Development of Innovative Lightweight Metamaterials for Deformation Energy Absorption [Sviluppo di Metamateriali Innovativi Leggeri per l’Assorbimento di Energia da Deformazione]

Architected materials inspired by Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS) have recently gained significant attention due to their precisely defined mathematical geometries and exceptional physical and mechanical properties. These architected materials, often featuring a hierarchical structure, can be effectively used in the design of devices requiring high ductility and superior energy absorption capabilities. This thesis investigates the influence of unit cell geometry on both the mechanical and dynamic behavior of additive manufactured lattice structures based on TPMS. In particular, it focuses on the application of graded porosity to optimize structural performance through a combination of finite element analysis and dynamic behavior exploration of TPMS structures, with an emphasis on the Schwarz Primitive unit cell. The research contributes to the emerging field of functionally graded materials by offering novel design guidelines for enhancing the performance of TPMS-based structures. Geometric and elastic properties of periodic scaffolds are determined via homogenization process. Through numerical simulations, the density and linear elastic tensor of the unit cells are obtained, enabling the analysis of hierarchical designs through homogenization. Furthermore, the dynamic behavior of the Schwarz Primitive unit cell is examined by obtaining the dispersion relation via Floquet periodic boundary conditions. The presence of a bandgap is validated through numerical simulations, underscoring the potential of these structures for engineering applications.

I metamateriali ispirati alle Superfici Minimali Triperiodiche (TPMS) hanno recentemente attirato una significativa attenzione grazie alle loro geometrie matematiche precisamente definite e alle eccezionali proprietà fisiche e meccaniche. Questi materiali, spesso caratterizzati da una struttura gerarchica, possono essere efficacemente utilizzati nella progettazione di dispositivi che richiedono alta duttilità e superiori capacità di assorbimento dell'energia. Questa tesi indaga l'influenza della geometria della cella unitaria sia sul comportamento meccanico sia su quello dinamico delle strutture reticolari realizzate tramite manifattura additiva basate sulle TPMS. In particolare, si concentra sull'applicazione della porosità graduata per ottimizzare le prestazioni strutturali attraverso una combinazione di analisi agli elementi finiti e studio del comportamento dinamico delle strutture TPMS, con un'enfasi sulla cella unitaria Schwarz Primitive. La ricerca contribuisce al campo emergente dei materiali funzionalmente graduati offrendo nuove linee guida progettuali per migliorare le prestazioni delle strutture basate sulle TPMS. Le proprietà geometriche ed elastiche dei reticoli periodici sono determinate tramite un processo di omogeneizzazione. Attraverso simulazioni numeriche, sono ottenute la densità e il tensore elastico lineare delle celle unitarie, permettendo l'analisi di progetti gerarchici mediante omogeneizzazione. Inoltre, il comportamento dinamico della cella unitaria Schwarz Primitive è esaminato ottenendo la relazione di dispersione tramite condizioni al contorno periodiche di Floquet. La presenza di una bandgap è convalidata tramite simulazioni numeriche, sottolineando il potenziale di queste strutture per applicazioni ingegneristiche.