Studio, modellazione e caratterizzazione di strutture reticolari innovative e origami-based per smorzamento di urti

Space exploration and the world of motorsport have always placed a particular regard toward achieving high performance achieved through the use of as little material as possible in order to have the least mass in motion. This translates in the aerospace environment into being able to maximize the load carrying payload or use less fuel, while in motorsport it determines the lightening of vehicles in order to ensure optimized performance. To achieve these results, researchers and engineers around the world have focused over the past decade on metamaterials. The term metamaterial refers to all those geometrically engineered that enable the achievement of properties not attainable by common materials, of use in the mechanical industry or found in nature. Such geometric structures owe their properties to the characteristic morphology of the cellular pattern of construction and its hierarchical scale, rather than to the chemical composition of the elements from which they are made. The paper is part of a PNRR project involving the analysis and study of lattice and cellular structures for shock absorption, made in AISI 316L through additive printing processes using LPBF technology. In the specific, such structures will be used in the aerospace industry to protect against shocks and stresses of various kinds to equipment sent into orbit or as the high performance automotive bumpers. After rigorous bibliographic research on metamaterials for energy absorption, certain base cells are selected to design cellular patterns in Siemens NX. The design step includes the parametrization of the base cell which allows to rapidly change the morphological structure of the cell by a simple variation of the parameters due to project needs. The CAD models are designed to satisfy engineering problems involved in using LPBF technology. Firstly, CAD models obtained as an extrusion of a plane section made of base cell sketch pattern, have been realized. These CAD models use a chiral and S cell. Secondly, CAD models based on a three-dimensional cell (called miura cell) have been realized. Two type of metamaterials base on miura cell have been designed. The first one is based on a 3D pattern derives from Shenk and Guest’s miura base cell. The second one is based on a parametrized miura cell which is repeated in space with a new and innovative method to create cylindrical pattern. To assure the best performance, two versions of cylindrical pattern based on miura cell have been designed. After the design step, all patterns have been tested on Ansys to analyse their behaviour during crashing and choose the sample which have the best performance in terms of energy absorbed and Stress-Strain curve.

L’esplorazione spaziale e il mondo del motorsport da sempre hanno posto un particolare riguardo verso l’ottenimento di performance elevate raggiunte attraverso l’impiego di meno materiale possibile al fine di avere la minore massa in movimento. Ciò si traduce in ambiente aerospaziale nel poter massimizzare il trasporto di carico pagante o utilizzare un minor quantitativo di carburate, mentre nel motorsport determina l’alleggerimento dei veicoli per poter assicurare una ottimizzazione delle performance. Per ottenere questi risultati, i ricercatori e gli ingegneri di tutto il mondo si sono concentrati, nell’ultimo decennio, sui metamateriali. Con il termine metamateriale si intendono tutte quelle architetture geometriche ingegnerizzate che permettono il conseguimento di proprietà non raggiungibili da parte dei comuni materiali, di impiego nell’industria meccanica o presenti in natura. Tali strutture geometriche devono le loro proprietà alla morfologia caratteristica del pattern cellulare di costruzione e alla sua scala gerarchica, piuttosto che alla composizione chimica degli elementi con cui vengono prodotti. L’elaborato si inserisce all’interno di un progetto del PNRR che prevede l’analisi e lo studio di strutture reticolari e cellulari per l’assorbimento di urti, realizzate in AISI 316L attraverso i processi di stampa additiva con tecnologia LPBF. Nello specifico, tali strutture saranno utilizzate nel settore aerospaziale per proteggere da urti e sollecitazioni di varia natura le attrezzature inviate in orbita oppure come bumper di autovetture ad alta prestazione. Dopo un’attenta ricerca bibliografica sui metamateriali indicati per l’assorbimento di urti, sono state selezionate delle celle base con cui costruire i pattern cellulari. La progettazione di questi è stata svolta sul software di modellazione Siemens NX, andando a parametrizzare la cella base in modo da poterne variare facilmente le caratteristiche morfologiche in funzione dei parametri di progetto necessari. I provini sono stati opportunamente ingegnerizzati per poter essere realizzati con tecnologia LPBF. Sono stati realizzati per primi dei pattern di celle ottenuti per estrusione di una sezione piana ottenuta come ripetizione planare di una cella base. Questi provini sono quelli di cui si ha un maggior riscontro in letteratura: nello specifico, sono stati realizzati dei pattern di celle chirali e celle ad S. Dopodiché si è passati all’analisi e alla parametrizzazione di provini basati su una cella tridimensionale chiamata cella base miura. In particolare, sono state create due tipologie di metamateriali a cella base miura. La prima tipologia replica il pattern a celle base miura di Shenk e Guest: questo è stato costruito parametrizzando due celle base miura che condividono una medesima cresta che sono state poi ripetute nello spazio per ottenere un arrangement tridimensionale. La seconda tipologia parte da una cella miura parametrizza e basandosi su un metodo di modellazione completamente nuovo e innovativo (applicabile anche a tutte le altre tipologie di celle), ha permesso di ottenere un pattern cilindrico. In particolare, sono state create più versioni del pattern cilindrico per ottenere le migliori performance possibili. Una volta modellate tutti i pattern basati su una certa tipologia di cella base, questi sono stati simulati su Ansys per verificare la loro risposta ad un carico dinamico ed eleggere il provino che presenta le migliori performance in termini di energia specifica assorbita e storia della curva Stress-Strain.