Impact loading capability of auxetic hexachiral structures 3D-printed with a thermoplastic polyurethane-based recycled material: a numerical and experimental study

This thesis aims to develop an auxetic energy absorber fabricated using a 3D-printable material that is a filament composed of a thermoplastic polyurethane filled with waste tire rubber (TPU-WTR). Auxetic structures are known for their improved resistance to indentation, fracture, and shear and enhanced energy absorption capabilities. In this thesis, different configurations of a hexachiral auxetic structure are investigated, both experimentally and numerically, with the scope to develop an innovative vehicle bumper. The choice of the TPU-WTR material for producing these structures is related to the need to explore the potential of recycled materials for energy-absorbing applications. The presence of waste tire rubber as a filler allows for improving the mechanical properties of the virgin TPU and represents a sustainable way to manage tire end-of-life. In this context, additive manufacturing, particularly the Fused Filament Fabrication technology, succeeds in managing both the geometrical complexity of a hexachiral structure and the use of recycled material. This thesis deals with the experimental characterization of the TPU-WTR material and the numerical calibration of a hyper-viscoelastic (HVE) model to describe its mechanical behavior, which is performed using a Genetic Algorithm optimization. In parallel, the development of the parametric model of the hexachiral geometries has enabled the fabrication of one of the structures by 3D printing and the execution of impact tests on it. Numerical simulations of the impact tests on the structures, implemented using the previously optimized HVE model, allow for its validation and the comparison of the performance of different hexachiral configurations. Results show that the HVE model demonstrated to be accurate at a low velocity. Besides, the TPU-WTR material appears to be a promising candidate for the development of auxetic energy absorption devices, highlighting the potential of elastomeric materials in this field.

La tesi ha l'obiettivo di sviluppare un assorbitore di energia auxetico fabbricato attraverso stampa 3D, utilizzando un materiale costituito da un filamento di poliuretano termoplastico caricato con gomma di pneumatici riciclata (TPU-WTR). Le strutture auxetiche sono note per la loro grande resistenza all'indentazione, alla frattura e al taglio, oltre ad offrire capacità avanzate di assorbimento di energia. In questa ricerca, vengono studiate diverse configurazioni di una struttura auxetica esachirale, sia sperimentalmente che a livello numerico, con l'obiettivo di sviluppare un paraurti innovativo per veicoli. La scelta del materiale TPU-WTR per la produzione di queste strutture è legata alla volontà di esplorare il potenziale dei materiali riciclati nelle applicazioni per l’assorbimento di energia. L’inclusione della fase riciclata consente un miglioramento delle proprietà meccaniche rispetto al caso del TPU non caricato e rappresenta una soluzione sostenibile per la gestione del fine vita degli pneumatici. In questo contesto, i processi di manifattura additiva, in particolare la tecnologia di Fused Filament Fabrication (FFF), permettono di gestire sia la complessità geometrica della struttura esachirale sia l'impiego di materiali riciclati. Questa tesi affronta la caratterizzazione sperimentale del materiale TPU-WTR e la calibrazione numerica di un modello iper-viscoelastico (HVE) per descriverne il comportamento meccanico, ottimizzato attraverso un Algoritmo Genetico. Parallelamente, lo sviluppo di un modello parametrico delle geometrie esachirali ha consentito la fabbricazione di una delle strutture mediante stampa 3D e l'esecuzione di test d'impatto su di essa. Le simulazioni numeriche dei test di impatto sulle strutture, implementate utilizzando il modello HVE ottimizzato in precedenza, hanno permesso la sua validazione e il confronto tra le prestazioni delle diverse configurazioni esachirali. I risultati mostrano che il modello HVE è accurato a bassa velocità. Inoltre, il materiale TPU-WTR si è rivelato promettente per la realizzazione di dispositivi di assorbimento di energia auxetici, evidenziando il potenziale degli elastomeri in questo settore.