Development of an effective reusable crash absorber based on an improved negative stiffness honeycomb approach

Crash absorbers are structural devices used in automotive with the aim of reducing the severity of impacts. Conventional crash absorbers dissipate the kinetic energy of the collision by irreversible deformation, and need to be replaced afterwards to restore safety of the structure, highly increasing cost and inconvenience of the system. The aim of this experimental thesis was to design and manufacture a reusable crash absorber , able to regain functionality after compression. The work was based on the concept of Negative Stiffness Honeycomb, with the objective of improving the performance, reliability and cost effectiveness with respect to previously published studies in the literature based on a similar concept. The multi-step experimental process led to the realization of three different prototypes, in series as a result of critical evaluation of their performance. The first and second iteration model were made in Nylon PA 6/66 3D printed by FDM, while the last one was laser cut by Stainless Steel AISI 304. The first iteration model was characterized by a simple bidimensional configuration, while the second and third iteration models featured a novel three-dimensional modular design , through which an increased stability in dynamic compressions as well as less complex manufacturing and assemble process were obtained The second and third models were tested under dynamic compression, reaching performance results higher in terms of absolute value of peak force and energy dissipation with respect to previous literature studies. If confirmed in further larger studies, this thesis work could represent a relevant advancement in the field of crashworthiness. In fact, negative stiffness honeycomb could become a viable alternative in those contexts where conventional crash absorbers are not convenient for practical applications involving repeated impacts or when substitution of the device is made complex by environmental and economic factors, with the final result of reducing cost, time and work associated to the replacement of the deformed safety device after the collision

Gli assorbitori di impatto sono dispositivi strutturali usati in ambito automobilistico con lo scopo di ridurre la severità delle collisioni. Gli assorbitori di impatto convenzionali dissipano l'energia cinetica dell'urto con una deformazione irreversibile e necessitano poi di essere sostituiti per ristabilire la sicurezza della struttura, aumentando molto il costo e la complessità del sistema. Lo scopo di questa tesi sperimentale è stato di progettare e realizzare un assorbitore di impatto riutilizzabile, in grado di recuperare la sua funzione dopo la compressione. Il lavoro è stato basato sul concetto di Honeycomb a rigidezza negativa, con l’obiettivo di migliorare le prestazioni, l’affidabilità e l’efficienza rispetto a studi precedentemente pubblicati in letteratura basati sullo stesso concetto. Un processo di sperimentazione a più stadi ha portato alla realizzazione di tre diversi prototipi, in serie a seguito di una valutazione critica delle loro prestazioni. I modelli della prima e seconda iterazione sono stati realizzati in Nylon PA 6/66 stampato in 3D con tecnologia FDM, mentre l’ultimo è stato ricavato da Acciaio inossidabile del tipo AISI 304 attraverso la tecnologia di taglio laser. Il modello della prima iterazione era caratterizzato da una semplice configurazione bidimensionale, mentre il secondo e terzo modello erano caratterizzati da un innovativo design modulare tridimensionale, attraverso il cui sono state ottenute una migliore stabilità in test dinamici a compressione e una minore complessità nella produzione e nell’assemblaggio. Il secondo ed il terzo modello sono stati testati a impatto, ottenendo nel terzo caso prestazioni maggiori in termine di forza massima e energia assorbita rispetto agli altri lavori precedentemente pubblicati in letteratura. Se confermato da successivi e più ampi studi, l’honeycomb a rigidezza negativa potrebbe rappresentare una valida alternativa in quei campi dove gli assorbitori di impatto convenzionali non sono adatti per applicazioni pratiche che implicano ripetuti impatti o quando la sostituzione del pezzo è resa complessa da fattori ambientali e economici, con il risultato finale di ridurre il costo, il tempo e il lavoro associati alla sostituzione del dispositivo di sicurezza deformato dopo l’urto.