Numerical and experimental analysis of 3D printed smart structures and systems

I meccanismi con elementi flessibili, noti col termine inglese “Compliant Mechanisms” (CM), consentono la realizzazione di strutture intelligenti ad alte prestazioni. Tuttavia, produrre tali strutture con i materiali e le tecniche di lavorazione tradizionali è molto difficile. Grazie al recente sviluppo delle tecniche di produzione additiva, una possibilità per la realizzazione di queste strutture è la stampa tridimensionale (3D) di compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre continue, ad esempio mediante la stampante MarkTwo (MT) di Markforged. In questo contesto, lo scopo di questa tesi è di gettare le basi per la risoluzione di questi problemi. Una prima attività svolta riguarda lo studio sperimentale del comportamento a trazione e a flessione di lamine rettilinee flessibili (Straight Beam Flexures, SBF) realizzate mediante 3D-MT e caratterizzate da diverse frazioni volumetriche e disposizioni delle fibre all’interno del medesimo strato e in strati differenti. La seconda attività riguarda lo sviluppo di uno strumento per l’analisi numerica di queste SBF, basato sulla formulazione unificata di Carrera (Carrera Unified Formulation, CUF) utilizzando l'approccio “component-wise” (CW), che include un nuovo elemento di pre-elaborazione che consente di considerare tutte le regioni stampate in modo semplice e con un ridotto tempo computazionale. Tra i suoi vantaggi, l'approccio CUF-CW consente di raccogliere le frequenze naturali dei primi modi di vibrare e di prevedere il modulo di Young del composito sulla base di una formulazione del problema inverso. Per convalidare lo strumento, i risultati numerici sono confrontati con le frequenze naturali valutate sperimentalmente mediante un approccio basato sulla correlazione di immagini digitali. Come terza ed ultima attività, le potenzialità della stampa mediante MT, in associazione con l’ottimizzazione topologica e la progettazione di meccanismi con membri/giunti flessibili (Compliant Joint Design, CJD), sono state investigate nel contesto della realizzazione di meccanismi per macchine automatiche soggetti a carichi inerziali.