I ricercatori svizzeri Marco Pelanconi e Alberto Ortona e la struttura ad ala di farfalla nella stampa 3D di strutture ultraleggere

Ricercatori svizzeri ispirati alla struttura ad ala di farfalla nella stampa 3D di strutture ultraleggere

I ricercatori svizzeri Marco Pelanconi e Alberto Ortona (entrambi dell’Istituto di ingegneria meccanica e tecnologia dei materiali (MEMTI) , Università di scienze applicate (SUPSI) ) stanno testando strutture leggere 3D ispirate alle farfalle.

Con i loro risultati dettagliati nelle strutture di recente ispirazione ispirate alla natura, ultraleggere con nuclei giroscopici prodotte dalla produzione additiva e rinforzate da nervature unidirezionali in fibra di carbonio , Pelanconi e Ortona raggiungono la natura per comprendere meglio il design e le prestazioni di una insetto particolare che continua ad affascinare gli umani per i loro incantevoli colori brillanti e le loro abitudini migratorie. Mentre molte sfaccettature della natura ispirano oggi le architetture stampate in 3D, dai pesci ai molluschi marini e altro ancora, qui la farfalla è stata studiata grazie alla sua geometria ottimizzata e al noto design che consente loro non solo di invitare i compagni o eludere i predatori, ma anche di piegare i carichi :

“In una sezione trasversale di una scala alare, la regione centrale altamente porosa separa due regioni esterne che sono realizzate da un telaio in cui le barre portanti sono collegate al nucleo poroso da barre perpendicolari più piccole”, hanno affermato i ricercatori. “La topologia della regione porosa interna massimizza la rigidità della struttura minimizzandone il peso.

Micrografia al microscopio elettronico a scansione (SEM) su una vista in sezione trasversale di una scala ad ala di farfalla [10]. (a) Regione centrale altamente porosa supportata da barre ad alta rigidità. (b) La stessa struttura ad un ingrandimento maggiore: le fibre più piccole perpendicolari creano il collegamento tra il nucleo poroso e le barre. La barra della scala è 1.

In questo studio, gli autori hanno sviluppato un nuovo design che offre una rigidità superiore ai rapporti di peso:
“Abbiamo eseguito la nostra selezione dei materiali sulla base dei cinque criteri correlati di Ashby: (i) la funzione del componente strutturale che determina (ii) la scelta dei materiali e le loro proprietà, (iii) la forma e le dimensioni dei componenti, e (iv) il processo utilizzato per produrre i componenti che interagiscono con (v) il costo e la disponibilità (sia del materiale che del processo). ”

La nuova struttura è stata inoltre rinforzata con aste in plastica rinforzata con fibra di carbonio (CFRP), aggiunte alle strutture stampate in 3D con colla. La struttura coinvolgeva un tubo polimerico alla tiroide al centro della sua semplice architettura, e il ricercatore ha spiegato che oltre a questo lavoro avrebbero lavorato sullo sviluppo di strutture più forti per trasportare carichi più complessi.

Superficie del tiroide con cellule di 10 mm. (a) matrice 140 × 30 × 15 mm. (b) cellula dell’unità tiroidea da 10 mm

Il giroscopio campione è stato fabbricato con le seguenti misure: lunghezza di 140 mm, larghezza di 30 mm e altezza di 15 mm. I tubi di collegamento presentavano un diametro esterno di 3,25 mm e con “diametri interni variabili” a seconda dell’asta.

Schema della procedura per collegare il tiroide con inserti in plastica rinforzata con fibra di carbonio unidirezionale (CFRP). (a) Cellula solida tiroidea con spessore della superficie di 0,75 mm. (b) estrusione di 3,25 mm della superficie superiore della cella. (c) Aggiunta del tubo con diametro di 3,25 mm. (d) Aggiunta degli inserti CFRP con un diametro di 1,20 mm. La barra della scala è di 5 mm.

Le strutture stampate in 3D accompagnate dalle aste in CFRP hanno mostrato una rigidità due volte superiore a quella dei campioni non rinforzati. La struttura potenziata con CFRP è stata in grado di gestire un carico massimo di circa 280 ± 10,05 N, sebbene gli autori abbiano notato che entrambi i tipi di strutture non hanno funzionato con uno spostamento di 10 mm.

Simulazioni di elementi finiti a flessione a tre punti della struttura con diverse configurazioni. (a) Variazione dello spessore della tiroide. (b) Variazione del diametro del CFRP. (c) Deformazione da rigidità a flessione contro gli spessori della tiroide. (d) Grafico degli spessori stress-tiroidei. (e) Deformazione di flessione della rigidità rispetto ai diametri CFRP. (f) Tabella dei diametri stress-CFRP. La barra della scala è di 5 mm.

“Alcuni parametri come lo spessore della tiroide influenzano le proprietà meccaniche dei nuclei nudi, perché aggiungere spessore significa aggiungere massa alla struttura”, hanno concluso i ricercatori. “Questo parametro, tuttavia, è molto meno influente se si considera la struttura rinforzata con fibre. Questo perché, in generale, i nuclei sono molto meno caricati delle pelli in una struttura a sandwich sotto flessione. In effetti, l’influenza del diametro della barra CFRP è molto significativa.

“Un vantaggio di questa soluzione rispetto alle strutture sandwich standard è che collega direttamente la parte solida del nucleo poroso all’elemento di rinforzo accoppiato e quindi minimizza ulteriormente la sua massa. L’approccio topologico proposto può essere applicato a molti materiali purché vi sia una differenza nel modulo elastico tra il nucleo e le nervature. Il nostro lavoro mirava a dimostrare la fattibilità di questo concetto, motivo per cui abbiamo usato la nota litografia stereo come tecnica AM e aste commerciali in CFRP come nervature. “

Simulazioni agli elementi finiti delle strutture: risultati di spostamento. (I) t = 0,375 mm; d = 1,2 mm. (II) t = 0,75 mm; d = 1,2 mm. (III) t = 1,5 mm; d = 1,2 mm. (IV) t = 0,75 mm; d = 0,6 mm. (V) t = 0,75 mm; d = 2,4 mm. t è lo spessore della tiroide e d è il diametro del CFRP. La barra della scala è di 10 mm.

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