Il progetto Smart-ProFACE, guidato dal gruppo di ricerca del Prof. Stefano Beretta, è risultato vincitore del bando ESA “SMART, RELIABLE AND COST-EFFECTIVE MANUFACTURING AND FATIGUE VERIFICATION OF MISSION CRITICAL STRUCTURAL ITEMS”.
L'obiettivo principale per ESA è identificare, selezionare e approfondire lo sviluppo di promettenti processi di stampa Additive Manufacturing (AM) relativamente maturi e all'avanguardia (già destinati ad applicazioni per spazio, automotive, aeronautica), insieme a nuove metodologie di progettazione. L'ambizione è rivolta ad una produzione economicamente efficiente di materiali resistenti ad un alto numero di cicli di fatica per componenti strutturali metallici “mission-critical”, con costi e tempi di sviluppo ridotti e maggiore libertà di progettazione.
L'approccio proposto per raggiungere gli obiettivi è quello di impostare una nuova procedura di verifica della resistenza a fatica basata su una nuova funzionalità di ProFACE, ovvero il software probabilistico di analisi di comportamento a fatica sviluppato da PoliMI. ProFACE è stato precedentemente validato su un componente strutturale in lega di alluminio AlSi10Mg ed è attualmente utilizzato da ESA.
L’idea innovativa di Smart-ProFACE si basa sulla definizione di mappe di accettazione dei difetti che determinano le prestazioni del componente a fatica: i) mappe tarate sulla base di requisiti deterministici (o semi-probabilistici) delle vigenti normative; ii) mappe definite su una data probabilità di cedimento determinata dall'utente. Questi due tipi di mappe diventeranno un nuovo strumento (deterministico o completamente probabilistico) atto alla progettazione (in relazione alle anomalie intrinseche del processo) ed elaborazione di dati relativi alla cosiddetta "produzione intelligente" (ottenuta tramite Additive Manufacturing coadiuvata da Online Monitoring, OM) o attraverso controlli non-distruttivi a valle del processo manifatturiero (ad esempio, XCT). Le mappe di accettazione dei difetti elaborate da Smart-ProFACE forniranno informazioni utili alla qualifica e al rapido ottenimento della certificazione di volo di componenti prodotti tramite AM poiché permetteranno di convergere in un'unica interfaccia semplificata le analisi probabilistiche complete.

L'elemento chiave sarà la verifica dell'approccio di Smart-ProFACE per due possibili tipologie di dati (OM o XCT). Questa verifica verrà eseguita indipendentemente tramite test su due dimostratori (definiti da TAS-F e Leonardo), fabbricati in Ti6Al4V e Scalmalloy, volutamente difettosi.
La Figura 1 mostra le caratteristiche chiave delle attività di Smart-ProFACE. Nella fase iniziale, i test sui materiali (trazione, fatica e XCT) saranno eseguiti secondo la normativa ECSS in modo da ottenere i dati di processo e di materiale utili all'utilizzo della versione attuale di ProFACE. Le previsioni di vita a fatica saranno validate attraverso test meccanici sui dimostratori definiti dalle azienda coinvolte nel consorzio. Nella seconda fase del progetto, verranno prodotti componenti volutamente difettosi, le cui anomalie saranno monitorate tramite OM e XCT. Smart-ProFACE integrerà nuovi strumenti (mappe di accettazione dei difetti deterministiche e probabilistiche per una determinata vita a fatica) e i componenti difettosi poi provati a fatica al fine di confermare le previsioni. MTC utilizzerà la produzione intelligente con applicazione OM per realizzare un dimostratore nella lega Ti6Al4V che sarà testato da Leonardo, mentre il dimostratore in Scalmalloy sarà stampato e ispezionato (XCT) da BEAMIT per poi essere testato da TAS-F.

I partner del consorzio hanno l'esperienza, le capacità e le competenze necessarie per far fronte a questo impegnativo progetto, in particolare:

• PoliMI (gruppo di ricerca del Prof. Beretta) ha sviluppato ProFACE e utilizzerà la sua eccellenza sul tema per guidare questo progetto, occupandosi dello sviluppo del software, delle prove sui materiali e della relativa validazione sui dimostratori;
• MTC possiede un'eccezionale capacità in ambito AM e ha già collaborato strettamente con PoliMI per CoO1 e CoO5. MTC possiede anche una significativa esperienza in L-PBF, inclusa l'applicazione del monitoraggio durante il processo, la generazione e la caratterizzazione di difetti artificiali;
• BEAMIT è una delle più grandi aziende di stampa 3D al mondo e vanta una lunga esperienza di attività di ricerca e sviluppo in collaborazione con PoliMI e Leonardo per la progettazione di componenti e per la determinazione delle proprietà a fatica dei materiali AM;
• TAS-F ha partecipato allo sviluppo delle normative ECSS e dispone di un’ampia conoscenza nella progettazione di componenti spaziali, nelle proprietà tipiche dei materiali utilizzati in ambito AM e nelle prove meccaniche per la loro qualifica;
• Leonardo ha una storica competenza nello sviluppo di strumenti per missioni spaziali e nella loro qualifica secondo le normative ECSS.

Il gruppo di ricerca DMEC si occuperà di:

1. dirigere il progetto;
2. sviluppare una nuova procedura di verifica a fatica;
3. svolgere test sui materiali;
4. analizzare le prove sui componenti e confrontarle con i risultati attesi;
5. avanzare una proposta di miglioramento delle normative ECSS.