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. Saranno introdotte le tecniche di manufacturing per materiali compositi come l'automatic fiber placement (AFP) e il loro impatto sul design delle strutture aeronautiche. 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.

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.

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 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). Soluzione di problemi termo-elastici. 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.

Per ulteriori approfondimenti su tematiche affini o complementari si rimanda ad altri corsi. Ad esempio: dinamica e vibrazioni (Aeroelasticità), analisi FEM e strutture a guscio rinforzato (Strutture Aeronautiche); instabilità strutturale e progetto a fatica (Progettazione di Veicoli Aerospaziali); Analisi non-lineare (Strutture per veicoli spaziali).

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.

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

Slides;

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale individuale; Elaborato progettuale in gruppo;

Exam: Written test; Compulsory oral exam; Individual project; 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.