Design and testing of crystal-inspired lattice materials

In recent years, Additive Manufacturing (AM) technologies have promoted the design and fabrication of the so-called metamaterials. They are porous structures whose topology can be tuned to obtain the desired properties. Among the wide range of metamaterials available are those inspired by crystal structures. This thesis explores the possibility of designing and printing hexagonal close-packed (HCP) structures to further contribute to this research field. Besides, inspired by the phenomena characterizing the deformation of HCP crystal structures, a zone mimicking the twinning phenomenon was also designed and inserted within this structure. The intent was to explore whether such a twinned zone could modify the compressive behavior of the structure from a sequential layer collapse to a more homogeneous deformation. To control the design of these structures, an analytical model was developed to tune their relative density, starting from specific geometrical parameters. This analytical model has supported the creation of different types of structures, all having the same relative density. The designed structures were printed using polylactic acid (PLA) and the Fused Deposition Modeling (FDM) technology and subjected to quasi-static compression tests. FEM analyses were also performed with solid elements for an initial screening of their behavior in the elastic field. Specifically, HCP structures with and without the twinned zone were designed and printed, together with a structure designed starting from the well-known Octet unit cell. The Octet is inspired by the face-centred cubic lattice (FCC) and has been used as a first reference structure. In addition, the HCP structure with the twinned zone was also printed with two different layer heights to assess the influence of this parameter on its mechanical behavior. Besides, an additional experimental campaign was carried out to deepen further the effect on the structure behavior of the extensions of the twinned zone with respect to the overall dimensions of the structure. Two further variants were designed and printed. The experimental results confirm that the twinned zone positively influences the structure behavior because it allows a more controlled deformation. Besides, an enhancement in the energy absorption capabilities of these structures was also observed through the evaluation of the Specific Energy Absorption (SEA) parameter, defined as the absorbed energy per unit volume divided by the density of the structure.

Negli ultimi anni, le tecnologie di fabbricazione additiva hanno promosso la progettazione e la fabbricazione dei cosiddetti metamateriali. Si tratta di strutture porose la cui topologia può essere controllata per ottenere le proprietà desiderate. Tra la vasta gamma di metamateriali disponibili, esistono quelli ispirati alle strutture cristalline. Questa tesi esplora la possibilità di progettare e stampare strutture esagonali compatte (HCP) per contribuire ulteriormente a questo campo di ricerca. Inoltre, ispirandosi ai fenomeni che caratterizzano la deformazione delle strutture cristalline HCP, una zona che imita il fenomeno del twinning è stata progettata e inserita all'interno di questa struttura. L'intento è quello di esplorare se tale zona possa modificare il comportamento a compressione della struttura, passando da un collasso sequenziale degli strati a una deformazione più omogenea. Per la progettazione di queste strutture, è stato sviluppato un modello analitico in grado di regolarne la densità relativa, a partire da specifici parametri geometrici. Questo modello analitico ha supportato la modellazione di diversi tipi di strutture a parità di densità relativa. Le strutture sono state stampate utilizzando l'acido polilattico (PLA) e la tecnologia di modellazione a deposizione fusa (FDM) e sottoposte a test di compressione quasi statica. Sono state eseguite anche analisi FEM con elementi solidi per un primo screening del comportamento delle strutture in campo elastico. In particolare, strutture HCP con e senza la zona geminata (twinned zone) sono state progettate e stampate, insieme ad una struttura progettata a partire dalla nota cella unitaria Octet. La Octet si ispira al reticolo cubico a facce centrate (FCC) ed è stato utilizzata come prima struttura di riferimento. Inoltre, la struttura HCP in cui è presente la zona geminata è stata stampata con due diversi spessori di stampa per valutare l'influenza di questo parametro sulle proprietà meccaniche delle strutture. In seguito, è stata condotta un'ulteriore campagna sperimentale per approfondire l'effetto sul comportamento della struttura delle estensioni della zona geminata rispetto alle dimensioni complessive della struttura. Sono state progettate e stampate altre due varianti. I risultati sperimentali confermano che la zona geminata influenza positivamente il comportamento della struttura, consentendo una deformazione più controllata. Inoltre, è stato osservato un miglioramento delle capacità di assorbimento di energia di queste strutture, mediante il calcolo dell'energia assorbita per unità di volume, normalizzata per la densità della struttura.