Riassunto analitico
Negli ultimi anni, le aziende che producono veicoli terrestri e aerei si sono concentrate sul loro efficientamento. Questo obiettivo è raggiunto migliorando l'efficienza del motore e degli organi meccanici ma anche grazie ad un attenta ricerca della leggerezza. Infatti sono sempre di più le applicazioni di componenti realizzate in materiale plastico con scopi strutturali magari usando i cosiddetti tecnopolimeri come l'Ultem 9085. Un altra tecnologia che sta prendendo piede nell'industria è la manifattura additiva (AM), detta anche stampa 3D. Nata come metodo di prototipazione rapida oggi promette anche la produzione di pezzi strutturali che, data la maggior libertà nella costruzione delle forme, presentano una migliore ottimizzazione, risparmiando peso. Un terzo metodo, reso possibile dalle tecnologie AM, per conseguire l'alleggerimento dei componenti sono le cosidette strutture lattice che inserti all'interno di un pezzo permettono di andare a risparmiare peso.
Questo studio si propone di analizzare in modo integrato le tre tecnologie descritte in precedenza, con l'obiettivo finale di comprendere il comportamento a fatica delle strutture lattice, in particolare delle giroidi, realizzate in Ultem 9085. Considerando la limitata letteratura disponibile riguardo alla fatica a flessione rotante di tali strutture, è stata pianificata una campagna di ricerca che prevede una fase numerica seguita da una fase sperimentale, utilizzando questo tipo di prova.
Inizialmente, sono state esaminate le normative pertinenti per sviluppare una famiglia di provini, caratterizzati da una porzione centrale di lattice. Utilizzando questa geometria generica, sono stati realizzati diversi campioni con giroidi di dimensioni variabili. Seguendo le normative vigenti, è stata delineata una campagna sperimentale mirata a raccogliere dati sulla capacità dei provini di resistere a cicli di carico e scarico.
Successivamente, sono state condotte simulazioni virtuali utilizzando solutori agli elementi finiti, partendo da un'analisi statica e proseguendo con l'uso di Hyperlife per valutare la vita a fatica dei campioni. I provini, realizzati tramite tecnologia FDM, saranno poi sottoposti a prove su una macchina per fatica a flessione rotante. Infine si esegue un confronto tra i risultati delle due modalità di prova e così facendo ricavare una legge che permette di determinare la capacità di resistere a fatica a seconda del carico applicato.
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Abstract
In recent years, companies producing terrestrial and aerial vehicles have focused on improving their efficiency. This goal is achieved by enhancing engine performance and mechanical components, as well as through careful research into lightweight materials. Indeed, there is an increasing number of applications for components made from plastic materials for structural purposes, often using so-called technopolymers like Ultem 9085. Another technology gaining traction in the industry is additive manufacturing (AM), also known as 3D printing. Originally developed as a rapid prototyping method, it now also promises the production of structural parts that, due to greater freedom in shape construction, offer better optimization and weight savings. A third method, made possible by AM technologies, for achieving weight reduction in components is the use of lattice structures, which, when incorporated into a part, allow for weight savings.
This study aims to integrate the analysis of the three technologies described above, with the ultimate goal of understanding the fatigue behavior of lattice structures, particularly gyroid structures made from Ultem 9085. Given the limited literature available on the fatigue of rotating bending in such structures, a research campaign has been planned that includes a numerical phase followed by an experimental phase, utilizing this type of testing.
Initially, relevant standards were examined to develop a family of specimens characterized by a central lattice portion. Using this generic geometry, several samples with varying gyroid sizes were produced. Following the current regulations, an experimental campaign was outlined to collect data on the specimens' ability to withstand loading and unloading cycles.
Subsequently, virtual simulations were conducted using finite element solvers, starting with a static analysis and continuing with the use of Hyperlife to assess the fatigue life of the samples. The specimens, produced using FDM technology, will then be subjected to tests on a rotating bending fatigue machine. Finally, a comparison will be made between the results of the two testing methods, allowing for the derivation of a law that determines the capacity to withstand fatigue based on the applied load.
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