MaCh3D: Development and Applications of a Compact Universal Testing Machine

Abstract

In questo lavoro di tesi, viene riportato lo sviluppo di procedure e apparecchiature per realizzare attività di caratterizzazione dei materiali utilizzando MaCh3D, una macchina di prova universale di dimensioni compatte, sviluppata per la certificazione di prodotti e materiali direttamente in produzione. Le attività di caratterizzazione dei materiali sono fondamentali per la determinazione delle proprietà meccaniche dei materiali e per la certificazione della qualità dei prodotti. Il provino a geometria proprietaria di MaCh3D, concepito per facilitare le procedure di set-up della prova, è stato progettato attraverso un processo di design-by-analysis, ricorrendo al metodo degli elementi finiti, al fine di ottenere una geometria del campione compatibile, in termini di risultati, con lo standard di riferimento ASTM D638. Una validazione sperimentale, condotta utilizzando materiali diversi, è stata effettuata per confermare i risultati ottenuti numericamente. Inoltre, l'uso dell’additive manufacturing come metodo di produzione diretta, con riferimento in particolare alle tecnologie di produzione metallica, richiede una certificazione continua dei materiali fabbricati. L'attività di caratterizzazione è onerosa sia in termini di tempo che di risorse impiegate: oltre alle operazioni di caratterizzazione, è necessario considerare il costo di produzione dei campioni. Provini che presentano una geometria ridotta rispetto a quella standard consentono di ridurre drasticamente i tempi di stampa e la quantità di materia prima necessaria a realizzarli. Sono state sviluppate tre diverse geometrie di provino miniaturizzato per eseguire prove di trazione su leghe ad alta resistenza: le geometrie sono compatibili con il sistema di afferraggi di MaCh3D, basato sulla trasmissione del carico tramite vincolo di forma e non di forza. La sezione ridotta è stata determinata a partire da provini standard, come quelli definiti dalla normativa ASTM E8M, e ridimensionati proporzionalmente per raggiungere i livelli di stress desiderati, vista la limitata forza massima esercitabile da MaCh3D. Attraverso l'analisi agli elementi finiti, è stata determinata la forma migliore per i raccordi che collegano le teste dei provini MaCh3D, a forma di goccia, alla sezione rettilinea ridotta. La validazione sperimentale, condotta usando come materiale di produzione dei provini l’acciaio inossidabile A304 laminato a freddo, ha confermato l'equivalenza nei risultati tra campioni standard e quelli miniaturizzati con geometria MaCh3D. Inoltre, le tecnologie di additive manufacturing sono generalmente caratterizzate dall'avere camere di stampa dalle dimensioni ridotte, impedendo così la possibilità di costruire oggetti di grandi dimensioni. Un approccio che consente di superare questo limite è quello di suddividere gli oggetti in più parti, unendole in un secondo tempo. L'uso di adesivi strutturali consente di incollare componenti diversi ottenuti tramite additive manufacturing evitando distorsioni termiche e modifiche metallurgiche (ad es. dovute alla saldatura) o l’aggiunta di ulteriori componenti con un conseguente aumento di peso (ad es. a causa dell’utilizzo di viti e bulloni), mantenendo i vantaggi tipicamente associati all’additive manufacturing, ovvero un peso dei componenti ottimizzato ed un elevato rapporto rigidezza/resistenza. Un'altra possibile applicazione è l’incollaggio di parti realizzate tramite additive manufacturing e componenti prodotti con materiali diversi che non possono essere saldati o che devono essere isolati elettricamente per evitare la corrosione galvanica. E’ stata effettuata la caratterizzazione di giunti realizzati tramite fused filament fabrication, con particolare attenzione all'influenza della rugosità superficiale e del pattern determinato dall’azione di stampa. Poiché la rugosità ed il pattern superficiale possono essere modificati agendo sui parametri di processo, possono effettivamente diventare fattori di progettazione. Al fine di valutare l'influenza dei parametri di stampa sulla resistenza meccanica dei giunti incollati, è stata realizzata una campagna sperimentale utilizzando aderendi realizzati tramite fused filament fabrication e un adesivo poliuretanico. È stata progettata l’attrezzatura necessaria per eseguire l'attività di caratterizzazione su MaCh3D, implementando allo stesso tempo la procedura software. I risultati indicano che il tasso di rilascio di energia di deformazione (GIC) è massimizzato per i parametri di stampa che migliorano la bagnabilità degli aderendi e la resistenza meccanica, sebbene si sia riscontrata una grande dispersione nei risultati.

In this thesis, it is reported the development of procedures and equipment to realize material characterization activities using MaCh3D, a desktop-sized universal testing machine developed for products and materials certification directly on the production site. Material testing is a fundamental activity for the characterization of materials mechanical properties and for the certification of product quality. MaCh3D proprietary specimen, conceived to facilitate test set-up procedures, has been designed through a design-by-analysis process, resorting to finite elements method in order to obtain a sample geometry that is compatible, in terms of results, with the reference ASTM D638 standard. An experimental validation, conducted using different materials, has been carried out to confirm the results obtained numerically. Furthermore, the use of additive manufacturing as a direct production method, in particular referring to technologies based on metals, requires continuous certification of the fabricated materials. The characterization activity is expensive both in terms of time and resources used: in addition to the testing operations, it is necessary to consider the cost of the specimens production. Miniaturized specimens allow to drastically reduce printing time and the quantity of raw material needed. Three miniaturized specimens geometries are thus presented, compatible with MaCh3D proprietary fixtures, to perform tensile tests on high-performance alloys. The reduced section has been determined starting from standard specimens, such the ones reported in ASTM E8M, and proportionally scaled to reach desired stress levels, given the limited exercisable force by MaCh3D. Through finite elements analysis, it has been determined the best shape for fillets connecting MaCh3D droplet-shape specimens heads to the reduced rectilinear section. Experimental validation, conducted using cold rolled A304 stainless steel, confirmed the equivalence in results between standard samples and MaCh3D miniaturized ones. Moreover, additive manufacturing technologies are usually characterized by having small build chambers, hence avoiding the possibility to build large scale objects. One way to overcome this problem, is to subdivide objects in different sections and join them afterwards. The use of structural adhesives allows the joining of additive manufacturing components avoiding thermal distortions and metallurgical modifications (i.e. due to welding) or additional components and weight increase (i.e. due to fastening), maintaining the typical additive manufacturing advantage of an optimized weight to stiffness/strength ratio. Another possible application is the joining between additively manufactured parts and components produced with different materials that cannot be welded or need to be electrically insulated to avoid galvanic corrosion. A characterization of bonding between free filament fabrication manufactured parts, with a focus on the influence of the surface roughness and micro-pattern, is thus presented. Since surface roughness and pattern can be tuned acting on additive manufacturing process parameters, they can effectively become design factors. In order to evaluate printing parameters influence on joint mechanical strength, double cantilever beam tests are performed using fused filament fabrication adherends and polyurethane adhesive. An appropriate fixture has been designed to perform the characterization activity on MaCh3D, at the same time implementing the software procedure needed. Results indicates that strain energy release rate (GIC) is maximized for printing parameters that enhance adherend wettability and mechanical strength, although a large scatter in results is present.