Di cosa si occupa il WP3 nell’ambito del LIS4.0? Quali sono le principali sfide che affronta?
Il WP3 “Metastutture” affronta lo studio di metodi di progettazione, proprietà e applicazioni di materiale cellulare basata su una micro-struttura regolare chiamata unità cellulare che viene periodicamente ripetuta nello spazio al fine di ottenere metamateriali caratterizzati da una regolare combinazione di piccole strutture (raggi, superfici, masse) unite insieme. La lunghezza fisica dell’unità cellulare è più piccola di quella della lunghezza d’onda di interesse (carichi applicati ad una struttura, onde termiche e sonore). Questo permette di ottenere metamateriali solidi con proprietà omogenee inesistenti in natura. Si tratta di materiali ingegneristici innovativi con un elevato grado di complessità rispetto ai materiali compositi tradizionali.

La sfida risiede nella progettazione, produzione e applicazione di nuovi metamateriali, che diventano multifunzionali, ma che nel contempo devono combinare leggerezza unita alle altre proprietà. Il primo esempio è un materiale lattice a bassa conducibilità termica applicato a componenti spaziali (Fig. 1a) o altre celle (Fig. 1b) che permettono in maniera altamente efficiente lo scambio di calore tra due liquidi. A livello della struttura/dei componenti una meta-struttura può essere progettata e ottenuta con combinazioni ibride ottenute da diversi materiali.

La sfida, sicuramente in linea con la nostra missione di ingegneri meccanici, è di trasformare il concept della progettazione dei metamateriali/ metastrutture in applicazioni effettive, considerando i vincoli progettuali a livello dei componenti e le proprietà reali dei nuovi materiali (legate alla rapida evoluzione dei cicli di produzione), in particolare esaminando combinazioni multi-materiali. Il vantaggio degli sviluppi attuali potrebbe essere la possibilità di qualificare componenti industriali progettati con questo grado di soluzioni innovative.

Che strumenti/approcci innovativi sono necessari per affrontare la progettazione e lo sviluppo di prodotti basati su meta-strutture?
Gli strumenti necessari per progettare e sviluppare componenti in meta-materiali, meta-strutture dovrebbero permettere all’ingegnere di gestire modelli e strutture altamente complessi. Strumenti efficaci, al contrario di applicazioni eccessivamente stese di strumenti computazionali tradizionali, mirano a ridurre la scala dei modelli sotto diversi aspetti:

• modelli basati su conoscenze ontologiche atti a superare l’impossibilità di ottenere modelli FE estremamente dettagliati di componenti ottenuti con diversi metamateriali;
• criteri di rottura omogenei che consentano di “costruire” una libreria di materiali cellulari disponibile per la progettazione di molteplici applicazioni sottoposte a carichi statici e a fatica. Questi modelli omogeneizzati, atti a descrivere il comportamento meccanico (elastico, monotono non lineare e ciclico), si basano su modellazione reale delle strutture cellulari così prodotte, in modo da poter considerare la presenza di anomalie e deviazioni rispetto alla configurazione ideale;
• strumenti di realtà aumentata e virtuale che permettano all’ingegnere di gestire in maniera efficiente i risultati della scansione CT effettuata sui metamateriali complessi e capaci di identificare/analizzare i difetti nelle parti prodotte per una rapida qualificazione operativa delle parti, “pronte al volo” (Fig. 2).

Quali sono stati i principali sviluppi prototipali?
I prototipi sviluppati sono:

• un pannello per l’assorbimento delle onde sonore attraverso il quale, è stato dimostrato, può essere facilmente ridotta la trasmissione del rumore di oltre 8-10dB (Fig. 3);
• un braccio innovativo per un sistema di sospensione McPherson costruito con una struttura ibrida polimero/metallo. Nel dettaglio, la parte in polimero prodotta per AM è stata ottimizzata considerando lo stato di sforzo effettivo sul componente e la compatibilità delle soluzioni di giunzione per assicurare la risposta strutturale desiderata;
• un componente spaziale ibrido (risultato della combinazione di rivestimenti solidi e parti cellulari) prodotto tramite AM. Le parti cellulari sono state ottimizzate per consentire la risposta strutturale e termica dell’intero componente attraverso l’adozione degli approcci omogenei sviluppati nel WP3.