Design and optimization of 3D-printed Nylon PA12 antichiral auxetic fillers for enhanced helmet safety

This thesis aims to design commercially viable helmets incorporating 3D printed antichiral auxetic fillers, manufactured using Nylon PA12 via HP Multi Jet Fusion technology. The motivation stems from the limitations of currently available helmets, which are often ineffective in mitigating energy, particularly from rotational impacts. Two types of helmets are considered as benchmarks: a typical bike helmet lacking a significant structural outer shell, and a sports helmet with an EPS internal filler and an external ABS shell. Validated numerical models are developed in LS-DYNA and employed to investigate the influence of geometrical parameters on the mechanical behaviour of auxetic specimens under both compression and shear. These models are then used to assess how the compression and shear responses of helmet fillers affects linear and rotational injury criteria. A mapping algorithm is employed to adapt the flat auxetic geometry to the curved internal volumes of real helmets, taking into account both manufacturing constraints and performance optimization. Resulting designs are experimentally tested to validate the numerical models, which are then used in a design optimization process. The outcomes of this study highlight both the strengths and limitations of auxetic structures in helmet design, and provide recommendations for improved energy absorption performance.

Questa tesi ha l’obiettivo di progettare caschi commercialmente utilizzabili integrando riempitivi auxetici antichirali stampati in 3D, realizzati in Nylon PA12 tramite tecnologia HP Multi Jet Fusion. La motivazione nasce dalle limitazioni dei caschi attualmente in commercio, spesso poco efficaci nell’assorbimento dell’energia, in particolare in caso di impatti rotazionali. Sono considerati due tipi di caschi come riferimento: un casco da bicicletta privo di una significativa calotta strutturale esterna e un casco sportivo con imbottitura interna in EPS e calotta esterna in ABS. Vengono sviluppati in LS-DYNA e validati modelli numerici utilizzati per analizzare l’influenza dei parametri geometrici sul comportamento meccanico di campioni auxetici sottoposti a compressione e taglio. Tali modelli sono poi impiegati per valutare come le risposte in compressione e taglio dei riempitivi influenzino i criteri di lesione lineari e rotazionali. È stato inoltre impiegato un algoritmo di mappatura per adattare la geometria auxetica piana ai volumi interni curvi dei caschi reali, tenendo conto sia dei vincoli produttivi sia dell’ottimizzazione delle prestazioni. I design ottenuti sono sottoposti a test sperimentali per validare i modelli numerici, successivamente utilizzati in un processo di ottimizzazione progettuale. I risultati di questo studio mettono in luce punti di forza e limiti delle strutture auxetiche nell’ambito della progettazione di caschi, offrendo raccomandazioni per migliorare le prestazioni di assorbimento dell’energia.