Mechanical characterization of 3D printed auxetic cores under low speed compression and indentation

The mechanical properties of 3D auxetic lattices, realized through additive manufacturing, were investigated under static and low velocity compression and low velocity indentation. The topologies under observation, sinusoidal and anti-chiral, were manufactured using different materials: Tough 2000 photopolymeric resin, Nylon PA22 , Al10Mg aluminum and AlSl316L steel; introducing a wide range of material properties. The lattices were tested in a range of velocities comprised between 8.3e−5m/s and 3.5m/s. The results obtained suggest mechanical properties in the average range of classical cores commonly used, in terms of specific energy absorption, elastic modulus and force displacement. Benefits from the peculiar behaviour appear in certain niches of use: the maximum reaction force with respect to the absorbed energy is lower than average for the sinusoidal core when high energies and displacements are concerned. Indentation depth on both geometries is 5 to 20 % lower than average cores at low thickness. Anti-chiral core resulted fit to absorb multiple impacts in the same crash events even with more brittle materials. The auxetic behaviour is maintained in the passage from static to dynamic compression. In order to create a finite element model of the structures under study, the tough 2000 resin was investigated in its properties and its numerical model was created and validated in the software used for the simulations. The finite element model for each one of the geometries was realized and validated and used to set up a qualitative study of the geo metric parameters influence over the indentation performance of the lattices.

Sono state investigate le proprietà meccaniche dei reticoli auxetici 3D, realizzati tramite prototipazione rapida (3D printing), a compressione statica, ad impatti a basse velocità e ad indentazione. Le geometrie in studio, sinusoidale e planare anti-chirale, sono state realizzate con diversi materiali di base: resina fotopolimerica tough 2000, Nylon PA22, alluminio Al10Mg e acciaio AlSl316L; ottenendo una grande varietà di proprietà meccaniche di base. I reticoli sono stati testati in una fascia di velocità compresa tra 8.3e−5m/s e 3.5m/s. I risultati ottenuti mostrano delle proprietà meccaniche, in termini di energia specifica assorbita, modulo elastico, rigidezza e forza-deformazione, nella media dei reticoli classici utilizzati correntemente. I benefici del comportamento auxetico sono efficaci sotto particolari condizioni di utilizzo; la forza massima in funzione dell’energia assorbita è minore rispetto alla media per il reticolo sinusoidale. La profondità di indentazione per i reticoli auxetici è ridotta del 5-20 % rispetto a reticoli classici per bassi spessori del core. Il reticolo planare anti-chirale si è dimostrato efficace nel ridurre i picchi massimi di forza per impatti consecutivi anche con materiali fragili. Il comportamento peculiare del Poisson’s ratio negativo viene mantenuto nel passaggio da compressione statica a dinamica. Per realizzare il modello ad elementi finiti dei reticoli in studio è stato caratterizzato il materiale tough 2000, di cui è stato creato un modello numerico validato sperimentalmente. I modelli ad elementi finiti dei reticoli sono stati realizzati e validati sperimentalmente e poi utilizzati per impostare uno studio qualitativo dell’influenza dei parametri geometrici sull’efficienza della risposta ad indentazione delle geometrie.