Design and development of the new composite-material mainplane of the Dallara T12 race car

Abstract (US) Composite material components design and production techniques are discussed in the present graduation paper. In particular, this paper covers the design process and the production process of a carbon-fiber composite material component for a high performance car, more specifically, the Dallara T12 race car. This graduation paper is split in two. After a brief introduction on existing composite materials (their origins and applications), the first part of the present paper covers the main theoretical concepts behind the design of composite material components: particular focus will be given to carbon-fiber composites. The second part of the present paper covers the whole design and production process that the candidate carried out to create the new front mainplane of the Dallara T12 race car. This graduation paper is the result of a six-months-long internship that the candidate conducted as Design Office Trainee inside Dallara Automobili S.p.A. Abstract (ITA) La presente tesi di laurea discute le metodologie progettuali e produttive legate alla realizzazione di un componente in materiale composito. Nello specifico, viene discussa la progettazione e la produzione di un componente in fibra di carbonio destinato ad una vettura da competizione. La vettura in esame è la Dallara T12. Il lavoro è diviso in due parti. Nella prima parte, dopo una breve introduzione sull’origine e le tipologie di materiali compositi esistenti, vengono trattati i concetti teorici fondamentali su cui si basa la progettazione di generici componenti in materiale composito, con particolare riguardo ai materiali in fibra di carbonio. Nella seconda parte viene discusso tutto il processo produttivo che il candidato ha portato a termine per realizzare il nuovo alettone anteriore della Dallara T12. La presente tesi di laurea è il risultato del lavoro di progettazione che il candidato ha svolto presso l’Ufficio Tecnico di Dallara Automobili S.p.A. nel corso di un tirocinio formativo di sei mesi.

Gli aeromobili da trasporto passeggeri: stima della massa dei componenti strutturali e dei sistemi

Il presente lavoro di tesi è stato svolto con lo scopo di valutare la distribuzione dei pesi dei componenti e dei sistemi di un aeromobile da trasporto civile; visto che le formule che la bibliografia propone sono state pensate per aerei con struttura tradizionale in alluminio, nel caso dei nuovi aerei in composito si è cercato di valutare una formula correttiva in modo da trovare valori più realistici di peso. Il motivo dell’introduzione di tali coefficienti correttivi deriva dalla proprietà dei materiali compositi di conferire al velivolo leggerezza rispetto ai materiali tradizionali, ma garantendogli, al pari di essi, elevata resistenza e robustezza. Lo studio è stato condotto su cinque modelli di aeromobili da trasporto passeggeri: Boeing 737-800, Boeing 747-100, Boeing 777-300, Boeing 787-8, Airbus A350-900. Seppur con i limiti dati da uno studio preliminare e puramente statistico, sono stati ottenuti valori dei coefficienti correttivi più dettagliati di quanto proposto in letteratura, in cui si propone di adottare un unico coefficiente correttivo in caso di velivolo in composito, indipendente dal tipo di aereo e dalla percentuale di composito utilizzata nelle varie parti del velivolo stesso.

Studio di fattibilità di una protesi di piede realizzata con fibra di carbonio a basso costo

Il mondo dei materiali compositi è in continua espansione, e sono sempre di più le aziende che richiedono componenti prodotti con questi materiali, uno dei quali è la fibra di carbonio. Tali aziende producono inevitabilmente scarti di lavorazione derivanti dal taglio di sagome dai fogli di fibra di carbonio; questi ritagli rappresentano ancora una buona materia prima, che, se ben conservata, può essere utilizzata per la fabbricazione di prodotti secondari. Così facendo sarà possibile ridurre il costo di smaltimento della fibra, e, al contempo, ottenere manufatti in fibra di carbonio a basso costo. È in questo contesto che rientra il lavoro e la ricerca di questo elaborato il cui obbiettivo è riutilizzare gli sfridi di lavorazione per realizzare protesi di piede a basso costo in fibra di carbonio. Un ulteriore attenzione è stata posta al metodo di fabbricazione della protesi, il quale deve risultare semplice da realizzare. Per questa ragione si è deciso che la pressione durante la cottura fosse da applicare per via meccanica, attraverso la presenza di uno stampo e di un controstampo, serrati tramite collegamenti bullonati. Nell’elaborato sarà descritto il lavoro svolto per l’ottenimento della forma e della disposizione degli strati di fibra di carbonio, basato su simulazione di modelli ad elementi finiti, che ha condotto alle migliori sagome e al miglior orientamento delle fibre negli strati di materiale composito. Sarà inoltre illustrato il metodo utilizzato per ottenere lo stampo, e le procedure da seguire per la realizzazione del prototipo di protesi. Saranno infine illustrati i risultati ottenuti dalle prove di caratterizzazione di due prototipi differenti, uno ottenuto con fibre intere, e uno realizzato con fibre corte.

Simulazioni di impatti su componenti in materiale composito

Il seguente elaborato costituisce un approfondimento nel campo dei materiali compositi e della loro modellizzazione nel software, incominciato in seno all'attività curriculare di tirocinio da me svolta presso i laboratori universitari. Lo scopo è effettuare analisi numeriche su componenti e provini in materiale composito al fine di osservare, e conseguentemente valutare, gli effetti che diverse tipologie di carico, e in particolare diverse tipologie di impatti, provocano. Il mezzo con il quale ho potuto raggiungere tale obiettivo è stato Abaqus, un software di simulazione largamente utilizzato da aziende ed enti che operano nel settore aerospaziale, dell'automotive, ecc. Il funzionamento di Abaqus si basa sull'impiego di modelli agli elementi finiti, pertanto parte dell'introduzione è dedicata all'illustrazione della teoria degli elementi finiti. Inoltre sempre nella parte introduttiva è riportata una breve descrizione dei materiali compositi con un'analisi delle loro principali caratteristiche. Infatti la loro particolare natura rende difficoltoso creare nella pratica modelli funzionanti, e pertanto, al fine di ottenere risultati il più possibile coerenti alla realtà, è necessario avere una perfetta conoscenza delle loro proprietà.

Applicazione di reticoli di Bragg "chirped" per il monitoraggio strutturale di laminati CFRP

L’uso dei materiali compositi è andato aumentando negli ultimi decenni per la loro elevata rigidezza, la resistenza specifica e il possibile risparmio, notevole in termini di peso dell’intera struttura. Tali materiali introducono però nuove problematiche riguardanti le modalità di danneggiamento e il comportamento a fatica. Mentre questi fenomeni sono relativamente ben compresi nei materiali metallici, per una struttura in composito non esistono ancora modelli in grado di predire con sufficiente affidabilità l’evoluzione del danneggiamento. Negli ultimi anni la ricerca si è focalizzata sullo sviluppo di sistemi in grado di rilevare la presenza e l’evoluzione del danno, definiti Structural Health Monitoring Systems, ovvero sistemi di monitoraggio strutturale. Il danneggiamento strutturale può così essere individuato e identificato per mezzo di sensori distribuiti integrati nella struttura stessa, aventi la possibilità di trasmettere queste informazioni a un sistema di analisi esterno permettendo di valutare lo stato di degrado della struttura in tempo reale. In questo contesto si inseriscono le attività di ricerca sulle strutture intelligenti che, inglobando al loro interno opportune tipologie di sensori e attuatori, sono in grado di monitorare l’ambiente fisico operativo, raccoglierne e interpretarne le informazioni per poi rispondere ai cambiamenti della struttura in modo appropriato attraverso gli attuatori. L’impiego di sensori e attuatori inglobati nelle strutture offre molteplici vantaggi rispetto ai sistemi di trasduzione e attuazione convenzionali. L’attività di ricerca condotta in questa tesi è rivolta all’indagine di tecniche di SHM per mezzo di sensori a fibra ottica. Essi presentano molteplici peculiarità che li rendono i candidati ideali per queste applicazioni. Esistono diversi tipi di sensori che utilizzano le fibre ottiche. Nel presente lavoro si sono utilizzati sensori di deformazione basati sui reticoli di Bragg (FBG) chirped. Questi sensori sono costituiti da un reticolo inscritto all’interno della fibra, che ha l’effetto di riflettere solo alcune lunghezze d’onda della luce incidente. Se le proprietà geometriche del reticolo cambiano per effetto di una deformazione, cambia anche la forma dello spettro riflesso. Inoltre, con il tipo di sensore usato, è possibile correlare lo spettro con la posizione di eventuali danneggiamenti interni al materiale. Gli obbiettivi di questa ricerca sono di verificare gli effetti della presenza di una fibra ottica sulle caratteristiche meccaniche di un laminato e di trovare un legame tra la risposta in frequenza del sensore FBG e lo stato tensionale e il grado di danneggiamento di un componente in composito.

Molle a disco conico in materiale composito per applicazioni automotive: primo dimensionamento e realizzazione

Lo scopo del seguente elaborato è porre le basi per il dimensionamento, e la successiva realizzazione, di molle a disco conico costruite con materiali compositi per applicazioni automotive, che costituiscano una possibile alternativa alle comuni molle elicoidali in materiali metallici. I vantaggi principali riguardano un risparmio in termini di peso ed un miglioramento del comportamento a fatica. Successivamente ad una introduzione sulle teorie analitiche e numeriche applicabili a tali tipologie di molle, è stata effettuata un'analisi volta all'individuazione dei parametri geometrici principali che regolano il comportamento delle molle a tazza, a cui fa seguito la stesura di una procedura per il dimensionamento preliminare. Sono, in seguito, stati riportati i cenni teorici relativi alle configurazioni di montaggio, alla definizione degli attriti, delle tensioni, alla valutazione dei carichi affaticanti e delle tipologie di carico. I risultati ottenuti nel dimensionamento sono stati infine utilizzati per realizzare alcuni prototipi funzionali di elementi di molle a tazza in carbonio con tecnologia di laminazione manuale e successiva fase di polimerizzazione in forno. Tali provini sono stati analizzati per valutare le problematiche sorte durante la produzione, quali mancata compattazione delle lamine, eccessi di resina e formazione di vuoti, proponendo infine possibili soluzioni e miglioramenti.

Analisi del comportamento a fatica di un laminato al variare della sequenza di impilamento e delle dimensioni

I materiali compositi rivestono un ruolo fondamentale nell’industria aeronautica e nel settore delle competizioni automobilistiche. La possibilità di progettare i materiali in funzione della loro applicazione permette una crescente diffusione del loro utilizzo, e l’ampliamento delle applicazioni a moltissimi altri settori, sia per componenti di tipo strutturale, sia di tipo estetico. Nonostante la quantità di studi sul comportamento a fatica dei compositi, non sono ancora presenti risultati attendibili per la previsione della resistenza e della vita a fatica in relazione ad un determinato tipo di sollecitazione; non almeno a livello dei materiali tradizionali. L’obiettivo della tesi è indagare eventuali variazioni del comportamento a fatica di un laminato in CFRP in relazione al variare di parametri quali dimensioni e sequenza di impilamento delle ply. Per tale scopo sono state realizzate delle prove per il calcolo del comportamento a fatica, in particolare prove di flessione in 3 punti, e si sono poi confrontati tra loro i risultati sperimentali e correlati al variare dei parametri di interesse.

Valutazione degli effetti di invecchiamento termico su laminati in CFRP

Valutazione degli effetti ambientali sulle caratteristiche meccaniche di materiali compositi avanzati. Laminati in fibra di carbonio e resina epossidica, sottoposti a cicli termici, sono stati analizzati per determinare le resistenze strutturali degli stessi. I valori ottenuti sono stati comparati con materiale non invecchiato.

Comportamento fuori piano di pareti in muratura rinforzate con FRCM

Nella presente Tesi è affrontata l’analisi sperimentale e teorica del comportamento di pareti in muratura rinforzate con FRCM e sollecitate da azioni di taglio fuori piano. Lo schema statico adottato per i campioni sperimentati consiste in uno schema appoggio-appoggio, mentre le forze esterne di taglio sono state applicate secondo uno schema di carico a quattro punti. Durante il corso della prova, i pannelli murari sono inoltre stati soggetti ad un carico di precompressione verticale costante, che simula l’effetto della presenza del solaio in un edificio in muratura. Dopo una descrizione teorica delle principali caratteristiche dei materiali compositi e dei loro costituenti, all’interno della Tesi sono richiamati alcuni studi scientifici relativi al comportamento fuori piano di elementi strutturali rinforzati con FRCM. In seguito vengono presentati i materiali impiegati per la campagna sperimentale e le prove di caratterizzazione meccanica eseguite. Vengono poi riportati i risultati sperimentali delle prove a taglio fuori piano in termini di spostamenti, di deformazioni e di scorrimenti, affrontando infine un confronto tra i risultati ottenuti per i campioni esaminati e riportando alcune considerazioni circa la strumentazione impiegata. L’ultima parte della Tesi è dedicata all’analisi teorica delle pareti. Viene proposto un modello teorico per stimare la resistenza fornita dai muri rinforzati, ipotizzando tre possibili modalità di rottura: rottura a trazione della fibra, rottura per distacco tra FRCM e supporto in muratura e rottura per delaminazione interna. Infine, viene riportata la modellazione agli elementi finiti svolta mediante il codice di calcolo MidasFea, che consente di attribuire ai materiali legami costitutivi adeguati per la modellazione di strutture in muratura, cogliendone il comportamento non lineare e il progressivo danneggiamento.

Membrane poliarammidiche nanofibrose: produzione mediante elettrofilatura e applicazione come ritardante di fiamma

I compositi a matrice polimerica sono stati soggetto di indagine e sviluppo per le ottime proprietà meccaniche che possiedono. Portando come esempio di questo tipo di compositi i materiali a matrice epossidica rinforzati in fibra di carbonio, questi sono molto performanti ma presentano due principali problematiche: la delaminazione e la elevata infiammabilità. Recenti studi hanno dimostrato che la possibilità di integrare in un materiale composito un rinforzo a base nanofibrosa, può modificare in maniera sostanziale le proprietà meccaniche e non solo del composito. Nel presente lavoro di tesi è stato condotto uno studio riguardante la possibilità di includere nanofibre di natura meta-arammidica all’interno di materiali compositi e l’effetto che questo possono avere sulla cinetica di reticolazione della resina. Essendo inoltre ben note le ottime proprietà antifiamma delle fibre poli-arammidiche si è studiato il comportamento alla fiamma di materiali (legno e compositi in fibra di carbonio) ricoperti da strati micrometrici di tali nanofibre tramite misure al cono calorimetro.

Preparazione mediante elettrofilatura di membrane polimeriche composite per scopi catalitici.

Vi è un crescente interesse verso lo studio di materiali compositi nanostrutturati. Tra questi risultano di particolare interesse le membrane polimeriche composite. Questi materiali presentano proprietà uniche, sono già largamente utilizzate in ambito bio-medicale, industriale e in molti processi di separazione di effluenti liquidi e gassosi. Un’altra applicazione di grande interesse è l’utilizzo di queste membrane come catalizzatori, in particolare per lo sviluppo di sistemi in flusso. Le membrane polimeriche composite per scopi catalitici vengono prodotte inserendo una fase attiva inorganica nella matrice polimerica; una delle tecniche di produzione è l’elettrofilatura. Questa tecnica permette di ottenere fibre polimeriche di diametro sub-micrometrico, sfruttando l’azione di un intenso campo elettrico. In questo lavoro è stata studiata la preparazione di membrane catalitiche aventi come matrice polimerica il Nylon 6,6 e il polietileneossido (PEO), contenenti come fase attiva Au e Pd. La produzione di queste membrane viene studiata per una possibile applicazione in sistemi in flusso per l’ossidazione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale (5-HMF) ad acido 2,5 furan-dicarbossilico (FDCA). Questa reazione è molto importante, in quanto consente di ottenere monomeri plastici di origine vegetale, come può essere l’FDCA.

Produzione di un filamento a base di acido polilattico additivato con rinforzo di origine naturale per additive manufacturing

Scopo dell'elaborato è stato la produzione di un materiale bio-composito formato da PLA ed un rinforzo di origine naturale derivante dal settore agricolo, nell'ottica di diminuire i costi dei manufatti costituiti da tale materiale, riducendo il contenuto di PLA, e rivalorizzare lo scarto di farine in applicazioni di stampa 3D. Inizialmente le farine sono state studiate mediante analisi spettroscopiche (FT-ATR), osservazioni al microscopio ottico e analisi TGA. Dopodiché sono stati prodotti filamenti per stampa 3D di materiale composito al 10% e caratterizzati termicamente (DSC, TGA, Cp) e meccanicamente (DMA). Successivamente alla stampa 3D di questi filamenti, sono stati analizzati comportamenti termici (CTE, DSC) e meccanici (prove di trazione, DMA) dei provini stampati. Si è infine valutata l'influenza del trattamento termico di ricottura sui provini stampati mediante analisi DSC e DMA.

Analisi strutturale del cerchione in materiale composito del veicolo solare Emilia 5

La finalità della tesi è quella di poter progettare il cerchione del veicolo solare "Emilia 5" in materiale composito. Questa auto è l’evoluzione della "Emilia 4", sviluppata dalla squadra Onda Solare in collaborazione con l’Università di Bologna, con cui sono state vinte molte gare. Tramite software (Ansys) è stato realizzato il modello virtuale del cerchione in fibra di carbonio e, con l'ausilio dell'analisi agli elementi finiti, ne è stata verificata la stabilità, sottoponendolo a cinque condizioni di carico diverse. Lo studio approfondisce le tematiche riguardanti i materiali compositi, il concetto di sequenza di laminazione e come varia la distribuzione delle tensioni al variare di esse. In particolare, viene analizzato con attenzione lo studio tramite software della sequenza di laminazione che permette di ottenere i risultati migliori per il tipo di applicazione. Infine, vengono confrontati i dati ottenuti dalle simulazioni effettuate, per l'analisi e lo studio dei dati significativi.

Progettazione e modellazione numerica di un elemento strutturale per il telaio dell’auto solare Emilia 5

Nel seguente elaborato viene ripercorso il lavoro svolto per la progettazione di un box batterie in materiale composito e in particolare il relativo sistema di fissaggio al telaio che verrà utilizzato per l’auto solare Emilia 5. Questo prototipo di veicolo, che viene sviluppato dai membri del team Onda Solare presso l’azienda Metal TIG a Castel San Pietro Terme (BO), è un’auto completamente elettrica che sfrutta l’energia solare attraverso pannelli fotovoltaici e la cui propulsione è garantita dalla sola energia accumulata nelle batterie. Emilia 5 gareggerà all’evento World Solar Challenge 2023 in Australia, competizione riservata alle auto solari che vede impegnati teams da tutto il mondo. L’elaborato mostra inizialmente la modellazione geometrica tridimensionale delle parti sviluppata attraverso il software Solidworks, analizzandone i dettagli funzionali. In seguito, tramite il software Ansys Workbench, vengono eseguite simulazioni agli elementi finiti verificando che i componenti, considerati in alluminio, rispondano correttamente ai carichi imposti. Per ultimo, vengono menzionati i materiali compositi in fibra di carbonio e si analizza la sequenza di laminazione relativa alla scatola delle batterie. I risultati ottenuti saranno utilizzati dal team Onda Solare come punto di riferimento per la realizzazione dei componenti di Emilia 5.

Studio e validazione sperimentale di componenti in materiale composito avanzato ottenuto da materiale di riciclo

I materiali compositi a matrice polimerica rinforzati con fibra di carbonio (CFRP) si stanno sviluppando in maniera esponenziale negli ultimi anni, con una crescita del 20 – 25% annua, tanto che si prevede una domanda di circa 194.000 tonnellate entro il 2022 per cui è evidente che negli anni a venire dovranno essere smaltiti diversi rifiuti realizzati con tale materiale. Lo stato attuale relativo al riciclo dei CFRP prevede, per la maggior parte di essi, di essere conferiti in discarica o inviati all’inceneritore per ottenere un recupero energetico grazie alla presenza della matrice a base polimerica ma questo non consente il recupero della fibra per cui non è una tecnica che sfrutta l’alto valore del rifiuto. È proprio per questo motivo che si stanno sviluppando diverse metodologie di riciclo dei materiali compositi fibro – rinforzati nell’ottica dell’economia circolare, in particolare, si distinguono in riciclo meccanico, termico e chimico in base ai principi che stanno alla base degli stessi. Si precisa che su scala commerciale è stato realizzato solamente il riciclo termico tramite pirolisi mentre per tutte le altre tecniche si è ancora in fase di sperimentazione e di ricerca in laboratorio. L’obiettivo dell’elaborato di tesi è quello di valutare e approfondire il riciclo dei materiali compositi in fibra di carbonio in modo tale da studiare e validare sperimentalmente due componenti realizzati in materiale composito rinforzato con fibra di carbonio riciclata per poterli confrontare con i medesimi componenti realizzati in fibra nuova così da trarre delle conclusioni in merito alle proprietà meccaniche di rigidezza e resistenza ottenibili. Il lavoro di tesi è stato svolto all’interno dell’azienda Bucci Composites S.p.A. con sede a Faenza, la quale si occupa di progettazione e realizzazione di diversi componenti in materiale composito avanzato per diverse aziende clienti provenienti dai settori automotive, aerospaziale, nautico e industriale più in generale.