ANALISI TERMOMECCANICA DI STRUTTURE LATTICE METALLICHE

Cellular lattice structures allow property combinations that bulk material cannot achieve, and additive manufacturing has made their geometry practically realisable. The choice of unit-cell topology is therefore a design variable whose effect on thermomechanical behaviour needs to be quantified. This work compares two topologies belonging to distinct families: the BCC cell, made of struts arranged along the body diagonals, and the sheet-based gyroid cell, a triply periodic minimal surface. The comparison is carried out at equal material content: both cells, inscribed in a cubic envelope of 4 mm side and made of AlSi10Mg, have relative densities of 0.1906 and 0.1895, differing by 0.57%. A sequentially coupled thermomechanical finite element analysis was performed on both geometries, with a 175 K temperature difference imposed between the bottom and top faces, adiabatic lateral surfaces and a fixed support at the base. The resulting stress state is therefore entirely due to constrained thermal expansion. An independent mesh convergence study was carried out for each configuration, and the reference discretisations were selected so as to yield an equivalent element density per unit volume of solid. The gyroid configuration transfers 43.4% more thermal power at equal mass, with a conductive efficiency of 0.647 against 0.448. The advantage is not attributable to its larger specific surface area, which is inactive in the absence of convective exchange, but to the continuity of the conductive path along the gradient direction. That same continuity, however, produces a higher degree of internal self-constraint: maximum displacement decreases by 5.4% while mean stress increases by 28.6%. Both configurations remain well within the elastic range. The strength assessment was based on the 99th percentile of the nodal stress distribution rather than on the peak value, which does not converge, being induced by the singularity arising from the idealised constraint at the fixed edge.

Le strutture cellulari reticolari consentono di ottenere combinazioni di proprietà non conseguibili con il materiale massivo, e la fabbricazione additiva ne rende oggi realizzabile la geometria. La scelta della topologia della cella elementare costituisce pertanto una variabile di progetto, i cui effetti sul comportamento termomeccanico richiedono di essere quantificati. Il lavoro pone a confronto due topologie appartenenti a famiglie distinte: la cella BCC, costituita da puntoni disposti lungo le diagonali di corpo, e la cella gyroid nella variante a parete, appartenente alle superfici triplamente periodiche minime. Il confronto è condotto a parità di materiale impiegato: le due celle, inscritte in un volume di inviluppo cubico di lato 4 mm e realizzate in AlSi10Mg, presentano densità relativa pari a 0,1906 e 0,1895, con uno scarto dello 0,57%. Su entrambe le geometrie è stata condotta un'analisi termomeccanica agli elementi finiti in formulazione sequenziale disaccoppiata, con un salto termico di 175 K imposto fra le facce inferiore e superiore, superfici laterali adiabatiche e incastro alla base. Lo stato di tensione è quindi interamente riconducibile alla dilatazione termica impedita. Per ciascuna configurazione è stato eseguito uno studio di convergenza indipendente, adottando quali riferimento due discretizzazioni di densità elementare equivalente. La configurazione gyroid trasmette il 43,4% di potenza termica in più a parità di massa, con un'efficienza conduttiva di 0,647 contro 0,448. Il vantaggio non è riconducibile alla maggiore superficie specifica, inerte in assenza di scambio convettivo, bensì alla continuità del percorso conduttivo lungo la direzione del gradiente. La stessa continuità comporta però un maggiore auto-vincolo interno: lo spostamento massimo si riduce del 5,4% mentre la tensione media aumenta del 28,6%. Entrambe le configurazioni permangono ampiamente in campo elastico. La verifica di resistenza è stata condotta sul novantanovesimo percentile della distribuzione nodale anziché sul valore di picco, che non converge in quanto indotto dalla singolarità del vincolo ideale sullo spigolo vincolato.