Il progetto quinquennale LIS4.0 (Lightweight and Smart Structures for Industry 4.0), finanziato dal Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca nel quadro dell’iniziativa “Dipartimenti di Eccellenza” e avviato nel 2018, è ormai in pieno svolgimento. Il finanziamento MIUR è mirato a incentivare le attività dei dipartimenti che si caratterizzano per l'eccellenza nella qualità della ricerca e nella progettualità scientifica, organizzativa e didattica, nonché a stimolare i piani di sviluppo della ricerca in ottica “Industria 4.0”. I temi del progetto LIS4.0 coinvolgono di conseguenza una gran parte delle attività di ricerca, didattica e trasferimento verso le aziende svolte dal Dipartimento di Meccanica.

Obiettivo del progetto LIS4.0 è potenziare e accelerare la ricerca del Dipartimento nella direzione dei temi che oggi rappresentano la frontiera delle sue discipline più consolidate, integrate in una ottica multidisciplinare. Ecco quindi il tema della mobilità sostenibile, una delle principali sfide del nostro tempo, e lo studio di materiali, processi, tecnologie e soluzioni sistemistiche insieme con l'uso sinergico di modelli virtuali (da simulazione) e reali (sperimentali) e di metodologie innovative di monitoraggio e controllo basate su IA e data mining, per sviluppare veicoli ed infrastrutture:

• in materiali leggeri ma performanti, che hanno proprietà uniche, non ottenibili da materiali tradizionali e disegnate ad hoc;
• ottenuti da processi di additive manufacturing con sistemi adattativi, capaci di stampare monitorando la qualità della stampa e apportare correzioni in-line per produrre senza difetto anche il pezzo singolo;
• intelligenti, ovvero in grado di leggere il contesto in cui sono inseriti, interpretarne attraverso sensori i cambiamenti, prevederne attraverso modellazioni veloci ed accurate gli esiti e grazie a tecniche di big data analytics e intelligenza artificiale, reagire e correggere in tempi strettissimi.

È proprio il paradigma Industria 4.0 che mescola tutte le discipline abilitanti, ricchezza e tradizione del Dipartimento di Meccanica, in un caleidoscopio multidisciplinare per lo studio di prodotti nuovi, funzionalizzati, intelligenti e adattativi, con applicazioni che si allargano anche ad altri settori, quali biomedicale, energia, spazio e meccatronica.

Il primo biennio del progetto ha visto il potenziamento del personale di ricerca (con il reclutamento di docenti esteri, ricercatori e personale tecnico), l’acquisizione e la messa in servizio di numerose nuove apparecchiature, oltre al consolidamento di progettualità legate alla didattica di elevata qualificazione (secondo e terzo livello dell'istruzione universitaria).

La proposta progettuale presentata al MIUR, cui è stato attribuito un punteggio tra i più alti, prevedeva forti investimenti. A fronte di un finanziamento MIUR complessivo di 9.350.000 euro (di cui il 70% circa già investito nel primo biennio), più di 3.200.000 euro sono stati dedicati ad acquisizione di nuove apparecchiature per la ricerca. Il Dipartimento di Meccanica poi ha sostenuto in cofinanziamento una larga parte degli investimenti necessari per l’ampliamento e la ristrutturazione dei laboratori, resa necessaria dal potenziamento della dotazione infrastrutturale, realizzando entro il biennio iniziale del progetto, la messa in servizio pressoché completa delle apparecchiature acquisite.

Dal punto di vista delle attività di ricerca, i vari filoni di indagine sono stati articolati in quattro sfide tecnologiche e altrettanti Work Packages.

La sfida tecnologica affrontata nel WP1 (Smart Metal additive manufacturing per strutture 4D funzionalizzate) è quella della stampa additive come nuova modalità per produrre componenti alleggeriti, funzionalizzati, anche 4D; attraverso il connubio di nuovo design, nuovi materiali e soluzioni “smart” per il monitoraggio e il controllo dei processi di fabbricazione additive. Le nuove apparecchiature consentiranno: l’analisi e la caratterizzazione di geometria e scorrevolezza delle polveri metalliche, l’approfondimento di nuovi processi additive, quali l’Extrusion-based Additive Manufacturing (EAM), e la sensorizzazione di un sistema SLM. Questo abiliterà lo studio del controllo e la correzione in-line del processo. Infine la qualifica delle prestazioni del prodotto finale sarà effettuata mediante attrezzature di ultima generazione, tra cui microscopio SEM, un quantometro, oltre a un dilatometro e un’apparecchiatura Laser Flash per valutare proprietà termiche dei materiali a varie temperature.
Un esempio di prodotto funzionalizzato già realizzato sono i pattini di un cuscinetto tilting-pad funzionalizzati mediante la creazione di condotti sagomati per il loro raffreddamento. Il prodotto è stato già collaudato sul banco prova per cuscinetti oil-film del Dipartimento e ha mostrato come sia possibile ridurre la portata d’olio a parità di prestazioni del cuscinetto.

Il WP2 (Strutture smart in materiale composito) è dedicato allo studio delle strutture in composito a fibra lunga, che offrono notevoli vantaggi in termini di leggerezza, di facilità con cui possono essere rese “smart” e di capacità di assorbire l'energia cinetica conseguente agli impatti. Le attività previste (riguardanti lo sviluppo di estrusori sensorizzati e della tecnologia additiva BAAM – Big Area Additive Manufacturing - moldless basata sull’utilizzo di due robot antropomorfi cooperanti) consentiranno realizzazione di un dimostratore di impianto pilota con sistema di stampa 3D BAAM moldless per la costruzione di componenti a fibra lunga di carbonio con inserimento di fibra ottica per il monitoraggio e la diagnostica.

Il WP3 (Meta-strutture) si rivolge all’analisi delle prestazioni e delle applicazioni di metamateriali ottenuti combinando strutture cellulari periodiche al fine di ottenere strutture create artificialmente con caratteristiche nuove rispetto a quanto si trova in natura e che dipendono sia dalla composizione che dalla geometria sviluppabile su differenti scale dimensionali. Le attività di ricerca comprendono lo sviluppo di opportuni modelli di calcolo, la caratterizzazione meccanica, l’analisi delle applicazioni di materiali cellulari e lattice, per arrivare allo sviluppo di meta-materiali a cella compatta per l'isolamento delle vibrazioni strutturali e acustiche e come elementi per la realizzazione di componenti per applicazioni meccaniche ed aerospaziali.

Il WP4 (Sistemi autonomi) è dedicato allo sviluppo e applicazione di tecnologie innovative nel campo dei trasporti del futuro. In particolare si propone di sviluppare sistemi di sicurezza (ADAS) e per la guida autonoma connessa attraverso lo sviluppo di algoritmi di automazione e la creazione di un sistema di comunicazione tra veicoli e infrastruttura (V2X). Persegue l’obiettivo di verificare gli effettivi benefici dovuti all’utilizzo di tecnologie innovative nella realizzazione dei veicoli stessi (materiali più leggeri o con migliori proprietà di scambio termico e fonoriflettenza studiati negli altri WP). Si prefigge infine di sviluppare e valutare tali tecnologie focalizzandosi sempre sul ruolo centrale dell’uomo, da cui l’attenzione al comfort e allo sviluppo di interfacce HMI. Le diverse attività sfrutteranno un veicolo prototipale (EasyMile EZ10) designato a dimostratore e caso studio per le diverse attività.

L’impatto atteso del progetto LIS 4.0, legato allo sviluppo delle conoscenze su temi di frontiera per la ricerca, è quello di un ulteriore miglioramento del posizionamento del Dipartimento di Meccanica nel contesto internazionale e di una crescita della già stretta collaborazione con partner industriali italiani e stranieri.