Design and analysis of a lattice unit cell inspired by sea urchin structure

Lattice structures or cellular materials have gained significant attention in engineering research for addressing both daily and complex challenges in various industries. These structures provide adaptable mechanical properties to lightweight objects with intricate geometries. The recent advancements in additive manufacturing technologies have made it possible to respond to market needs, enabling the fabrication of geometrically complex structures. The wide range of lattice structures enables the identification of different types of cellular materials. Lattice structures are especially prevalent in the biological world, particularly in animal skeletons that often have to meet requirements for lightness but also robustness. This thesis’ aim is to analyze sea urchin skeletal structure to use it as an inspiration to design a lattice unit cell. Its particular biological model confers unique mechanical properties, already exploited in biomimetic approaches. This analysis focuses on the tubercle, its porosity and the distribution of mechanical stresses. Additionally, to extract key design principles, structural characteristics of the plates and skeletal trabeculae geometries were examined. The design process involved sketching possible unit cell configurations inspired by the sea urchin's geometric and mechanical properties. Then, the sea urchin plates were tested under compression to evaluate their load capacity, failure mechanisms, and elastic modulus. These results provided the basis for developing a detailed analysis of the behavior of internal tubercle geometries. In particular in different types of plates were characterized by different geometries and different elastic modulus. The final design of the unit cell incorporates tunnels with different orientation geometries, localized stress distribution, functional porosity, and configurations that emulate sea urchin adaptation strategies improving the mechanical properties of the structure. This study conclusion proposes the lattice structure for potential applications in protective devices, such as crash pads, combining the lightweight and high-performance materials to improve shock absorption. The study of the sea urchin's skeletal structure opens up the possibility for many biomimetic studies related to innovations in bioinspired cellular materials.

Le strutture reticolari o materiali cellulari hanno acquisito notevole attenzione nell’ambito ingegneristico, soprattutto per affrontare sfide quotidiane e complesse nei vari settori industriali. Queste strutture hanno geometrie intricate che forniscono proprietà meccaniche garantendo allo stesso tempo leggerezza. I recenti progressi nei processi di fabbricazione additiva hanno permesso di soddisfare adeguatamente le esigenze del mercato, consentendo la realizzazione di strutture geometricamente complesse. L'ampia gamma di strutture reticolari consente di identificare diversi tipi di materiali cellulari. Le strutture reticolari sono molto diffuse soprattutto nel mondo biologico, in particolare negli scheletri degli animali che spesso devono rispondere a requisiti di leggerezza ma anche robustezza. Tra le differenti strategie morfologiche di adattamento utilizzate in natura quella della teca del riccio di mare in particolare garantisce una grande resistenza comparata al suo peso. L'obiettivo di questa tesi è quella di progettare una cella reticolare ispirata alla struttura del riccio di mare. Il suo particolare modello biologico conferisce proprietà meccaniche uniche, utilizzate negli approcci biomimetici. Questa analisi si concentra sul tubercolo, sulla sua porosità e sulla distribuzione delle sollecitazioni meccaniche. Inoltre, per estrarre i principi chiave della progettazione, sono state esaminate le caratteristiche strutturali delle piastre e la composizione interna del tubercolo. Il processo di progettazione ha comportato lo studio di possibili configurazioni di celle unitarie ispirate alle proprietà geometriche e meccaniche del riccio di mare. Successivamente, le piastre di riccio sono state sottoposte a test di compressione per valutarne la capacità di carico, i meccanismi di rottura e il modulo elastico. Questi risultati hanno fornito la base per sviluppare un'analisi dettagliata del comportamento delle geometrie dei tubercoli interni. In particolare, i diversi tipi di piastre sono caratterizzati da geometrie diverse e da un diverso modulo elastico. Il progetto finale della cella unitaria utilizza diverse strategie di adattamento del riccio di mare, come la differenza di porosità, la distribuzione di forze localizzate migliorando le proprietà meccaniche della struttura. Questo studio propone una nuova struttura reticolare per potenziali applicazioni in dispositivi di protezione, come i crash pad, combinando materiali leggeri e ad alte prestazioni per migliorare l'assorbimento degli urti. Lo studio della struttura del riccio di mare apre la possibilità di molti studi biomimetici legati alle innovazioni nei materiali cellulari bioispirati.