ADA AMENDOLA | Laboratorio di Prototipazione Rapida

Presentazione

Il Laboratorio di Prototipazione Rapida o RPL si ispira ai principi dell’economia circolare per progettare e fabbricare prototipi di materiali e strutture dotati di forme innovative e caratteristiche fisico-meccaniche “non convenzionali”.

Progettiamo e realizziamo, ad esempio, isolatori sismici stampabili in 3d, strutture innovative di tipo tensegrity per l’ingegneria civile e fibre di rinforzo di materiali strutturali di nuova concezione.

I nostri materiali eco-sostenibili in larga parte sono ottenuti mediante il riciclo di bottiglie di plastica post-consumo, reti in nylon recuperate dal mare e scarti di materiali di varia natura, impiegando uno sminuzzatore ed un estrusore di filamenti per stampa 3D.

I prototipi del RPL si configurano come “metamateriali” meccanici, ossia strutture con architettura interna “ingegnerizzata” dotate di proprietà non rinvenibili nei materiali tradizionali.

il Rapid Prototyping Laboratory è allocato nello studio 3 del Laboratorio di Strutture L2 (codice Archibus FL-ING03S01028).

Video di presentazione del laboratorio

Attrezzature

Il RPL è dotato di:

1. 3 stampanti 3D deskop di nuova generazione e relativi accessori;
2. Sminuzzatore di materiale;
3. Estrusore di filamenti per stampa 3D;
4. Macchina di prova “shake-table” realizzata all’interno del Laboratorio “Strength”;
5. Projection micro-stereolithography” (PμSL) costruito in-house, mediante parti assemblate in-situ, utilizzabile per la stampa di strutture reticolari alla microscala con risoluzione dell’ordine del micron. Questo set-up è di fondamentale utilità per il completamento delle attrezzature a servizio del Laboratorio di Prototipazione Rapida, consentono allo stesso di affermarsi come una struttura di avanguardia nel settore della stampa 3d, in linea con gli obiettivi di eccellenza della ricerca e della didattica perseguiti dal DiCiv. Le parti assemblate in situ ed acquistate presso diversi fornitori esclusivi di standard e reputazione internazionale hanno riguardato i seguenti componenti:

• il generatore di luce ad alta risoluzione (405 nm) DLi CEL5500 “Compact Embeddable Light Engine”;
• il tavolo Thorlabs B7575A antivibrazioni strumentato con accessori ottici;
• fotopolimeri e foto-iniziatori.

Attività di ricerca

I "metaisolatori" sismici realizzati in Laboratorio sono “bio-ispirati” essendo formati da array periodici di celle unitarie che replicano la meccanica del corpo umano.

Tale ricerca prende spunto dalla recente realizzazione di un isolatore sismico del tipo ad attrito ed estensione ("Stretching-Sliding Isolator" o SSI).

La cella unitaria del dispositivo SSI è composta da collegamenti rigidi che imitano la funzione svolta dalle ossa nel corpo umano e da membrane estensibili che replicano il comportamento meccanico dei tendini muscolari. Il carico verticale trasferito dalla sovrastruttura al dispositivo SSI è applicato al montante centrale, che si muove scorrendo contro la base del sistema.

È noto che gli animali regolano le loro frequenze di vibrazione per raggiungere uno stato di risonanza con le forze prodotte dalla contrazione dei muscoli durante la locomozione. Questo processo di sintonizzazione della frequenza produce movimento a basso consumo energetico. Le ossa delle gambe e delle braccia si comportano come sistemi pendolari che vengono piegati dai muscoli per sintonizzare la loro frequenza di risonanza, mentre i tendini agiscono come molle non lineari ed ammortizzatori.

I metaisolatori costruiti nel laboratorio di Prototipazione Rapida lavorano in modo opposto: sintonizzano la rigidezza non lineare degli elementi “tendine” in modo da evitare la risonanza con le frequenze principali dei terremoti.

Le proprietà effettive di tali dispositivi (ad esempio il periodo di vibrazione effettivo ed il coefficiente di smorzamento effettivo) possono essere regolate giocando con la geometria del dispositivo, il coefficiente di attrito degli elementi a scorrimento, il precondizionamento e la capacità di dissipazione di energia dei tendini, il rapporto tra il valore di progetto della forza di ricentramento di tali elementi ed il carico verticale massimo.

La loro fabbricazione non richiede processi industriali pesanti o materiali costosi, essendo parzialmente o completamente realizzabile con ordinarie stampanti 3D. Possiamo progettare e realizzare questi sistemi “on demand”, ottenendo prestazioni specifiche richieste dal cliente.

Nel laboratorio di Prototipazione Rapida progettiamo e realizziamo anche elementi di rinforzo di materiali strutturali con geometria ispirata a forme naturali. Si tratta di barre, fibre e reti di rinforzo ad aderenza ottimizzata, progettate utilizzando algoritmi frattali.

Per testare gli isolatori realizzati dal RPL è stata progettata e allestita una macchina di prova “shake-table” in grado di verificare il comportamento di prototipi di dimensioni ridotte, consistenti in dispositivi di isolamento adatti alla protezione sismica delle opere d’arte e di macchinari leggeri.

La macchina di prova consente l’applicazione simultanea di due forze: una forza verticale fino a 30 kN, che simula il peso della struttura da isolare, ed una forza orizzontale fino a 3 kN, che simula l’azione sismica.

Il campione in prova può essere montato tra una piastra superiore 0,7 x 0,7 m. che scorre su 4 guide verticali a sezione circolare, azionata tramite 4 martinetti e una piastra di base 0,7 x 0,7 m che scorre su due guide lineari orizzontali azionati da un attuatore lineare.

Il sistema viene controllato tramite 2 azionamenti elettronici e un controllore a logica programmabile mediante un software installato su PC.

Il dispositivo “shake-table” è stato realizzato in-house operando in collaborazione con il Laboratorio di Ingegneria Strutturale dell’Università di California a San Diego.