Finite element analysis and characterization of 3D printed sheet-Gyroid structures for a transtibial prosthesis liner

This thesis aims to study, via both finite element analysis (FEA) and tests on 3D-printed samples, the elastic properties of the sheet-based Gyroid lattice, a structure belonging to triply periodic minimal surface (TPMS)-based structures by varying its relative density (RD), i.e., the ratio between the density of the lattice structure and the solid material one, the stretching level, i.e., the value to multiply the length for in a specific direction, the cell size and the lattice order. The final target is to exploit these structures for designing a new transtibial prosthetic liner, 3D-printed and tailor-made for the customer. The use of a lattice structure guarantees high breathability and the possibility to tune the mechanical properties of the liner point by point, avoiding excessive stresses on the skin, thus increasing comfort and preventing diseases. To explore the behaviour of these structures, a model to predict the change in the relative elastic modulus (E*) of the lattice structure with RD, stretching level, and cell size has been developed. To validate the model, samples have been printed via stereolithography (SLA) using the Form 3B printer and the Flexible 80A as base material and tested under quasi-static compression. A mismatch between the numerical and the experimental results has been found. For this reason, some samples have been cured again to explore the influence of the curing time on the elastic properties of the material. Nevertheless, the additional curing time only slightly affected the elastic modulus of the structure. Hence, additional investigations are needed to further extend and validate the model and thus support the development of the TPMS-based liner.

L’obiettivo di questa tesi è di studiare, sia tramite FEA che tramite prove meccaniche effettuate su provini stampati in 3D, le proprietà elastiche della Giroide di tipo sheet, una struttura appartenente alle strutture basate su triply periodic minimal surfaces (TPMS) variandone la densità relativa (RD), ovvero il rapporto tra la densità della struttura reticolare e quella del solido di base, il livello di stretching, ovvero il valore per cui moltiplicare la lunghezza della cella in una determinata direzione, la dimensione della cella e il numero di celle in una direzione. Questo studio ha l’obiettivo di creare un nuovo tipo di calza prostetica transtibiale, stampato in 3D e completamente personalizzato per il cliente. L’utilizzo di strutture reticolari permette di ottenere un alto livello di traspirazione e la possibilità di regolare le proprietà meccaniche della calza punto per punto, in modo tale da evitare sforzi eccessivi sulla pelle, aumentando così il comfort e prevenendo lo sviluppo di malattie. La manifattura additiva (AM) permette di creare prodotti personalizzati riducendo lo spreco di materiale, il tempo e, di conseguenza, i costi di produzione. Inoltre, la manifattura additiva è, attualmente, l’unico modo per la creazione di strutture basate su TPMS con sufficienti precisione e qualità. Al fine di studiare il comportamento di queste strutture, è stato sviluppato un modello che consente di predire l’andamento del modulo elastico relativo (E*) con la densità relativa, il livello di stretching e la dimensione della cella. Al fine di validare le simulazioni, sono stati stampati alcuni provini tramite stereolitografia (SLA) utilizzando la stampante Form 3B e la Flexible 80A come materiale e sono stati sottoposti a prove di compressione quasi-statiche. È stato, però, trovato un errore tra i risultati numerici e sperimentali. Per questa ragione, si è scelto di sottoporre nuovamente a curing alcuni provini, in modo tale da verificare l’influenza del tempo di trattamento sulle proprietà elastiche del materiale. Purtroppo, però, il tempo di curing aggiuntivo ha solo lievemente influenzato il modulo elastico della struttura. Ulteriori studi sono necessari per conoscere le proprietà di traspirazione di queste strutture e come esse trasferiscono i carichi, al fine di creare un modello più completo per la produzione di un liner basato su TPMS.