Stampa 3D di materiali compositi

Titolo del progetto di ricerca

ADAMUS - Analysis and optimum Design of Additive Manufactured composite strUctures for Space applications

Area scientifica  

Ingegneria Aerospaziale; Ingegneria Meccanica; Scienza e Tecnologia dei Materiali

Coordinatore del progetto

Alfonso Pagani

Abstract

ADAMUS è un programma che mira a stabilire nuove metodologie per l’analisi e il progetto di strutture in composito ottenute per mezzo di processi di produzione additiva.

L’obiettivo primario è sostituire, in un contesto unificato e all’interno di una visione industriale, gli attuali strumenti di simulazione e design al fine di sfruttare appieno tutte le possibilità che derivano da questa nuove tecnologie.

Descrizione del progetto di ricerca

Gli aeroplani di nuova generazione, come l’Airbus A350XB, contengono più del 50% in peso di materiali compositi. Questi materiali sono inoltre utilizzati in maniera estensiva e sistematica nelle applicazioni spaziali, come pannelli solari e piattaforme ottiche. La produzione e l’economia di tali materiali ha bisogno di essere migliorata al fine di incontrare le esigenze dei futuri programmi industriali avanzati. Da questo punto di vista l’automazione è la strada da percorrere.

Oggi, le nuove tecnologie come l’Automatic Fibre Placement (AFP) promettono un uso su larga scala dei compositi e, allo stesso tempo, introducono novità di produzione che permettono soluzioni costruttive più efficaci. Infatti, i processi di AFP hanno portato alla nascita di una nuova classe di materiali compositi conosciuta come Variable Angle Tow (VAT), ossia compositi a fibre curve. Una moderna macchina AFP permette alle fibre in composito di essere posizionate lungo un percorso curvilineo all’interno della matrice polimerica. In questo modo, il progettista può sfruttare la direzionalità del materiale nella maniera più efficiente. Ciononostante, i moderni software di calcolo non sono in grado di predire il comportamento meccanico dei VAT; l’intero processo di design, dall’ottimizzazione alla verifica strutturale, è dunque compromesso.

ADAMUS ha sviluppato nuove metodologie e criteri per il progetto dei VAT. In particolareil progetto è stato dedicato a: 1) sviluppare opportune strategie di ottimizzazione multi-livello basate su algoritmi genetici; 2) implementare modelli strutturali avanzati per la simulazione meccanica dei VAT; 3) studiare il possibile sfruttamento di questi materiali in ambito spaziale. ADAMUS contribuisce a  colmare il divario tra le attuali tecnologie di progetto e le tecniche AFP, fornendo alla comunità ingegneristica nuovi compositi che si prevede cambieranno gli attuali paradigmi di progettazione avanzata.

Impatto sulla società 

Studi preliminari hanno dimostrato che l’uso dei VAT permette di ottenere caratteristiche meccaniche superiori (fino al 40% in termini di rigidezza e resistenza) se confrontati con i classici materiali compositi. Ciononostante, risulta chiaro che l’industrializzazione dei VAT non è banale e richiederà uno sforzo enorme da parte di scienziati e ingegneri al fine di aumentare l’attuale conoscenza sul design, l’analisi e la produzione di questi materiali avanzati. Da questo punto di vista, ADAMUS agisce da precursore, portando al l’attenzione delle compagnie locali e Nazionali sui processi AFP e i materiali VAT. 

Risultati della ricerca

Il progetto ha portato allo sviluppo di nuovi modelli per analizzare la risposta dei materiali sia a livello di singolo strato (mesoscala) che a livello delle singole fibre (microscala), evidenziando le tensioni tridimensionali interne alla struttura e le caratteristiche vibratorie del materiale.E’ stato inoltre possibile usare algoritmi di intelligenza artificiale al fine di minimizzare il peso del materiale mantenendo le caratteristiche meccaniche desiderate.

Tra i principali risultati ricordiamo in particolare:

  • la pubblicazione di 4 articoli scientifici e 7 presentazioni del progetto a conferenze scientifiche
  • organizzazione di un workshop dedicato al tema di ricerca di Adamus alla European Conference on Computational Mechanics
  • ADAMUs ha posto le basi per un successivo progetto, PRE-ECO che ha vinto un importante finanziamento europeo (ERC Starting Grant)

Breve cv del coordinatore

Alfonso Pagani ha un dottorato in dinamica strutturale della City University of London  e un dottorato in fluidodinamica del Politecnico di Torino, dove attualmente è ricercatore presso il DIMEAS -Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale. Le sue attuali attività di ricerca riguardano principalmente lo sviluppo di modelli avanzati per le strutture aerospaziali; compositi; metodi numerici per la meccanica dei solidi; nonlinearità geometriche e post-buckling. E’ autore e co-autore di circa 70 lavori scientifici, tra cui 40 articoli su riviste Internazionali.

Gruppo di lavoro @Polito

Erasmo Carrera, Professore ordinario, DIMEAS

Enrico Zappino, Ricercatore, DIMEAS

Andrea Viglietti, Assegnista di ricerca, DIMEAS

Alberto G. Fordilino, Dottorando, DIMEAS

Nasim Fellahi, Dottorando, DIMEAS

Partenariato

Partner accademico

École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers - ENSAM, Francia

Partner non accademico

Thales Alenia Space Italy

  • Budget: 135.000 euro
  • Data inizio: 15/09/2017
  • Data fine: 14/09/2019