Applicazioni della tecnica di misura incremental hole drilling per provini sottili

Allo scopo di valutare le tensioni residue di un pannello in alluminio sottile, è stata sviluppata la tecnica definita Incremental Hole Drilling. Poichè tale tecnica è applicata a componenti di spessori rilevanti, per ovviare alle problematiche di vibrazione del provino è stata applicata una controlastra di resina polimerizzata per aumentare la rigidezza flessionale. Le analisi effettuate hanno mostrato una influenza della resina non trascurabile sullo stato di tensione del materiale.

Determinazione delle tensioni residue in componenti metallici sottili mediante "incremental hole drilling"

La vita di un aeromobile è un elemento importante sia per quanto riguarda la sicurezza del payload, che da un punto di vista economico, a causa delle spese di manutenzione/rinnovamento della flotta che una compagnia aerea deve affrontare. Gli elementi costitutivi di un aeromobile sono soggetti a diverse tipologie di carichi, alcuni dei quali ciclici come la pressurizzazione/depressurizzazione della fusoliera; tali carichi, nel lungo periodo, possono provocare la nascita e la propagazione di eventuali cricche, le quali possono portare alla rottura del componente stesso causando gravi incidenti. Il legame tra tensioni residue e nascita/crescita delle cricche ha portato allo sviluppo di tecniche per contrastare questo fenomeno, come il processo del LSP. Per la misura delle tensioni residue esistono già normative di riferimento, le quali però non trattano componenti metallici di piccolo spessore mentre i pannelli di fusoliera rientrano in questa categoria. Scopo di questa tesi è quello di studiare una variante della tecnica HD adatta a valutare le tensioni residue in componenti metallici di piccolo spessore e confrontare i risultati con quelli ottenuti con la tecnica XRD. L’idea di partenza è l’implementazione di un supporto posteriore in resina che simuli la presenza di uno spessore maggiore.

Applicazione della tecnica "incremental hole drilling" su materiali compositi

Durante la vita operativa di un aeromobile, gli elementi costitutivi possono essere soggetti a diverse tipologie di carichi. Questi carichi possono provocare la nascita e la propagazione di eventuali cricche, le quali una volta raggiunta una determinata dimensione possono portare alla rottura del componente stesso causando gravi incidenti. A tale proposito, la fatica costituisce uno dei fattori principali di rottura delle strutture aeronautiche. Lo studio e l’applicazione dei principi di fatica sugli aeroplani sono relativamente recenti, in quanto inizialmente gli aerei erano realizzati in tela e legno, un materiale che non soffre di fatica e assorbe le vibrazioni. I materiali aeronautici si sono evoluti nel tempo fino ad arrivare all’impiego dei materiali compositi per la costruzione degli aeromobili, nel 21. secolo. Il legame tra nascita/propagazione delle cricche e le tensioni residue ha portato allo sviluppo di numerose tecniche per la misurazione di queste ultime, con il fine di contrastare il fenomeno di rottura a fatica. Per la misurazione delle tensioni residue nei componenti metallici esistono diverse normative di riferimento, al contrario, per i materiali compositi, la normativa di riferimento è tuttora oggetto di studio. Lo scopo di questa tesi è quello di realizzare una ricerca e studiare dei metodi di riferimento per la misurazione delle tensioni residue nei laminati compositi, tramite l’approfondimento di una tecnica di misurazione delle tensioni residue, denominata Incremental Hole Drilling.

Confronto tra le tecniche XRD e IHD per la misura di tensioni residue

Le rotture a fatica dei componenti sono dovute principalmente alle tensioni di trazione generate da carichi ciclici e variabili nel tempo. Le cricche causate da questo tipo di tensioni possono propagarsi e crescere fino a causare danni catastrofici nel componente. La fatica costituisce uno dei fattori principali di rottura delle strutture aeronautiche; in campo aeronautico sono quindi molto diffusi dei trattamenti superficiali che permettono di indurre tensioni di compressione che contrastano quelle di trazione, in modo tale da ritardare o prevenire le rotture dovute al fenomeno della fatica. Esistono diverse tecniche per raggiungere questo risultato e permettere di prolungare la vita a fatica di un componente metallico, la più nota è sicuramente il Laser Shock Peening (LSP). Nel corso degli ultimi anni la maggior parte delle ricerche condotte rispetto a questa tecnica sono state incentrate sugli effetti meccanici che questo trattamento ha sul materiale in modo da determinare la configurazione ottimale per ottenere una distribuzione delle tensioni il più efficace possibile ai fini della vita a fatica; sono state svolte diverse prove sperimentali per studiare il ruolo dei parametri del laser e ottimizzare la procedura del LSP. Tra le tecniche utilizzate per valutare gli effetti del LSP in termini di tensioni residue, spiccano, oltre ai metodi computazionali, l'X-ray Diffraction (XRD) e l'Incremental Hole Drilling (IHD). L'elaborato di tesi qui presentato ha come scopo il confronto tra i livelli di tensioni residue riscontrate all'interno di provini sottili in lega di alluminio, sottoposti a differenti trattamenti laser, attraverso i suddetti metodi XRD e IHD. I risultati, già noti, ottenuti con la tecnica l'XRD sono stati posti a verifica attraverso dei test svolti con l'IHD presso i laboratori MaSTeRLab della Scuola di Ingegneria dell'Università di Bologna.

Measurement of LSP-induced residual stresses and fatigue life on thin-walled aluminium alloys specimens

This thesis work encloses activities carried out in the Laser Center of the Polytechnic University of Madrid and the laboratories of the University of Bologna in Forlì. This thesis focuses on the superficial mechanical treatment for metallic materials called Laser Shock Peening (LSP). This process is a surface enhancement treatment which induces a significant layer of beneficial compressive residual stresses underneath the surface of metal components in order to improve the detrimental effects of the crack growth behavior rate in it. The innovation aspect of this work is the LSP application to specimens with extremely low thickness. In particular, after a bibliographic study and comparison with the main treatments used for the same purposes, this work analyzes the physics of the operation of a laser, its interaction with the surface of the material and the generation of the surface residual stresses which are fundamentals to obtain the LSP benefits. In particular this thesis work regards the application of this treatment to some Al2024-T351 specimens with low thickness. Among the improvements that can be obtained performing this operation, the most important in the aeronautic field is the fatigue life improvement of the treated components. As demonstrated in this work, a well-done LSP treatment can slow down the progress of the defects in the material that could lead to sudden failure of the structure. A part of this thesis is the simulation of this phenomenon using the program AFGROW, with which have been analyzed different geometric configurations of the treatment, verifying which was better for large panels of typical aeronautical interest. The core of the LSP process are the residual stresses that are induced on the material by the interaction with the laser light, these can be simulated with the finite elements but it is essential to verify and measure them experimentally. In the thesis are introduced the main methods for the detection of those stresses, they can be mechanical or by diffraction. In particular, will be described the principles and the detailed realization method of the Hole Drilling measure and an introduction of the X-ray Diffraction; then will be presented the results I obtained with both techniques. In addition to these two measurement techniques will also be introduced Neutron Diffraction method. The last part refers to the experimental tests of the fatigue life of the specimens, with a detailed description of the apparatus and the procedure used from the initial specimen preparation to the fatigue test with the press. Then the obtained results are exposed and discussed.

Proprietà ottiche di film sottili di germanio nanoporoso

In questa tesi viene presa in esame una classe di materiali semiconduttori caratterizzata dalla presenza di una struttura nanoporosa in superficie. L’analisi è stata svolta tramite surface photovoltage spectroscopy (SPS) su cinque film di Ge realizzati in condizioni diverse, sfruttando due tecniche di impiantazione ionica (MBE e Sputtering). Valutando il valore in energia e l’ampiezza del picco della curva SPV che si ottiene, sarà possibile studiare come vengono modificate alcune proprietà elettriche e strutturali del Ge al variare della geometria e della disposizione dei nanopori. I risultati ottenuti mettono in risalto le potenzialità di questo nuovo tipo di materiale per realizzare e migliorare applicazioni come sensori, catalizzatori e pannelli fotovoltaici.

Celle solari ultra-sottili in silicio

Con l’incremento della popolazione mondiale e la conseguente crescita del fabbisogno di energia dovuta a nuovi lavori e sempre più macchinari in circolazione, è insorta l'esigenza di produrre più energia elettrica. A partire dagli anni ’50 numerosi scienziati hanno analizzato il problema energetico e sono giunti alla conclusione che fonti di energia come petrolio, carbone e gas non erano in grado di soddisfare il bisogno umano sul lungo termine e si è quindi passati alla ricerca di altre fonti di energia come il nucleare. Oggi, grazie ad un progetto ed uno studio di circa 50 anni fa – finalizzato alla alimentazione di satelliti geostazionari - , si sta sempre di più affermando la scelta del fotovoltaico, in quanto rappresenta un’energia pulita e facilmente utilizzabile anche nei luoghi dove non è possibile avere un allaccio alla normale rete elettrica. La ricerca di questo nuovo metodo di produrre energia, che tratta la conversione di luce solare in energia elettrica, si è evoluta, differenziando materiali e metodi di fabbricazione delle celle fotovoltaiche, e quindi anche dei moduli fotovoltaici. Con la crescente produzione di apparati elettronici si è arrivati però ad avere un nuovo problema: il consumo sempre maggiore di silicio con un conseguente aumento di prezzo. Negli ultimi anni il prezzo del silicio è significativamente aumentato e questo va a pesare sull’economia del pannello fotovoltaico, dato che questo materiale incide per il 40-50% sul costo di produzione. Per questo motivo si sono voluti trovare altri materiali e metodi in grado di sostituire il silicio per la costruzione di pannelli fotovoltaici, con il seguire di nuovi studi su materiali e metodi di fabbricazione delle celle. Ma data la conoscenza e lo studio dovuto ai vari utilizzi nell’elettronica del silicio, si è anche studiato un metodo per ottenere una riduzione del silicio utilizzato, creando wafer in silicio sempre più sottili, cercando di abbassare il rapporto costo-watt , in grado di abbassare i costi di produzione e vendita.