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). Verranno illustrati i principi di design, produzione, avanprogetto, simulazioni e prove di volo di velivoli di ridotte dimensioni a pilotaggio remoto interamente prodotti attraverso la tecnica di stampa 3D FDM di materiali polimerici. Nell'ottica del progetto e analisi strutturale di tali prototipi, fondamentale importanza rivestirà la capacità di caratterizzazione dei materiali polimerici che subiscono un processo di stampa 3D FDM. A tal proposito lo studente avrà la possibilità di disegnare, produrre file ad hoc per la stampante 3D e realizzare provini in materiale polimerico da testare in laboratorio attraverso prove di trazione, compressione e flessione. Su tali provini e sulle relative prove in laboratorio si condurranno analisi di capability e statistiche per valutare il processo di produzione e i risultati delle prove sperimentali. La padronanza della tecnica 3D FDM proposta permetterà di disegnare, preparare e produrre un piccolo elemento strutturale di impiego prettamente aerospaziale.

I risultati di apprendimento attesi dalla frequenza del corso di "Progettazione e fabbricazione additiva per applicazioni aerospaziali" verranno verificati mediante un 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 un 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; - essere in grado di disegnare opportuni provini in materiale polimerico (per test a trazione, compressione e flessione) e produrli tramite stampa 3D FDM dopo aver creato gli opportuni file STL e G-Code per la stampante 3D; - saper condurre test in laboratorio su prove sperimentali a trazione, compressione e flessione su provini polimerici stampati con tecnica 3D FDM; - saper condurre un'analisi di capability sulle dimensioni dei provini (per valutare il processo di stampa) e un'analisi statistica sui risultati derivanti dai test sperimentali in laboratorio; - comprendere gli step di design, produzione, avanprogetto, simulazioni e prove di volo per piccoli velivoli a pilotaggio remoto prodotti mediante tecnica di stampa 3D FDM; - comprendere come il progetto e le analisi strutturali su tali prototipi siano strettamente legati a un'opportuna caratterizzazione dei materiali polimerici soggetti a processi di stampa 3D FDM. Tali obiettivi verranno verificati tramite la modalità d'esame descritta nell'apposita sezione.

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".

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 e 5 saranno prevalentemente dedicate alle tecniche di additive manufacturing inerenti i materiali polimerici. L'ordine degli argomenti (teorici e di laboratorio), così come esposti nei paragrafi successivi, è da ritenersi prettamente aderente all'ordine cronologico con cui i vari argomenti e attività verranno esposti e svolte durante il semestre. Prima fase ( 4.5 ore su ING-IND/04 - Brischetto) 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 - Brischetto) Fused Deposition Modeling per stampa 3D di elementi in materiale polimerico (in particolare ABS e PLA). Design, produzione, avanprogetto, simulazioni e prove di volo di un drone multifunzione e modulabile interamente prodotto mediante stampa 3D FDM. Come produrre provini omogenei in PLA o ABS mediante stampa 3D FDM per effettuare test di compressione e trazione. Analisi di capability e statistica per le proprietà geometriche dei provini e per i risultati dei relativi test sperimentali. Come produrre provini sandwich con cuore omogeneo o a nido d'ape in PLA o ABS mediante stampa 3D FDM per effettuare test di flessione. Analisi di capability e statistica per le proprietà geometriche dei provini e per i risultati dei relativi test sperimentali. Possibile caratterizzazione di PLA e ABS, stampati con tecnica 3D FDM, in analogia con i materiali compositi a fibra lunga. Utilizzo dei risultati della caratterizzazione nel progetto e analisi strutturale di piccoli prototipi realizzati in materiale polimerico con tecnica di stampa 3D FDM. Sistema anti-ghiaccio integrato all'interno dei pannelli alari di bordo d’attacco, composto da un sandwich in alluminio o titanio con core trabecolare a cella aperta, che permette di assolvere sia i compiti strutturali sia quelli di scambio termico. Determinazione sperimentale della struttura trabecolare più adatta alla realizzazione di un pannello sandwich. Caratterizzazione meccanica e termica del pannello di prova. Realizzazione del prototipo del pannello. Piano di testing. Quinta fase (25.5 ore di attività di laboratorio informatico, laboratorio di additive manufacturing e laboratorio sperimentale su ING-IND/04 - Brischetto) 4.5 ore di laboratorio informatico per disegno e creazione file STL e G-Code per stampaggio 3D FDM di provini polimerici per prove a trazione, compressione e flessione. 4.5 ore di laboratorio di additive manufacturing per produzione 3D FDM dei provini polimerici precedentemente disegnati e preparati. 4.5 ore di laboratorio sperimentale per prove a trazione, compressione e flessione dei provini precedentemente prodotti. 4.5 ore di laboratorio informatico per capability analysis su geometria dei provini utilizzati e analisi statistica sui risultati delle prove di laboratorio sperimentale precedentemente condotte. 4.5 ore di laboratorio informatico per disegno e creazione file STL e G-Code di un piccolo elemento strutturale tipicamente aerospaziale. 3.0 ore di laboratorio di additive manufacturing per la produzione 3D FDM dell'elemento strutturale tipicamente aerospaziale precedentemente disegnato e preparato.

Il corso, come già dettagliato nel programma, è composto da lezioni in aula, esercitazioni presso il laboratorio informatico, il laboratorio di additive manufacturing e il laboratorio sperimentale per le prove di caratterizzazione. 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 e G-Code per la stampante 3D FDM; - esercitazioni presso il laboratorio di additive manufacturing per utilizzo stampante 3D FDM per produzione provini ed elementi strutturali precedentemente disegnati e preparati; - esercitazioni presso il laboratorio sperimentale per prove di trazione, compressione e flessione su provini polimerici prodotti mediante stampa 3D FDM; - esercitazioni presso il laboratorio informatico per capability analysis su geometria provini prodotti e analisi statistica sui risultati delle prove di trazione, compressione e flessione sui suddetti provini.

Verranno forniti appunti, dispense e slide da parte dei vari docenti durante lo svolgimento del corso. Una breve bibliografia consigliata, che risulta essere la base da cui il docente ha elaborato alcune delle slide e dispense consegnate a lezione (in particolare fasi 1, 4 e 5), è: [1] Brischetto, Salvatore; Ferro, Carlo Giovanni; Torre, Roberto; Maggiore, Paolo. "3D FDM production and mechanical behavior of polymeric sandwich specimens embedding classical and honeycomb cores", CURVED AND LAYERED STRUCTURES, 5(1), 80-94, 2018. [2] Ferro, Carlo Giovanni; Varetti, Sara; Brischetto, Salvatore; Maggiore, Paolo. "Mechanical behaviour of a multifunctional panel for de-icing systems", Mechcomp 3 3rd International Conference of Mechanics of Composites, Bologna (Italy), 4-7 July 2017. [3] Ferro, Carlo Giovanni; Brischetto, Salvatore; Maggiore, Paolo; Torre, Roberto. "Multi-material sandwich panel produced with desktop 3D printer", Mechcomp 3 3rd International Conference of Mechanics of Composites, Bologna (Italy), 4-7 July 2017. [4] Brischetto, Salvatore; Maggiore, Paolo; Ferro, Carlo Giovanni. "Special Issue on Additive Manufacturing Technologies and Applications", TECHNOLOGIES , 5(3), 1-2, 2017. [5] Brischetto, Salvatore; Ferro, Carlo Giovanni; Maggiore, Paolo; Torre, Roberto. "Characterization and analysis of homogeneous and sandwich PLA/ABS specimens produced via the FDM printing process for UAV structural elements", Mechcomp 3 3rd International Conference of Mechanics of Composites, Bologna (Italy), 4-7 July 2017. [6] Brischetto, Salvatore; Ferro, Carlo Giovanni; Maggiore, Paolo; Torre, Roberto. "Compression tests of ABS specimens for UAV components produced via the FDM technique", TECHNOLOGIES , 5(2), 1-25, 2017. [7] Michele, Bici; Brischetto, Salvatore; Francesca, Campana; Ferro, Carlo Giovanni; Carlo, Seclì; Varetti, Sara; Maggiore, Paolo; Andrea, Mazza. "Development of a multifunctional panel for aerospace use through SLM Additive Manufacturing", 11th CIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering, Ischia, July 2017. [8] Ferro, Carlo Giovanni; Casini, Andrea Emanuele Maria; Mazza, Andrea; Maggiore, Paolo; Brischetto, Salvatore. "A novel design approach for space components: application to a multifunctional panel", 68th International Astronautical Congress (IAC), Adelaide (Australia), 25-29 September 2017. [9] Brischetto, Salvatore; Maggiore, Paolo; Ferro, Carlo Giovanni. "Additive Manufacturing Technologies and Applications", Printed Edition of the Special Issue Published in Technologies, 1-180, MDPI AG, Basel, Switzerland, 2017. [10] Ferro, Carlo Giovanni; Brischetto, Salvatore; Torre, Roberto; Maggiore, Paolo. "Characterization of ABS specimens produced via the 3D printing technology for drone structural components", CURVED AND LAYERED STRUCTURES, 3(1), 172-188, 2016. [11] Brischetto, Salvatore; Ciano, Alessandro; Ferro, Carlo Giovanni. "A multipurpose modular drone with adjustable arms produced via the FDM additive manufacturing process", CURVED AND LAYERED STRUCTURES, 3(1), 202-213, 2016. [12] Brischetto, Salvatore; Ferro, Carlo Giovanni; Torre, Roberto; Maggiore, Paolo. "Tensile and compression characterization of 3D printed ABS specimens for UAV applications", 3rd International Conference on Mechanical Properties of Materials (ICMPM 2016), Venice (Italy), 14-17 December 2016. [13] Brischetto, Salvatore; Ciano, Alessandro; Raviola, Andrea. "Drone multifunzione componibile con bracci regolabili", Brevetto con numero di deposito 102015000069620, 2015. Gli originali di tali riferimenti bibliografici verranno consegnati dal docente agli studenti, se ritenuto necessario. In caso contrario, le dispense e slide fornite saranno sufficienti.

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto prodotto in gruppo; Progetto di gruppo;

Exam: Written test; Compulsory oral exam; Group essay; Group project;

... L'esame consiste in una prova scritta, una relazione sulle attività di laboratorio da svolgere in gruppi, una produzione 3D FDM in gruppi di un elemento strutturale prettamente aerospaziale, 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). - Non è prevista alcuna verifica sugli argomenti delle fasi 1 e 4 (ING-IND/04) poiché propedeutici alle attività di laboratorio che verranno valutate. La relazione da elaborare in gruppi (da 2 fino a 5 persone) dovrà essere svolta sulle attività di laboratorio informatico, laboratorio di additive manufacturing e laboratorio sperimentale della quinta fase (ING-IND/04). Tale relazione potrà essere consegnata al massimo una settimana prima della data ufficiale delle prove scritte di cui sopra. Insieme alla relazione dovrà essere consegnato anche l'elemento strutturale tipicamente aerospaziale prodotto dai gruppi tramite tecnica di stampa 3D FDM. La relazione riceverà 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). Il colloquio orale obbligatorio finale sarà costituito da una brevissima discussione sulla relazione e sulla valutazione della qualità dell'elemento strutturale precedentemente consegnato. Tale prova orale, insieme alla valutazione dell'elemento strutturale prodotto, consentirà di ottenere il voto finale come voto complessivo +/- 2 punti. 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".

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.