strutture ibride, intelligenti e biomorfe per la meccanica e l aerospazio

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1 strutture ibride, intelligenti e biomorfe per la meccanica e l aerospazio martedì 16 luglio

2 Il Progetto di Ricerca affronta il problema della concezione, dello sviluppo e della dimostrazione di fattibilità tecnologica delle strutture ibride composito/ metalliche intelligenti, ovvero dotate di sensorizzazione, attuazione e controllo integrati.

3 WP2 Materiali biomimetici e smart I materiali biomimetici, che prendono ispirazione dalla natura, e i materiali smart, o intelligenti, sono oggi considerati fra i più interessanti per la messa a punto di soluzioni utili alla meccanica avanzata e all aerospazio. fig.1 I materiali biomimetici I materiali biomimetici sono ideati, studiati e realizzati secondo un approccio progettuale di ispirazione al mondo naturale per l individuazione di soluzioni efficaci e trasferibili. Tipici esempi, oggetto di studio per l ingegneria dei materiali sono il piede del geco, nel settore degli adesivi, il fior di loto, per i materiali autopulenti, il corno di rinoceronte [fig.1], per i materiali autoriparanti. Per questi ultimi, si ritiene particolarmente interessante la progettazione di matrici polimeriche contenenti microcapsule in grado di attivare processi di polimerizzazione e autoriparazione del danno meccanico. I materiali smart I material smart (chiamati anche intelligenti, o stimuli-responsive) devono la loro stessa definizione alla capacità di rispondere a stimoli fisici, chimici, o meccanici generando risposte sottoforma di segnali leggibili, in questo modo combinando in sé anche tipiche funzioni di sensori e attuatori. Tra i materiali intelligenti più frequentemente utilizzati si possono ricordare i materiali piezoelettrici, quelli foto, termo ed elettrocromici, le leghe a memoria di forma e i polimeri autoriparanti, alcuni dei quali sono oggetti di studio e applicazione all interno del progetto ST.I.MA. I materiali biomimetici e smart riscuotono crescente interesse e trovano sempre nuove applicazioni in numerosi e diversificati settori applicativi, non solo come materiali funzionali avanzati, ma anche come parte integrante di strutture complesse considerate integralmente smart, in quanto costituite da differenti elementi che comprendono sensori, attuatori, algoritmi di controllo software e hardware, così come elementi strutturali propriamente detti. Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica Giulio Natta 4 5

4 WP2 Delaminazione nelle strutture ibride: previsione numerica con modelli coesivi fig.2 Nelle strutture ibride si possono sviluppare delaminazioni interne e danneggiamenti nelle interfacce tra materiali dissimili. E fondamentale prevedere i rischi conseguenti per l integrità strutturale. Il modello della struttura al calcolatore La struttura è modellata agli elementi finiti come una collezione di lamine ed interfacce tra lamine contigue. Nelle interfacce una legge coesiva rappresenta lo sforzo e l energia necessaria a separare le lamine, da valutare con test. [fig. 2] fig.3 Caratterizzazione sperimentale della tenacità a frattura Diverse prove sono necessarie per valutare la tenacità delle interfacce in condizioni statiche o a fatica. Le prove forniscono i parametri dei modelli coesivi e permettono di valutare l efficacia delle tecniche di giunzione nelle strutture ibride. [fig. 3] Applicazione a casi complessi La tecnica sviluppata permette di modellare tutte le interfacce in una struttura ibrida e in un laminato e di prevedere la nascita e lo sviluppo rapido o progressivo delle delaminazioni in elementi curvi, rastremati e con giunzioni adesive. [fig. 4] fig.4 La tecnica numerica e le procedure sperimentali sviluppate consentono di prevedere delaminazioni e danni nelle interfacce e le loro conseguenze sull integrità strutturale in condizioni operative o di sovrasollecitazione delle strutture ibride. Si tratta di un importante strumento che consente di ottimizzare la struttura in fase di progetto e di evitare complessi e costosi iter di riprogettazione. Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali Dipartimento di Meccanica Dipartimento di Chimica 6 7

5 WP3 fig.5 fig.7 Strutture intelligenti con sensorizzazione a fibra ottica Applicazione di sensori a fibra ottica nelle strutture intelligenti: aspetti tecnologici e funzionali. Tecniche di monitoraggio: ambiti applicativi Centro decisionale (cervello) Strutture intelligenti Emulazione dei sistemi biologici: struttura in grado di monitorare l ambiente fisico operativo, raccoglierne le informazioni per poi rispondere ai cambiamenti dello stesso in modo appropriato. Le strutture intelligenti aggiungono proprietà funzionali a quelle meccaniche così da poter minimizzare effetti di condizioni di carico inusuali e rilevare stati di danneggiamento e degrado.[fig.5] Struttura (corpo) fig.6 Fibre Ottiche e Sensori a Reticolo di Bragg La fibra ottica è costituita di strati concentrici di materiale dielettrico con differenti indici di rifrazione che permettono la propagazione del segnale luminoso al suo interno. I reticoli di Bragg sono particolari filtri foto-inscritti nel core della fibra che permettono la riflessione del segnale ottico ad una specifica lunghezza d onda. [fig.6] Deformazioni meccaniche e/o variazioni di temperatura della FO causano la variazione di lunghezza d onda del segnale riflesso. [fig.7] Sensori (nervi) Attuatori (muscoli) fig.8 Sviluppo di tecniche di inglobamento dei sensori in laminati in composito Vantaggi dell inglobamento: Sistemi di monitoraggio e attuazione non ingombranti e protetti; Monitoraggio e attuazione in punti di difficile accesso dall esterno; Monitoraggio dei cicli produttivi (sforzi residui, processi di infusione). [fig. 8] Schema di un sistema biologico Fonte di energia Attuatore Sensore Problematiche tecnologiche affrontate: Invasività di sensori e attuatori; Load transfer capability tra materiale ospite e sensori/ attuatori; Accuratezza e precisione delle misure. Sistemi di monitoraggio strutturale (Health and Usage Monitoring Systems) on demand e real time; Sistemi di monitoraggio dei processi produttivi (infusione della resina nelle tecnologie RTM o RFI); Sensori di pressione; Sistemi complessi di misura (rilevazione contemporanea di più grandezze fisiche). Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali 8 9

6 WP3 Rivestimenti e adesivi autoriparanti fig.9 In questa parte del progetto sono stati progettati e realizzati rivestimenti e adesivi che dopo aver subito un danno meccanico sono in grado di evidenziarne la presenza cambiando colore, e di autoripararsi, utilizzando processi che si ispirano alla natura. fig.10 A B fig.11 D E I rivestimenti autoriparanti (self-healing) Il primo risultato di questa parte del lavoro è stata la realizzazione di rivestimenti che dopo aver subito un danno mostrano la capacità di autoripararsi e di ripristinare le loro proprietà meccaniche originali. Questo comportamento, che può apparire straordinariamente innovativo, è in realtà molto diffuso in natura. Il corno del rinoceronte ad esempio ha delle capacità autoriparanti, è infatti in grado di autoripararsi a seguito di danni procurati durante le frequenti lotte fra i maschi. Microcapsule Il materiale a comportamento self-healing tecnologicamente più avanzato, è costituito da una matrice nella quale sono disperse microcapsule contenenti materiale polimerico capace di polimerizzare o un colorante. Sviluppo di tecniche di inglobamento dei sensori in laminati in composito. [fig.9] Comportamento di autoriparazione [fig.10] [A] Intaglio o graffio [B] Rottura delle capsule contenenti un agente di autoriparazione [C] Riempimento della frattura C F Visualizzazione del danno [fig.11] [D] Il componente è soggetto a uno danno meccanico [E] Rottura localizzata delle capsule contenente un colorante [F] Il materiale fuoriuscito dalle capsule in corrispondenza del danno è visibile quando attivato da luce UV. I materiali con comportamento autoriparante trovano applicazione nei materiali strutturali dei settori più avanzati come quello aeronautico, nelle ali dei velivoli, in campo edilizio nei ponti, nel settore dei trasporti per la realizzazione di vernici ad alte prestazioni e nel settore dei beni di consumo ad esempio per la realizzazione di schermi di telefoni cellulari. Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica Giulio Natta 10 11

7 WP4 Controllo della morfologia tramite attuatori in lega a memoria di forma fig Le leghe a memoria di forma (Shape Memory Alloys SMA) sono una classe di materiali in grado di recuperare la morfologia iniziale. Contraddistinti da un elevato rapporto potenza/peso si prestano all attuazione e alla movimentazione di strutture anche complesse. 3 Principio di funzionamento Effetto a memoria di forma dovuto al cambiamento della microstruttura interna (Martensite <-> Austenite). Previo allenamento, la SMA riesce a ricordare la forma originaria se riscaldata al di sopra della temperatura caratteristica di Fine Austenite (Af). [fig.12] Caratterizzazione Analisi DSC per l individuazione delle temperature di trasformazione di fase; Prove statiche a trazione per ricavare le caratteristiche meccaniche (Sforzo VS. Deformazione VS. Temperatura). 4 Integrazione Note le caratteristiche termomeccaniche è possibile procedere al dimensionamento dell attuatore e alla sua integrazione nella struttura ospite (studio invasività); Differenti campi di applicazione: dal biomedicale, all ingegneristico, al manifatturiero avanzato. Attuazione Avviene principalmente per effetto Joule (fluido ad elevate temperature, corrente o altre metodologie di scambio termico). Affidabilità: il movimento è una conseguenza del passaggio di fase <-> no malfunzionamenti. 5 L elevata deformazione di recupero ottenibile, le forze trasmettibili, e le buone caratteristiche di resistenza rendono gli attuatori SMA adatti alla movimentazione di molteplici apparati. Aree di ricerca attuali: modifica della morfologia di strutture aeronautiche (con relativo controllo) e caratterizzazione degli attuatori SMA in configurazione antagonista per applicazioni spaziali. Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali 12 13

8 WP4 Logiche di controllo distribuito fig.13 Il controllo attivo delle vibrazioni di una struttura si basa su tre tematiche fondamentali: misura delle vibrazioni. Definizione della logica di controllo. Attuazione delle forze di controllo sulla struttura Misura distribuita delle vibrazioni per il controllo La misura delle vibrazioni è fondamentale per il controllo attivo della struttura. La misura distribuita delle vibrazioni è molto vantaggiosa, soprattutto per strutture complesse, per le quali la ricostruzione del comportamento dell intera struttura da poche misure risulta difficile.[fig.13] fig.14 Logiche di controllo con sensoristica embedded controllo risonante: incremento dello smorzamento della struttura ricostruttore dei disturbi: identificazione e compensazione delle forze di disturbo agenti sulla struttura controllo per la minimizzazione del danneggiamento strutturale [fig.14] algoritmi di controllo Sistemi di attuazione discreti per controllo modale La capacità di applicare le forze di controllo richieste alla struttura è fondamentale perchè il controllo sia efficace nell abbattere le vibrazioni. [fig.15] Diverse tipologie di attuatori: Attuatori stack piezoelettrici (muscolo attivo); Attuatori inerziali magnetostrittivi e magnetodinamici fig.15 Le logiche di controllo proposte, così come le tecnologie per la misura delle vibrazioni e per l attuazione, possono trovare impiego in diverse applicazioni industriali, dove le vibrazioni rappresentano una criticità per sicurezza, comfort, rumore e vita utile dei macchinari. Alcuni esempi sono manipolatori robotici, bracci, pannellature. Dipartimento di Meccanica 14 15

9 WP5 Produzione componenti in composito mediante tecniche RTM (Resin Transfer Molding) fig.16 Valutazione della tecnologia RTM e dei sistemi di monitoraggio a fibra ottica per la produzione di strutture in composito e ibride composito/metallo. Studio del comportamento al danno e della capacità di autoriparazione. Produzione di laminati piani e angolari mediante RTM Produzione laminati piani con e senza inglobamento fibra ottica - caratterizzazione e monitoraggio Produzione laminati angolari valutazione proprietà interlaminari Simulazione processo di infusione in strutture complesse (chirale) [fig.16] fig.17 Produzione di laminati ibridi Produzione di laminati ibridi in modalità sandwich costituiti da materiale composito in carbonio e lega d alluminio mediante infusione/incollaggio. Monitoraggio tramite sensori FBG produzione e foratura [fig.17] Componenti ibridi composito/polimero con capacità di autoriparazione per applicazioni aerospaziali Sistemi: ionomero, ionomero/composito, ionomero/honeycomb/ composito, multistrato ionomero/gomma Test balistici: da bassa velocità (180 m/s) a ipervelocità (4 km/s). Caratterizzazione termo-meccanica, comportamento ambiente spaziale [fig.18] fig.18 Sviluppo di tecniche di produzione in stampo chiuso (RTM) per laminati compositi e ibridi di alte prestazioni. Sviluppo di metodologie di inglobamento di sensori a fibra ottica per il monitoraggio di componenti durante l intera vita operativa, dalla produzione alla lavorazione all utilizzo. Sviluppo di metodologie specifiche di test del comportamento interlaminare. Studio di materiali in grado di rispondere autonomamente a danni balistici. Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali 16 17

10 WP5 fig.19 fig.20 Produzione di strutture ibride con tecnologie innovative La lavorazione di strutture ibride pone diverse sfide tecnologiche che possono essere risolte attraverso un attento studio dei parametri di tecnologie innovative e una lavorazione intelligente, in cui il processo è opportunamente sensorizzato. In questo contesto, l attività di ricerca svolta si concentra sulla saldatura e sul texturing laser di leghe di titanio e sulla foratura intelligente e autoadattativa di pannelli ibridi multistrato. fig.21 fig.22 Saldatura laser leghe di titanio Grazie all'elevata flessibilità offerta, la tecnologia di saldatura laser mediante sorgente in fibra ottica attiva trova impiego come soluzione di giunzione innovativa in sostituzione a tecnologie più tradizionali quale ad esempio la saldatura con fascio elettronico. [fig.19] Soluzioni innovative per lavorazione di strutture ibride con macchine utensili sensorizzate ed intelligenti Monitoraggio e controllo adattativo dei processi di foratura su materiali multistrato di impiego aeronautico. Analisi di fattibilità dell impiego di sensori integrati nel componente per l acquisizione di informazioni in-process (sensori Fiber Bragg Grating su fibra ottica). [fig.20] Preparazione di superfici di leghe di titanio per adesione tramite texturing laser Le leghe di titanio sono spesso usate in combinazione con altri materiali quali ad esempio la grafite. L assemblaggio di diversi strati tramite incollaggio costituisce una soluzione favorevole ed il processo di texturing laser su leghe di titanio permette un ulteriore miglioramento dell adesione. [fig.21] Profile monitoring per monitoraggio esecuzione lavorazioni e conformità geometrica Sviluppo di tecniche di profile monitoring e data fusion di segnali multi-canale per il monitoraggio in-process di lavorazioni di foratura su materiali compositi e materiali ibridi multi-strato. [fig.22] Grazie alle attività di ricerca svolte è stato possibile: Identificare i parametri di lavorazione e il setup ottimo per la saldatura di leghe di titanio. Aumentare del 40% l adesione del collante alla superficie di titanio mediante laser texturing. Mettere a punto un sistema di foratura autoadattiva. Utilizzare un sensore in fibra ottica annegato nel pannello per identificare la transizione tra strati durante la foratura. Dipartimento di Meccanica 18 19

11 WP6 Visualizzazione dati da sensori in realtà aumentata fig.23 La realtà aumentata è una tecnologia che permette di visualizzare oggetti virtuali perfettamente posizionati e coerenti all interno del mondo reale. Questa tecnologia può fornire utili informazioni in campo industriale. Individuazione dei sensori sull oggetto Il sistema di realtà aumentata è in grado di mostrare la posizione dei vari sensori disposti sul pezzo mediante elementi grafici, come frecce tridimensionali. In questo modo è più semplice per l operatore individuare facilmente anche i sensori nascosti. [fig.23] fig.24 Visualizzazione grafica di dati da sensori I dati acquisiti dal sistema di misura sono visualizzati direttamente sull oggetto. Elementi di realtà virtuale rappresentano i dati in maniera testuale o grafica e vengono aggiornati in tempo reale ad ogni acquisizione. [fig.24] Visualizzazione di situazioni criticità all interno del pezzo I dati dai sensori sono elaborati in tempo reale per predire lo stato dell oggetto. In questo modo è possibile individuare la presenza di situazioni di pericolo o di danneggiamento in anticipo. Elementi grafici mostrano la zona pericolosa direttamente sull oggetto. [fig.25] fig.25 La visualizzazione dei dati in Realtà Aumentata permette, in campo industriale, di avere un supporto versatile di aiuto all operatore. I dati provenienti da sensori posti su macchinari non devono essere necessariamente rappresentati su display fissi mediante grafici, ma possono essere visibili anche sull oggetto stesso. Situazioni critiche possono apparire più chiare e quindi più facilmente gestibili. Dipartimento di Meccanica 20 21

12 L industria manifatturiera in Italia: un ricordo o un ponte verso il futuro? Difficile rispondere in un momento di grande incertezza e di forte crisi economica, ma non impossibile. Prodotti competitivi e all avanguardia sono spesso il risultato di studi e ricerche avviati in campi ad elevata tecnologia e poi applicati a oggetti di uso comune. Materiali compositi multifunzionali non trovano applicazione esclusivamente nei settori più avanzati e ad elevata tecnologia, ma anche nell edilizia, nei trasporti, nella produzione di beni di largo consumo. Per questo è importante mettere a conoscenza il settore produttivo e manifatturiero di innovazioni tecniche di larga portata. Ne discuteranno esponenti dell università, dell impresa e delle istituzioni. Il progetto ST.I.M.A, Strutture Ibride per la Meccanica e l Aerospazio è finanziato dalla Regione Lombardia, attraverso il Fondo per la promozione di accordi istituzionali. Coordinato dal Dipartimento di Meccanica, presenta il lavoro interdisciplinare di tre gruppi di ricerca del Politecnico di Milano negli ambiti della Chimica, dei Materiali e dell Ingegneria Chimica, delle Scienze Tecnologie Aerospaziali e della Meccanica per lo sviluppo di materiali multifunzionali e di strutture adattative. progettostima.it progetto grafico: yellowston.es

13 Politecnico di Milano Un progetto coordinato dal Dipartimento di Meccanica, che presenta il lavoro interdisciplinare di tre gruppi di ricerca del Politecnico di Milano negli ambiti della Chimica, dei Materiali e dell Ingegneria Chimica, delle Scienze Tecnologie Aerospaziali e della Meccanica Il progetto ST.I.M.A, Strutture Ibride per la Meccanica e l Aerospazio è finanziato dalla Regione Lombardia, attraverso il Fondo per la promozione di accordi istituzionali

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