Design and characterization of novel hybrid-hierarchical Triply Periodic Minimal Surfaces lattice structures

This thesis explores an innovative approach for optimizing and controlling the mechanical properties of sheet-network Primitive Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS) lattice structures. The properties considered include stiffness, strength, energy absorption, and anisotropy. Rather than aiming for overall improvement across all parameters, the focus is on precise control and selection of optimal topology based on performance requirements. The research begins with a comprehensive review of cellular materials, emphasizing TPMS-derived lattice structures and optimization methods such as hybridization and hierarchization. The proposed optimization method reinforces the internal space of the sheet-network Primitive cell with a smaller- scale TPMS lattice structure, resulting in a hybrid hierarchical topology. Different types of solid-network TPMS base cells and relative densities are used for the small- scale internal lattice design. Finite Element Method (FEM) simulations show increased stiffness and yield stress in axial directions with higher relative density of the small- scale lattice. Lattice structures of selected topologies are 3D printed and experimentally tested in compression alongside the original sheet-network Primitive topology. Experimental results reveal enhanced mechanical properties of the new hybrid hierarchical topologies, particularly in energy absorption, and reduced anisotropic behaviour. The new lattices demonstrate promise in mitigating the brittle behaviour of the original one, with the ability to undergo plastic deformation without failure, making them suitable for energy absorption applications. Finally, a numerical model for characterizing the hybrid hierarchical lattices is validated by comparing its results with experimental data, eliminating the need for prototyping. Overall, this research underscores the feasibility of achieving controlled and enhanced mechanical properties in sheet-network Primitive lattice structures through this innovative design approach. It contributes to advancing the understanding of material behaviour and opens avenues for further exploration in optimizing hierarchical hybrid TPMS lattice combinations.

Questa tesi esplora un approccio innovativo per ottimizzare e controllare le proprietà meccaniche delle strutture reticolari sheet-network Primitive Triply Periodic Minimal Surface (TPMS). Le proprietà considerate includono rigidità, resistenza, assorbimento di energia e anisotropia. Piuttosto che mirare a un miglioramento complessivo di tutti i parametri, l'attenzione è rivolta al controllo preciso e alla selezione della topologia ottimale in base ai requisiti prestazionali. La ricerca inizia con una revisione completa dei materiali cellulari, con particolare enfasi sulle strutture reticolari derivanti da TPMS e sui metodi di ottimizzazione come l'ibridizzazione e la gerarchizzazione. Il metodo di ottimizzazione proposto prevede il rinforzo dello spazio interno della cella reticolare sheet-Primitive introducendo una struttura reticolare TPMS su scala ridotta, risultando in una topologia ibrida gerarchica. Per la progettazione della struttura reticolare interna vengono utilizzati diversi tipi di celle base solid-network TPMS e diverse densità relative. Le analisi agli elementi finiti (FEM) mostrano un aumento della rigidità e del limite di snervamento nelle direzioni assiali in corrispondenza di una maggiore densità relativa del reticolo su piccola scala. Strutture reticolari di topologie selezionate sono state stampate in 3D e testate a compressione insieme alla topologia originale. I risultati sperimentali rivelano migliori proprietà meccaniche nelle nuove topologie, in particolare nell'assorbimento di energia e nella riduzione delle anisotropie. Le nuove strutture riescono a mitigare il comportamento fragile di quella originale, subendo deformazioni plastiche senza cedere, rendendole adatte per applicazioni di assorbimento di energia. Infine, un modello numerico per la caratterizzazione dei reticoli ibridi gerarchici è stato convalidato confrontando i suoi risultati con i dati sperimentali, eliminando la necessità di prototipazione. Nel complesso, questa ricerca sottolinea la fattibilità di ottenere proprietà meccaniche controllate e migliorate nelle strutture reticolari sheet-Primitive attraverso questo design innovativo. Essa contribuisce a migliorare la comprensione del comportamento dei materiali e apre la strada per ulteriori esplorazioni nell'ottimizzazione di strutture reticolari TPMS ibride gerarchiche.