Fracture Toughness Assessment using Digital Image Correlation in Additive Manufacturing

Il nucleo principale di questo lavoro è l'implementazione di un algoritmo numerico per misurare la resistenza a frattura di un provino a flessione, utilizzando la Digital Image Correlation (DIC), e la sua applicazione a provini prodotti tramite una tecnica di stampa ottimizzata del tipo Fused Deposition Modeling (FDM). Al fine di migliorare la resistenza meccanica dei campioni in ABS stampati con una deposizione convenzionale del filamento, questo innovativo metodo di stampa suggerisce una configurazione strutturale innovativa in cui il filamento polimerico viene posizionato seguendo le direzioni principali di sollecitazione all'interno del componente, precedentemente calcolate tramite simulazione FEM. Gli obiettivi della ricerca sono sia l'individuazione di un metodo alternativo per calcolare il fattore di intensificazione delgli sforzi (SIF), utilizzando un approccio computazionale di tipo Monte Carlo, sia la caratterizzazione dei miglioramenti meccanici garantiti dalla deposizione ottimizzata del filamento. Lo studio è stato condotto a partire dall'analisi degli esiti di prove di flessione su tre punti effettuate precedentemente ed attraverso il confronto dei risultati dei due tipi di campioni. I provini di flessione utilizzati sono simili a Single Edge Notched Beam (SENB) e sono stati stampati e testati per studiare l'influenza della deposizione del filo sulla tenacità alla frattura in condizioni di pura trazione. L'analisi DIC è stata ampiamente utilizzata per studiare i campi degli spostamenti intorno all'apice della cricca, per valutare le caratteristiche della crescita della cricca e per rilevare l'inizio della sua propagazione. I dati raccolti erano necessari per l'implementazione di un algoritmo computazionale Monte Carlo che è stato impiegato per calcolare il SIF critico tramite il fitting del campo degli spostamenti misurato dalla DIC con il modello analitico di Williams-Westergaard. E' stato dunque possibile valutare l'aumento della resistenza alla frattura: il confronto tra provini ottimizzati e convenzionali mostra un chiaro miglioramento della resistenza ottenuto con la nuova configurazione, che porta ad un guadagno in termini di KIc fino a quasi il 15%. La produzione additiva sta acquisendo sempre più importanza non solo nella prototipazione ma anche nella produzione industriale, quindi l'ottimizzazione delle tecnologie coinvolte ed il miglioramento di alcune proprietà dei materiali impiegati sono aspetti chiave per la sua diffusione a livello industriale. La concezione di un metodo per produrre componenti "intelligenti", la cui struttura interna è stampata secondo specifici vincoli meccanici e in funzione delle condizioni operative previste, potrebbe rappresentare un progresso significativo in questo processo.