Design and analysis of a honeycomb-based lattice structure with modulated mechanical performances

Cellular material are porous structures that often balance lightness and mechanical properties. Inspired from nature and architectured by humans, these structures can be stretching-dominated for stiffness and strength or bending dominated for energy absorption and resilience. They contribute to the technological progression of the last decades and are used with metal and polymers to develop structures tailored for specific application such as light aerospace components or energy-absorbing materials. The use of Polymers for cellular materials opens a lot of versatility for various application in many fields due to the large number of existing types of polymers and their unique properties, even leading to technological breakthrough. Moreover, with the recent development of additive manufacturing, which makes the design and development of complex objects easier, the use of polymers allows the creation of technological pieces with incredible properties. A lot of companies are now using additive manufacturing of metals and polymers to create efficient components by optimizing their mechanical performances and reducing their mass to suit their exact needs. Thus, the design and development of lattice structures are key in these fields since they allow the creation of mechanical metamaterials with very specific properties, with, for example, auxetic behaviour or high energy absorption capacity. The design of new lattice structures, inspired by nature or built by mathematical formulas, is a great field of research due to the vast amount of combination between geometries, materials and spatial layout. In this thesis, a new honeycomb-inspired lattice structure has been designed, inspired by the auxetic behaviour and properties of the re-entrant hexagonal shape, on which new features have been added. The addition of arms inside the unit-cell leads to the creation of a unit cell with two very different mechanical responses: first, the walls of the cell bend like a classic re-entrant hexagonal honeycomb cell, then the arms inside lock the cell. This behaviour of a cell switching from bending-dominated to stretching-dominated is interesting in creating a material with modulated mechanical performance and higher energy absorption capacity. Then multiple simulations have been carried out to test the effects of multiple parameters that define the newly created unit-cell. For this, a Design of Experiment was made, to compare the mechanical performance of the unit-cells, and more simulations were made to assess the energy absorption capacity of the most promising unit-cells. Then a unit cell has been 3D-printed to compare the computational results with physical testing under compressive force. The tests were conclusive, since the results observed were relatively close to the simulation, apart from details due to the specificity of the 3D printing and its defects. Finally, the behaviour of the whole lattice structure was simulated and physically tested to confront the results with the behaviour of the single unit cell, showing interesting behaviours that could lead to further development and potential application, which have been briefly discussed.

I materiali cellulari sono strutture porose che spesso bilanciano leggerezza e proprietà meccaniche. Ispirate dalla natura e progettati dall’uomo, queste strutture possono essere dominate dalla trazione, per garantire rigidità e resistenza, o dominate dalla flessione, per assorbire energia e offrire resilienza. Hanno contribuito al progresso tecnologico degli ultimi decenni e vengono utilizzati con metalli e polimeri per sviluppare strutture personalizzate per applicazioni specifiche, come componenti aerospaziali leggeri o materiali per l’assorbimento di energia. L’uso dei polimeri per materiali cellulari offre una grande versatilità per molteplici applicazioni in diversi campi, grazie all’ampia varietà di polimeri esistenti e alle loro proprietà uniche, portando a importanti innovazioni tecnologiche. Inoltre, con lo sviluppo recente della manifattura additiva, che semplifica la progettazione e lo sviluppo di oggetti complessi, l’uso dei polimeri consente la creazione di componenti tecnologici con proprietà incredibili. Molte aziende utilizzano oggi la manifattura additiva di metalli e polimeri per creare componenti efficienti ottimizzando le prestazioni meccaniche e riducendo la massa per soddisfare esattamente le loro esigenze. Pertanto, la progettazione e lo sviluppo di strutture reticolari è fondamentale in questi settori, poiché consentono la creazione di metamateriali meccanici con proprietà molto specifiche, come ad esempio il comportamento auxetico o un’elevata capacità di assorbimento dell’energia. La progettazione di nuove strutture reticolari, ispirate dalla natura o costruite attraverso formule matematiche, rappresenta un ampio campo di ricerca grazie alla vasta gamma di combinazioni possibili tra geometrie, materiali e disposizioni spaziali. In questa tesi è stata progettata una nuova struttura reticolare ispirata al nido d’ape, basata sul comportamento auxetico e sulle proprietà della forma esagonale a rientro, a cui sono state aggiunte nuove caratteristiche. L’aggiunta di bracci all’interno della cella unitaria ha portato alla creazione di una cella unitaria con due risposte meccaniche molto diverse: inizialmente, le pareti della cella si flettono come in una cella esagonale a rientro classica, poi i bracci interni bloccano la cella. Questo comportamento, in cui la cella passa da un dominio di flessione a un dominio di trazione, è interessante per creare un materiale con prestazioni meccaniche modulate e una maggiore capacità di assorbimento dell’energia. Successivamente, sono state eseguite numerose simulazioni per testare gli effetti dei diversi parametri che definiscono la nuova cella unitaria. A tale scopo, è stato realizzato un Design of Experiment per confrontare le prestazioni meccaniche delle celle, e sono state condotte ulteriori simulazioni per valutare la capacità di assorbimento dell’energia delle celle più promettenti. Poi, una cella unitaria è stata stampata in 3D per confrontare i risultati computazionali con i test fisici sotto forza di compressione. I test sono stati conclusivi, poiché i risultati osservati erano relativamente vicini alle simulazioni, fatta eccezione per alcuni dettagli dovuti alla specificità della stampa 3D e ai suoi difetti. Infine, è stato simulato e testato fisicamente il comportamento dell’intera struttura reticolare per confrontare i risultati con il comportamento della singola cella unitaria, mostrando comportamenti interessanti che potrebbero portare a ulteriori sviluppi e potenziali applicazioni, discussi brevemente.