Prototipazione virtuale di una pinza freno plug-and-play per un'automobile sportiva da produrre tramite additive manufacturing

This thesis focuses on the design and numerical validation of a brake caliper intended for use on a high-performance road vehicle, specifically the BMW M4 G82 series, manufactured via Additive Manufacturing (AM) using the Laser Powder Bed Fusion (LPBF) process (obviously with metallic material). The caliper has been designed to function as a plug-and-play component for the BMW M4 G82 equipped with the M Carbon Ceramic Brakes package, which features a Brembo carbon-ceramic braking system (CCB): the caliper is therefore fully compatible with the vehicle's OE (original equipment) components. It should be noted that, due to the unavailability of the wheel carrier’s geometry data, the caliper currently requires a specific adapter to be considered truly plug-and-play. The virtual prototyping of the entire component has been developed through: 1. Identification of the minimum performance requirements and the weaknesses of the stock calipers to be improved; 2. Evaluation of usable printing technologies, related usable materials and their respective application advantages; 3. Identification of geometric constraints for installation without requiring modifications to other components; 4. CAD modeling aimed at functional integration with the existing braking system, weight reduction, and increased thermal exchange surface; 5. Iterative process of: - Verification of structural performance through numerical simulations and identification of critical points under real operating conditions; - CAD model refinement aimed at mitigating the identified criticalities. Lastly, this study aims to lay the groundwork for future developments involving topology optimization, generative design, and the physical realization of the component, in order to compare the performance benefits offered by different design and manufacturing approaches.

La presente tesi si concentra sulla progettazione e validazione numerica di una pinza freno per applicazione su un'automobile stradale sportiva, quale la BMW M4 serie G82, che possa essere realizzata attraverso additive manufacturing (ovviamente in materiale metallico) mediante Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Tale pinza è stata progettata in modo tale da risultare un componente plug-and-play per la BMW M4 serie G82 dotata di pacchetto M Carbon Ceramic Brakes, ossia con un impianto frenante carbo-ceramico Brembo CCB: la pinza progettata è, dunque, interamente compatibile con la componentistica OE (original equipment) dell’autoveicolo. Occorre precisare che, a causa della mancanza dei dati riguardanti la geometria del porta-mozzo della ruota, la pinza risulta necessitare di un adattatore specifico per essere effettivamente considerabile plug-and-play. Il lavoro di prototipazione virtuale dell’intero componente è stato sviluppato attraverso: 1. l’identificazione delle prestazioni minime da rispettare e delle caratteristiche delle pinze originali da migliorare; 2. la valutazione delle possibili tecnologie di stampa, dei relativi materiali utilizzabili e dei vantaggi applicativi di ciascuna possibilità; 3. l’identificazione dei vincoli geometrici per l’installazione senza necessità di modifiche negli altri componenti; 4. la modellazione CAD orientata all’integrazione funzionale con l’impianto frenante esistente, alla riduzione dei pesi ed all’aumento della superficie di scambio termico; 5. l’iterazione delle fasi di: - verifica delle prestazioni strutturali tramite modelli numerici ed individuazione dei punti critici in caso di condizioni operative reali; - modifica del modello CAD orientata all’attenuazione delle criticità. Infine, occorre precisare che questo studio vuole gettare le basi per futuri sviluppi orientati verso l’ottimizzazione topologica, la progettazione generativa e la realizzazione fisica del componente, per poter confrontare i benefici prestazionali derivanti da differenti approcci realizzativi.