Riassunto analitico
Il seguente lavoro di tesi trae origine dalla partecipazione alle attività svolte presso il laboratorio di prove meccaniche dell’Università ICAM di Tolosa. Lo studio verte sull’individuazione delle proprietà meccaniche dei materiali metallici di tipo Lattice, prodotti con la tecnologia Additive Manufacturing (AM). Più in dettaglio, questo lavoro è finalizzato ad analizzare questo tipo di strutture in campo lineare elastico sia con l’ausilio di modelli agli elementi finiti (FEA) sia di modelli analitici, al fine di ovviare alla complessità di modellazione e di ingenti risorse computazionali necessarie. L'implementazione un materiale solido 3D ortotropo equivalente si è rivelata una strategia valida per lo studio di tali strutture in ambito statico e dinamico, permettendo di individuare un accordo promettente con i risultati sperimentali.
Per poter identificare le proprietà meccaniche di queste strutture sono stati seguiti tre differenti approcci, quali: lo studio di modelli tramite l’analisi agli elementi finiti di celle costituite da elementi monodimensionali, l’identificazione delle espressioni analitiche dei moduli di rigidezza utilizzando la teoria della trave e, infine, l’analisi FEM di modelli costituiti da celle ad elementi tridimensionali.
Per verificare la corretta previsione del comportamento della struttura lattice da parte delle strategie precedentemente illustrate, è stato effettuato un confronto con i dati ottenuti sperimentalmente tramite test di flessione a quattro punti su provini costituiti da una forma a ‘sandwich’, caratterizzati da una zona di tipo Lattice a sua volta interposta fra due lastre. Questo è stato possibile anche grazie all'utilizzo della Digital Image Correlation (DIC), un sistema che tramite l’acquisizione di immagini fornisce un modello di punti, ad ognuno dei quali è associato a uno spostamento.
Un ulteriore confronto con i dati sperimentali trae origine da test dinamici effettuati su un provino avente una differente tipologia di struttura Lattice, anch'essa oggetto di studio. I dati ottenuti tramite eccitazione sinusoidale del provino sono stati confrontati con quelli inerenti all'analisi modale effettuata su un modello equivalente, ottentuto con le medesima strategia di modellazione precedentemente descritta, con l'intento di semplificare notevolmente ciò che intrinsecamente caratterizza tali strutture, ovvero complessità di modellazione e costo computazionale.
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Abstract
The following thesis work is the result of the collaboration with the mechanical testing laboratory of the ICAM University of Toulouse. The study concerns the identification of the mechanical properties of Lattice type metallic materials, produced with Additive Manufacturing (AM) technology. In more detail, this work is aimed at analyzing this type of structures in a linear elastic field using both finite element models (FEA) and analytical models, in order to overcome the complexity of modeling and large computational resources required. The implementation an equivalent orthotropic 3D solid material proved to be a viable strategy for the study of such structures in the static and dynamic domains, allowing to identify a promising agreement with the experimental results.
In order to identify the mechanical properties of these structures, three different approaches have been performed: the study of models by finite element analysis of cells consisting of one-dimensional elements, the identification of analytical expressions of stiffness modulus using the theory of the beam and, finally, the FEM analysis of models consisting of cells with three-dimensional elements.
In order to verify the correct prediction of the behavior of the Lattice structure by the previously illustrated strategies, a comparison was made with the data obtained experimentally by means of four-point bending tests on specimens consisting of a 'sandwich' shape, characterized by a zone of Lattice type in turn interposed between two plates. This was made possible thanks to the use of Digital Image Correlation (DIC), a system that through image acquisition provides a model of points, each of which is associated with a displacement.
A further comparison with the experimental data originates from dynamic tests carried out on a specimen having a different type of Lattice structure, which was also the object of study. The data obtained by sinusoidal excitation of the specimen were compared with those inherent in the modal analysis performed on an equivalent model, obtained with the same modeling strategy previously described, with the intent to greatly simplify what intrinsically characterizes such structures, i.e. modeling complexity and computational cost.
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