Development of a novel and customizable energy-returning unit cell for 3D printed running shoe midsoles

The running shoe industry increasingly demands lightweight midsoles capable of combining cushioning, mechanical support, and energy return. While traditional foam technologies dominate the market, lattice-based architectures enabled by additive manufacturing offer new opportunities for mechanical tuning. However, most mechanical metamaterials have been studied for impact absorption rather than for controlled elastic energy restitution. This thesis addresses this gap by developing a custom lattice unit cell specifically optimized for energy return in 3D-printed daily trainer running midsoles. The work began with the mechanical characterization of four thermoplastic filaments suitable for the Fused Deposition Modeling (FDM) printing technology, to identify materials capable of withstanding cyclic compression without permanent deformation. Thermoplastic polyurethane-based materials were selected for further development. To drive the design activity, a parametric computational workflow has been implemented, including a Design of Experiments to explore the range of potential unit cell geometries and material combinations. Homogenization-based methods were employed to estimate effective stiffness and enable efficient screening of candidate architectures. Based on this design framework, a novel unit cell, the Squared Closed Double (SCD), was developed, inspired by the behaviour of the so-called Compliant Constant-Force Mechanisms. By varying voxel size, wall thickness, and wall inclination angle, the geometry was tuned to control stiffness, buckling behavior, and energy storage at fixed relative density. Selected configurations were manufactured via FDM and tested under quasi-static cyclic compression. Stabilized hysteresis loops were analyzed to quantify absorbed and returned energy. Experimental results show that, at equal relative density, the SCD unit cell delivers a higher absolute energy return than the Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) Schwarz unit cell benchmark while satisfying stiffness constraints representative of running conditions. The architecture exhibits a controlled plateau-like response and full elastic recovery under repeated loading. This study demonstrates that the novel, geometry-driven lattice architecture can represent a viable, tunable alternative to conventional foam midsoles, with promising potential for energy-return optimization in future 3D-printed running footwear.

Il settore delle scarpe da corsa richiede sempre più spesso intersuole leggere in grado di combinare ammortizzazione, supporto meccanico e ritorno di energia. Mentre le tecnologie tradizionali a base di schiuma dominano il mercato, i metamateriali meccanici resi possibili dalla manifattura additiva offrono nuove opportunità per ottimizzare il comportamento meccanico. Tuttavia, la maggior parte di tali metamateriali ad oggi disponibili è stata studiata per l'assorbimento degli urti piuttosto che per la restituzione controllata dell'energia elastica. La tesi affronta tale lacuna sviluppando una cella unitaria reticolare personalizzata, ottimizzata per il ritorno di energia nelle intersuole delle scarpe da corsa stampate in 3D. Lo studio è iniziato con la caratterizzazione meccanica di quattro filamenti termoplastici, adatti alla stampa 3D a filamento, al fine di identificare materiali in grado di sostenere compressioni cicliche ripetute senza deformazioni permanenti. Per l'ulteriore sviluppo sono stati selezionati materiali a base di poliuretano termoplastico (TPU). Per lo sviluppo della nuova struttura è stato implementato un flusso di lavoro computazionale parametrico che include un Design of Experiments per esplorare diverse geometrie di celle unitarie e varie combinazioni di materiali. E' stato applicato il metodo di omogeneizzazione per stimare la rigidità effettiva e consentire uno screening efficiente delle strutture sviluppate. In questo contesto, è stata ideata una nuova cella unitaria, definita Squared Closed Double (SCD), ispirata al principio di funzionamento dei Compliant Constant Force Mechanisms (CCMFs). Variando le dimensioni dei voxel, lo spessore e l'angolo di inclinazione delle pareti, la geometria è stata ottimizzata per controllare la rigidità, l'instabilità e l'accumulo di energia a densità relativa fissa. Le configurazioni selezionate sono state prototipate e testate a compressione ciclica quasi statica. Sono stati analizzati i cicli di isteresi stabilizzati per quantificare l'energia assorbita e quella restituita. I risultati sperimentali mostrano che, a parità di densità relativa, la cella SCD offre un ritorno energetico assoluto superiore rispetto alla cella TPMS (Triply Periodic Minimal Surface) Schwarz, soddisfacendo al contempo i vincoli di rigidità rappresentativi delle condizioni di corsa. L'architettura mostra una risposta controllata di tipo plateau e un recupero elastico completo sotto carico ripetuto. Questo studio dimostra quindi come la nuova cella e la relativa struttura possano rappresentare un'alternativa valida e personalizzabile rispetto alle tradizionali intersuole in schiuma, con un potenziale promettente per l'ottimizzazione del ritorno di energia nelle future calzature da corsa stampate in 3D.