Metodi di caratterizzazione meccanica e sviluppo di modelli agli elementi finiti per materiali e componenti stampati FDM = Mechanical characterization methods and development of finite element models for FDM-printed materials and components

Negli ultimi anni la crescita dell’Additive Manufacturing (AM) ha avuto un andamento esponenziale, diventando una tecnologia largamente utilizzata, soprattutto in campo aerospaziale. Infatti, si riconoscono diversi benefici rispetto all’utilizzo delle tecnologie tradizionali. Ad esempio, l’AM permette di ottenere componenti con forme e geometrie molto complesse, di diminuire notevolmente il numero delle parti, riducendo la necessità di utilizzare le giunzioni e di garantire al progettista una grande libertà di design, con l’ottimizzazione topologica come strumento essenziale. L’AM è una delle tecnologie di riferimento nel campo della prototipazione, in cui si fa largo uso della Fused Deposition Modeling (FDM), una tecnica che prevede la deposizione di un filamento semifuso di materiale plastico con l'obiettivo di costruire un componente strato dopo strato. Per poter comprendere il comportamento meccanico dei componenti prodotti in FDM, risulta fondamentale caratterizzare in maniera completa i materiali impiegati. In generale, le proprietà finali del materiale depositato possono essere molto differenti rispetto a quelle del filamento vergine. Infatti, si riconosce un effetto significativo di alcuni fattori, tra cui i parametri di stampa, le condizioni ambientali e la disposizione del componente sul piatto di stampa. Questo lavoro di tesi è stato interamente sviluppato all’interno del reparto Ricerca e Sviluppo dell’azienda LMA srl, dove sono stati messi a disposizione gli strumenti utili ad un primo approccio di caratterizzazione dell'Onyx, un materiale nylon-based stampato FDM. L’obiettivo è quello di valutare le caratteristiche meccaniche necessarie a poter simulare in maniera realistica il comportamento sotto carico di un drone interamente stampato in AM. Si concentra l’attenzione sulla comprensione della variazione delle proprietà meccaniche, in particolare i moduli elastici, in funzione di alcuni parametri ambientali, osservando principalmente l’effetto dell’umidità e del tempo di esposizione ad essa. La grande quantità di dati raccolti viene interpolata tramite leggi matematiche costruite con l’obiettivo di poter valutare le proprietà meccaniche in determinati istanti di tempo e per determinati valori di umidità. Laddove non sia possibile trovare un andamento correlabile con una funzione, si procede in maniera conservativa, considerando i valori minimi delle proprietà considerate e creando dei fitting tra questi. Ottenere leggi matematiche valide risulta fondamentale per ricostruire il livello di umidità al quale un componente è stato sottoposto durante un intervallo di tempo ben definito. In questo lavoro, si illustra un primo confronto tra un modello sperimentale e uno agli elementi finiti al fine di comprendere la storia igroscopica del componente testato, in particolare una semiala stampata in FDM. La comparazione tra i due modelli rende possibile la validazione delle proprietà elastiche e permette di predire il comportamento del componente con maggior precisione, valutando potenziali situazioni critiche. Una simulazione di una condizione di volo particolarmente critica viene illustrata all’interno di questo lavoro di tesi. Quanto proposto in questa trattazione non viene utilizzato limitatamente al fine di comprendere il comportamento meccanico dei componenti stampati FDM, ma è essenziale per avviare la definizione di una procedura standard e ripetibile che possa essere seguita in maniera precisa per la caratterizzazione di un qualunque materiale impiegato internamente.