Ottimizzazione di laminati VAT realizzati in AFP attraverso un approccio orientato ai difetti = Defect-driven optimization of Variable Angle Tow laminates in AFP

L'obiettivo dell’elaborato è la caratterizzazione meccanica dei laminati compositi a rigidezza variabile, noti anche come Variable Angle Tow (VAT). A differenza delle classiche leghe metalliche utilizzate nel settore aerospaziale, i compositi VAT presentano fasi distinte già alla microscala. Questo fatto rende la loro modellazione particolarmente complessa. In particolare, i materiali compositi non sono progettati secondo la teoria del Damage Tolerance, bensì secondo la teoria della progettazione Crack-Free. Seguendo questa filosofia ingegneristica, le cricche diventano particolarmente importanti, poiché non è possibile prevedere come si evolveranno nel tempo. Pertanto, è necessario sviluppare strutture ottimali tenendo conto che i processi di fabbricazione producono occasionalmente difetti nel componente, modificando sostanzialmente le proprietà strutturali del laminato. Lo studio condotto si propone di indagare l'influenza dei parametri di difetto sull'ottimizzazione strutturale di compositi a fibre curvilinee prodotti con tecniche di Automated Fiber Placement (AFP). Questi laminati sono prodotti appositamente per garantire elevate prestazioni strutturali, ottimizzando la distribuzione delle proprietà del materiale per ottenere configurazioni che sopportino meglio i carichi. Tuttavia, il processo di produzione è soggetto a difetti, in particolare gaps e overlaps. Nella fattispecie, quando la macchina che segue il percorso curvo per depositare le fibre non lo fa con precisione, si creano due tipi di difettologie nel piano: è possibile che due passaggi consecutivi della macchina non coincidano correttamente, lasciando una lacuna; oppure può accadere che due passaggi successivi si sovrappongono parzialmente, creando dei gradini nel laminato. Nello specifico, il Defect Layer Method (DLM) è stato utilizzato in sinergia con la Carrera Unified Formulation (CUF) per catturare l'effetto dei gaps e dei overlaps nel comportamento meccanico dei compositi in oggetto di studio. Tale approccio ha consentito una rappresentazione più accurata del comportamento cinematico lungo lo spessore. Inoltre, il processo di ottimizzazione è stato eseguito utilizzando il “Global Optimization Toolbox” di MATLAB, che ha permesso di identificare iterativamente i parametri ottimali, dati i vincoli di produzione, per migliorare le prestazioni strutturali. Più in dettaglio, utilizzando un codice Python che, fornendo come input i parametri della macchina (come ad esempio il numero di tows da depositare, lo spessore di ogni passata oppure il raggio di curvatura e gli angoli T0 e T1), ha permesso di simulare le diverse passate di stampa e di ottenere punto per punto le aree di possibile sovrapposizione o di vuoto per ogni strato. Una volta note queste aree, sono state trasferite al modello matematico per osservare l'effetto sulle proprietà meccaniche. In una fase successiva, è stato scritto un codice MATLAB che implementa un algoritmo di ottimizzazione surrogato, grazie al quale variando i parametri di stampa si avvia automaticamente il codice Python precedentemente descritto e l'analisi strutturale con il software MUL2. Per ogni iterazione, il programma crea la funzione obiettivo tenendo conto della prima frequenza naturale del laminato e del vincolo di ottimizzazione dovuto alla tecnica di produzione. Di conseguenza, è stato possibile stimare gli angoli di curvatura ottimali delle fibre (T0 e T1) per ogni strato del laminato, considerando i difetti causati dal processo di fabbricazione.