizzare strutture geometricamente complesse e leggere, con funzionalità superiori. Si parla, dunque, di “lattice structures”, in particolare dei Triply Periodical Minimal Surfaces (TPMS), che hanno permesso di ottenere strutture sempre più performanti e personalizzate mediante l’introduzione di gradienti variabili. La seguente tesi, sviluppata in collaborazione con l’Università NTNU (Trondheim, NO) mira a progettare, sviluppare e analizzare nuove strutture “Functionally Graded Materials” (FGM) mediante l’implementazione di gradienti definiti da due tipologie di celle unitarie, cioè la “Primitive” e la “Gyroid”. Questi design a gradiente variabile hanno lo scopo di facilitare il controllo e la personalizzazione delle proprietà meccaniche. Ciò avviene grazie al contributo del comportamento a deformazione sotto compressione delle due tipologie di unità cellulari all’interno. Viene, dunque, analizzato in laboratorio il comportamento delle strutture ibride generate, al fine di appurare le proprietà meccaniche e porle a confronto con la struttura uniforme di partenza, ossia la Gyroid network-based TPMS. Lo studio prevede l’analisi delle performance meccaniche in termini di rigidità, tensione di snervamento e capacità di assorbimento dell’energia. La risposta della zona elastica è stata, poi, studiata anche attraverso simulazioni numeriche che sono state convalidate attraverso il confronto con i test sperimentali. Il modello sviluppato è stato successivamente utilizzato per studiare altre combinazioni multimorfologiche che non sono state testate sperimentalmente. Questo studio ha permesso di ottenere delle strutture in grado di modulare e personalizzare le proprietà in base ai requisiti prestazionali, mediante la manipolazione delle curve sforzo-deformazione sotto compressione. Al termine dello studio, sono stati esposti alcuni esempi di applicazione delle strutture sviluppate, con particolare attenzione al campo biomedicale.