Sviluppo di una metodologia di ottimizzazione topologica di un mandrino idrosolubile stampato in 3D per materiali compositi

This master's thesis focuses on the development of a topological optimization method for a water-soluble mandrel used in the manufacturing of complex-shaped composite components. The proposed method follows a four-step workflow: 1. FEM Analysis: Utilizing finite element analysis (FEM) to understand the structural behavior of the component. 2. Geometry Optimization: Optimizing the mandrel geometry based on the FEM analysis results. 3. Manufacturing: Producing the composite part using the optimized mandrel. 4. Experimentation and Validation: Testing and validating the methodology through experimental trials. The main innovation compared to the state of the art lies in the use of mandrels patented by Addyx, which significantly improve the lamination process of composite parts in terms of weight reduction and production time, thereby increasing productivity. The objective of the thesis is to verify that the ribbed lamination process results in a robust final component, ensuring proper adhesion of the ribs to the inner skin of the carbon fiber component. Additionally, the aim is to demonstrate that the optimization method leads to lighter components, locally reinforced with ribs designed through FEM, and stronger components with a higher breaking load than non-ribbed mandrels. The results show that the ribs adhere properly to the inner layer of the component without premature failure and that the topological optimization of the water-soluble mandrel improves the mechanical properties, confirming the effectiveness of the proposed method. Experimental validation revealed a significant increase in breaking load, demonstrating the superiority of the optimized mandrels compared to traditional ones. This work represents a significant advancement in the field of composite manufacturing, offering innovative solutions to enhance both productivity and the performance of components.

La presente tesi di laurea magistrale si concentra sullo sviluppo di un metodo di ottimizzazione topologica per un mandrino idrosolubile, utilizzato nella fabbricazione di manufatti in composito di forma complessa. Il metodo proposto segue un flusso di lavoro articolato in quattro fasi principali: 1. Analisi FEM: Utilizzo dell’analisi agli elementi finiti (FEM) per comprendere il comportamento strutturale del componente. 2. Ottimizzazione della geometria: Ottimizzazione della geometria del mandrino basata sui risultati dell’analisi FEM. 3. Realizzazione del manufatto: Produzione del manufatto in composito utilizzando il mandrino ottimizzato. 4. Sperimentazione e validazione: Test e validazione della metodologia attraverso prove sperimentali. La novità principale rispetto allo stato dell’arte risiede nell’impiego di mandrini brevettati dall’azienda Addyx, che migliorano significativamente il processo di laminazione dei manufatti in composito in termini di leggerezza e tempo di realizzazione, aumentando così la produttività. L’obiettivo della tesi è verificare che il processo di laminazione delle nervature porti ad un componente finale robusto, ovvero, verificare la corretta adesione delle nervature allo skin interno del componente in fibra di carbonio. Inoltre, si vuole verificare che il metodo di ottimizzazione consenta di ottenere componenti più leggeri, rinforzati localmente con nervature studiate tramite FEM, e più resistenti, con un carico di rottura superiore rispetto ai mandrini non nervati. I risultati ottenuti dimostrano che le nervature riescono ad aderire correttamente allo strato interno del componente, senza subire cedimenti prematuri, e che l’ottimizzazione topologica del mandrino idrosolubile porta a un miglioramento delle proprietà meccaniche, confermando l’efficacia del metodo proposto. La validazione sperimentale ha evidenziato un incremento significativo del carico di rottura, attestando la superiorità dei mandrini ottimizzati rispetto a quelli tradizionali. Questo lavoro rappresenta un passo avanti nel campo della fabbricazione di manufatti in composito, offrendo soluzioni innovative per migliorare la produttività e le prestazioni dei componenti.