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Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

01SREMT

A.A. 2020/21

2020/21

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

Il corso di "Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali" mira innanzitutto a fornire una panoramica generale delle principali tecniche di additive manufacturing e dei relativi materiali utilizzati, in particolare operando una suddivisione fra tecniche per materiali metallici e tecniche per materiali plastici. Nello specifico, verranno trattati i principali materiali metallici per additive manufacturing, maggiormente impiegati nelle applicazioni aerospaziali, fornendo gli strumenti necessari per la scelta e ottimizzazione delle prestazioni dei componenti finali. A tal proposito verrà anche data una panoramica dei sistemi per la fabbricazione additiva di componenti in metallo, evidenziando l’evoluzione delle tecnologie nell'arco degli ultimi decenni. Per quanto riguarda i componenti in materiale plastico, grande attenzione verrà rivolta alla tecnica di stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) e alla sua estensione per la stampa di materiali polimerici rinforzati con fibra continua. Verranno illustrati i principi di design, produzione, avanprogetto, simulazioni e verifica di componenti per impiego aeronautico. Nell'ottica del progetto e analisi strutturale di tali componenti, verrà riposta particolare attenzione al processo di produzione e alle sue conseguenze sulle prestazioni del componente finale (anisotropia, tensioni e deformazioni residue, difetti). Gli studenti avranno la possibilità di applicare i concetti teorici acquisiti durante le lezioni progettando un componente strutturale di impiego prettamente aeronautico. Le esercitazioni permetteranno allo studente di percorrere il flusso di lavoro che porterà dal design del componente alla preparazione del file per la stampa fino alla sua realizzazione finale.

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

The course of "Design and Additive Manufacturing for Aerospace Applications" aims, above all, to provide a general overview of the main additive manufacturing techniques and related employed materials, in particular providing a division between techniques for metallic materials and techniques for plastics. Specifically, the main metal materials for additive manufacturing, mainly used in aerospace applications, will be treated by providing the necessary tools for the selection and optimization of the performance of the final components. In this regard, an overview of systems for the additive manufacturing of metal components will also be given, highlighting the evolution of technologies over the last decades. In the case of plastic components, great attention will be paid to the FDM (Fused Deposition Modeling) 3D printing technique and its extension to the 3D printing of continuous fiber-reinforced components. The principles of design, production, preliminary project design, simulations and test will be shown for aeronautical components. For the design and structural analysis of such prototypes, attention will be paid to the manufacturing process and its effects on the final performances of the product. In this regard, the student will have the opportunity to draw, prepare specific files for the 3D printer and produce specimens in polymeric material. The mastery of the proposed 3D FDM technique will allow to draw, prepare and produce a small structural element for aerospace applications.

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

I risultati di apprendimento attesi dalla frequenza del corso di "Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali verranno verificati mediante una prova scritta, una relazione elaborata in gruppi sulle attività pratiche e di laboratorio, la realizzazione in gruppi di un piccolo elemento strutturale di impiego prettamente aerospaziale, e una breve discussione orale che verterà solamente sulla relazione e sull'elemento strutturale prodotto. Nel dettaglio lo studente dovrà: • avere una visione di insieme delle principali tecniche di additive manufacturing e dei relativi materiali impiegati; • conoscere i principali materiali metallici per additive manufacturing, maggiormente impiegati nelle applicazioni aerospaziali, al fine di avere gli strumenti necessari per la scelta e ottimizzazione delle prestazioni dei componenti finali; • conoscere i principali sistemi per la fabbricazione additiva di componenti in metallo analizzando l’evoluzione delle tecnologie, gli attuali campi di applicazione e le relative potenzialità e limiti; • essere in grado di sfruttare la tecnica di stampa 3D FDM per la produzione di piccoli elementi strutturali di impiego prettamente aerospaziale; • comprendere come il progetto e il dimensionamento di tali componenti siano strettamente legati ad un’adeguata comprensione del processo di manifattura additiva. Tali obiettivi verranno verificati tramite la modalità d'esame descritta nell'apposita sezione.

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

The learning outcomes expected from the course of "Design and additive manufacturing for aerospace applications" will be verified through a written test, a report elaborated in groups on practical and laboratory activities, the production in groups of a small structural element for aerospace applications, and a brief oral discussion that will only focus on the report and on the produced structural element. In detail, the student must: - have an overview on the main additive manufacturing techniques and related employed materials; - know the main metal materials for additive manufacturing, mostly used in aerospace applications, in order to have the necessary tools for the selection and optimization of the performance of the final components; - know the main systems for the additive manufacturing of metal components analyzing the evolution of the technologies, the current fields of application and their potentials and limits; - be able to exploit the FDM 3D printing technique for the production of small structural elements for aerospace applications; - understand the steps of design, production, preliminary project design, simulations, and tests for small aeronautical components. - understand how the project and the structural analyses on these prototypes are closely linked to an appropriate understanding of the manufacturing process. These objectives will be verified through the examination procedure described in the appropriate section.

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

I prerequisiti per affrontare al meglio il corso proposto sono le nozioni base acquisite in alcuni corsi della laurea triennale in ingegneria aerospaziale. Nello specifico sono da ritenersi propedeutici al presento corso gli insegnamenti di "Fondamenti di meccanica strutturale", "Scienza e tecnologia dei materiali/Metallurgia " e "Costruzioni aeronautiche".

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

The prerequisites to best address the proposed course are the basics acquired in some courses of the three-year degree in aerospace engineering. Specifically, the teachings of "Fundamentals of structural mechanics", "Science and technology of materials/Metallurgy" and "Aircraft constructions" are to be considered preparatory to this course.

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

Il programma del corso è suddiviso in 5 fasi principali come dettagliato nei successivi 5 paragrafi. Le fasi 2 e 3 saranno prevalentemente rivolte alle tecniche di additive manufacturing inerenti i materiali metallici, mentre le fasi 1, 4 saranno prevalentemente dedicate alle tecniche di additive manufacturing inerenti i materiali polimerici. La fase 5 sarà invece prettamente multidisciplinare e, grazie alle competenze maturate nelle fasi 1-4, porterà allo sviluppo di uno o più componenti di utilizzo aerospaziale. Prima fase ( 4.5 ore su ING-IND/04 - Zappino) Introduzione al corso e illustrazione criteri, regole e procedure per l’esame. Introduzione generale alle principali tecniche di additive manufacturing e relativi materiali: Selective Laser Sintering (SLS) per termoplastici, metalli, sabbia e vetro; Selective Laser Melting (SLM) per metalli e leghe; Fused Deposition Modeling (FDM) per termoplastici; Stereolitografia (SL) per fotopolimeri; Electron Beam Melting (EBM) per leghe di titanio; Laser cladding per metalli; Multi Jet Fusion (MJF) per termoplastici; Liquid Deposition Modeling (LDM) per ceramici. Seconda fase (10.5 ore su ING-IND/22 - Lombardi) Panoramica dei principali materiali metallici per additive manufacturing, maggiormente impiegati nelle applicazioni aerospaziali, con illustrazione delle relazioni processo-microstruttura-proprietà al fine di fornire gli strumenti necessari per la scelta e ottimizzazione delle prestazioni dei componenti finali. In particolare: requisiti e proprietà delle polveri metalliche per le tecnologie di additive manufacturing; caratteristiche e prestazioni dei principali materiali metallici processati con l’additive manufacturing (alluminio e le sue leghe, superleghe, leghe a base titanio). Terza fase (10.5 ore su ING-IND/16 - Atzeni) Panoramica dei sistemi per la fabbricazione additiva di componenti in metallo. Partendo dalla descrizione del principio di costruzione, si analizza l’evoluzione delle tecnologie nell'arco degli ultimi decenni, illustrando gli attuali campi di applicazione e analizzandone le potenzialità e i limiti. In particolare: descrizione delle tecnologie presenti sul mercato e della strategia di costruzione dei componenti; principali settori di utilizzo ed esempi di applicazione; i sistemi in fase di sviluppo; finitura dei componenti e integrazione con i processi convenzionali; linee guida di progettazione dei componenti additivi (design for additive manufacturing). Quarta fase (10.5 ore su ING-IND/04 - Zappino) Fused Deposition Modeling per stampa 3D di elementi in materiale polimerico e con rinforzi in fibra (carbonio, kevlar, fibra di vetro). Descrizione del processo di stampa 3D, parametri di stampa, caratteristiche dei materiali. Simulazione del processo di stampa e valutazione di stress e deformazioni residue, anisotropia del componente finale. Modalità di deposizione delle fibre di rinforzo ed effetto sulle prestazioni meccaniche del componente. Fenomeni di accoppiamento meccanico. Introduzione dei materiali compositi con angolo variabile, Variable Angle Tow (VAT). Introduzione alle tecniche di modellizzazione e simulazione strutturale e applicazione ai componenti derivanti dalla stampa 3D. Ottimizzazione dei componenti attraverso tecniche di ottimizzazione topologica. Tecniche di verifica e/o virtual-testing. Descrizione del flusso di lavoro tipico della progettazione e realizzazione del componente: modellizzazione del componente finale attraverso codici CAD, esportazione file STL, preparazione dei file per la stampa. Tecniche di ‘slicing’. Quinta fase (25.5 ore di attività di laboratorio informatico, laboratorio di additive manufacturing e laboratorio sperimentale su ING-IND/04 - Zappino) Le attività svolte porteranno lo studente a realizzare il progetto di componenti di uso aeronautico/spaziale a partire dalla fase di avanprogetto fino alla realizzazione finale del componente. • Definizione del componente/i aeronautico/i da realizzare, definizione delle condizioni al contorno, definizione dei requisiti di progetto; • Definizione del design finale del componente/i attraverso tecniche di modellizzazione numerica, ottimizzazione e analisi strutturale; • Modellizzazione CAD del componente, ‘slicing’ ed esportazione dei files per la stampa finale; • Stampa del/i componente/i; • Verifica del componente, real/virtual testing; Dove possibile le attività degli ultimi due punti verranno svolte in presenza. Qualora la situazione legata all'emergenza sanitaria COVID-19 non rendesse possibile svolgere tali attività in sicurezza saranno sostituite da attività equivalenti ma compatibili con modalità di didattica in remoto.

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

The program of the course is divided into 5 main phases as detailed in the following 5 paragraphs. Phases 2 and 3 will be mainly addressed to the additive manufacturing techniques inherent to metallic materials, while phases 1, 4 and will be mainly dedicated to the additive manufacturing techniques related to polymeric materials. The competences acquired in phases 1-4 will be exploited in phase 5 to develop the design of one or more aeronautical components. First phase ( 4.5 hours on ING-IND/04 - Zappino) Introduction to the course and explanation of criteria, rules and procedures for the exam. General introduction to the main additive manufacturing techniques and related materials: Selective Laser Sintering (SLS) for thermoplastics, metals, sand and glass; Selective Laser Melting (SLM) for metals and alloys; Fused Deposition Modeling (FDM) for thermoplastics; Stereolithography (SL) for photopolymers; Electron Beam Melting (EBM) for titanium alloys; Laser cladding for metals; Multi Jet Fusion (MJF) for thermoplastics; Liquid Deposition Modeling (LDM) for ceramics. Second phase (10.5 hours on ING-IND/22 - Lombardi) Overview of the main metal materials for the additive manufacturing, mostly used in aerospace applications, with an illustration of the process-microstructure-property relationships in order to provide the necessary tools for the selection and optimization of the performance of the final components. In particular: requirements and properties of metal powders for additive manufacturing technologies; characteristics and performances of the main metallic materials processed with additive manufacturing (aluminum and its alloys, super alloys, titanium based alloys). Third phase (10.5 hours on ING-IND/16 - Atzeni) Overview of systems for the additive manufacturing of metal components. Starting from the description of the construction principle, we analyze the evolution of technologies over the last decades, illustrating the current fields of application and analyzing their potential and limits. In particular: description of the technologies available on the market and the component construction strategy; main areas of use and application examples; systems under development; finishing of components and integration with conventional processes; design guidelines for additive components (design for additive manufacturing). Fourth phase (10.5 hours on ING-IND/04 - Zappino) Fused Deposition Modeling for 3D printing of elements made of polymeric materials reinforced with continuous fiber ( carbon, glassfiber, kevlar). Printing Process, key printing parameters, and material performances. Process simulation and evaluation of residua stress, warping deformations, and material anisotropy. Continuous fiber deposition and mechanical performances of reinforced materials, coupling effects. Introduction of Variable Angle Tow materials. Introduction of the main structural design and topological optimization tools. Lab testing and virtual testing. Introduction of the work-flow for the design and manufacturing of 3D printed parts: Geometry (CAD), file exploration (STL), and slicing techniques. Fifth phase (25.5 hours of computer laboratory, additive manufacturing laboratory and experimental laboratory on ING-IND / 04 - Zappino) Designa and manufacturing of one or more aerospace components: -Identification of the component. Definition of the boundary conditions and project requirements. -Structural Design and Optimization of the component -3D modeling and slicing -3D printing -Real/Virtual testing The printing and testing activities could be replaced with equivalent virtual activities because of the COVID-19 pandemic.

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

Il corso, come già dettagliato nel programma, è composto da lezioni in aula (classe virtuale), esercitazioni presso il laboratorio informatico (classe virtuale), il laboratorio di additive manufacturing (o equivalente virtuale) e il laboratorio sperimentale (o equivalente virtuale). Le lezioni in aula verteranno sugli argomenti forniti in dettaglio nelle fasi 1, 2, 3 e 4 del programma. Le esercitazioni pratiche saranno organizzate secondo il dettaglio fornito nella fase 5 del programma del corso e prevederanno: • esercitazioni presso il laboratorio informatico per disegno provini ed elementi strutturali, e relativa preparazione dei file STL per la stampante 3D FDM; • esercitazioni presso il laboratorio di additive manufacturing per utilizzo stampante 3D FDM per produzione elementi strutturali precedentemente disegnati e preparati; • esercitazioni presso il laboratorio sperimentale per le prove sperimentali.

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

The course, as already detailed in the program, is made up of lessons in the classroom, practice exercises at the computer laboratory, at the additive manufacturing laboratory and at the experimental laboratory for characterization tests. Classroom lectures will focus on the topics provided in detail in phases 1, 2, 3 and 4 of the program. The practice exercises will be organized according to the details provided in the phase 5 of the course program and they will provide: - practice exercises at the computer laboratory to draw specimens and structural elements, and to prepare the STL for the FDM 3D printer; - practice exercises at the additive manufacturing laboratory to use the FDM 3D printer to produce specimens and structural elements which were previously drawn and prepared; - practice exercises at the experimental laboratory.

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

Verranno forniti appunti, dispense e slide da parte dei vari docenti durante lo svolgimento del corso. Una breve bibliografia per approfondimenti è: 1. Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing Ian Gibson, David Rosen, Brent Stucker, Springer, 2015. ISBN: 978-1-4939-2112-6 2. Design for Additive Manufacturing, Martin Leary, Elsevier, ISBN: 9780128167212

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

Notes, handouts and slides will be provided by the various teachers during the course. Short bibliography: 1. Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing Ian Gibson, David Rosen, Brent Stucker, Springer, 2015. ISBN: 978-1-4939-2112-6 2. Design for Additive Manufacturing, Martin Leary, Elsevier, ISBN: 9780128167212

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto individuale; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

L'esame consiste in una prova scritta, una relazione sulle attività di laboratorio da svolgere in gruppi, e un semplice colloquio orale nel quale verrà brevemente discussa la relazione consegnata e verrà valutato l'elemento strutturale tipicamente aerospaziale prodotto dai gruppi e consegnato insieme alla relazione. In dettaglio: La prova scritta verterà solamente sugli argomenti della seconda fase (10.5 ore su ING-IND/22 - Lombardi) e terza fase (10.5 ore su ING-IND/16 - Atzeni) del programma del corso. Essa si svolgerà negli appelli ufficiali previsti durante l'anno accademico. La prova avrà una durata di un'ora e prevederà 7 domande a riposta multipla e 1 domanda aperta per la seconda fase (ING-IND/22) e 7 domande a risposta multipla e 1 domanda aperta per la terza fase (ING-IND/16). Il voto della prova scritta verrà comunicato in trentesimi (/30). La verifica degli argomenti delle fasi 1, 4 e 5 sarà effettuata attraverso la preparazione da parte degli studenti di una relazione che dovrà descrivere in dettaglio le attività svolte nella fase 5. Tale relazione potrà essere consegnata al massimo una settimana prima della data ufficiale delle prove scritte di cui sopra. La relazione verrà discussa individualmente in un colloquio orale che verterà sugli argomenti trattati nelle fasi 1,4 e 5. La relazione e la sua discussione orale riceveranno una valutazione in trentesimi (/30). Il voto complessivo verrà comunicato in trentesimi come media pesata delle attività di cui sopra: voto complessivo (/30)=1/3*(voto scritto su fasi 2 e 3) + 2/3*(voto relazione su attività di laboratorio della fase 5). Durante le varie prove non è consentito l'utilizzo di nessun tipo di materiale (appunti, libri, slide o altro). L'unica eccezione è la relazione redatta in gruppo che verrà discussa e commentata durante la prova orale. L'esame dovrà accertare il raggiungimento degli obiettivi elencati nella sezione "Risultati di apprendimento attesi".

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

Exam: Compulsory oral exam; Individual essay; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);

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The exam is composed by 3 parts: Phase 2 Exam: The test (Respondus Platform) includes 7 multiple choice questions and one open question (Maximum grade 30). Phase 3 Exam: The test (Respondus Platform) includes 7 multiple choice questions and one open question (Maximum grade 30). Phases 1-4-5 Exam: The student must prepare a report regarding the design activities done in phase 5, the report must be delivered one week before the day of the exam. The report will be discussed in an oral exam that could cover the contents of phases 1-2-5. (Maximum grade 30) The final grade will be given by the weighted average of the grades of each test.

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus); Elaborato progettuale individuale;

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

L'esame consiste in una prova scritta, una relazione sulle attività di laboratorio da svolgere in gruppi, e un semplice colloquio orale nel quale verrà brevemente discussa la relazione consegnata e verrà valutato l'elemento strutturale tipicamente aerospaziale prodotto dai gruppi e consegnato insieme alla relazione. In dettaglio: La prova scritta verterà solamente sugli argomenti della seconda fase (10.5 ore su ING-IND/22 - Lombardi) e terza fase (10.5 ore su ING-IND/16 - Atzeni) del programma del corso. Essa si svolgerà negli appelli ufficiali previsti durante l'anno accademico. La prova avrà una durata di un'ora e prevederà 7 domande a riposta multipla e 1 domanda aperta per la seconda fase (ING-IND/22) e 7 domande a risposta multipla e 1 domanda aperta per la terza fase (ING-IND/16). Il voto della prova scritta verrà comunicato in trentesimi (/30). La verifica degli argomenti delle fasi 1, 4 e 5 sarà effettuata attraverso la preparazione da parte degli studenti di una relazione che dovrà descrivere in dettaglio le attività svolte nella fase 5. Tale relazione potrà essere consegnata al massimo una settimana prima della data ufficiale delle prove scritte di cui sopra. La relazione verrà discussa individualmente in un colloquio orale che verterà sugli argomenti trattati nelle fasi 1,4 e 5. La relazione e la sua discussione orale riceveranno una valutazione in trentesimi (/30). Il voto complessivo verrà comunicato in trentesimi come media pesata delle attività di cui sopra: voto complessivo (/30)=1/3*(voto scritto su fasi 2 e 3) + 2/3*(voto relazione su attività di laboratorio della fase 5). Durante le varie prove non è consentito l'utilizzo di nessun tipo di materiale (appunti, libri, slide o altro). L'unica eccezione è la relazione redatta in gruppo che verrà discussa e commentata durante la prova orale. L'esame dovrà accertare il raggiungimento degli obiettivi elencati nella sezione "Risultati di apprendimento attesi".

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

Exam: Written test; Compulsory oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus); Individual project;

Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali

The exam is composed by 3 parts: Phase 2 Exam: The test (Respondus Platform / Classroom) includes 7 multiple choice questions and one open question (Maximum grade 30). Phase 3 Exam: The test (Respondus Platform / Classroom) includes 7 multiple choice questions and one open question (Maximum grade 30). Phases 1-4-5 Exam: The student must prepare a report regarding the design activities done in phase 5, the report must be delivered one week before the day of the exam. The report will be discussed in an oral exam that could cover the contents of phases 1-2-5. (Maximum grade 30) The final grade will be given by the weighted average of the grades of each test.

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