Titolo del Progetto di Ricerca

Studio di processi di deformazione plastica innovativi di materiali metallici mediante approccio numerico/sperimentale per la realizzazione di componenti altamente personalizzati

Numerical/experimental investigation of innovative forming processes of metallic materials for the manufacturing of highly customized components.

Descrizione sintetica dei contenuti

Il progetto prevede la messa a punto di processi produttivi adatti alla creazione di parti molto complesse e di numerosità molto limitata (lotti quindi anche unitari). In particolare l’attenzione sarà rivolta da un lato alla produzione del materiale poroso, dall’altro allo studio di processi adatti a realizzare componenti caratterizzati da un livello di complessità molto elevato (legato alla morfologia di un ipotetico paziente), confrontandoli con processi standard (per es. la fonderia) L’obiettivo è quindi l'ottimizzazione tramite approccio numerico/sperimentale di processi di produzione caratterizzati dall’uso di materiali con caratteristiche che variano localmente. Nello specifico, un caso applicativo è quello di una protesi con un grado di personalizzazione elevato (maggiore di quello attuale in quanto non limitato alle caratteristiche morfologiche, ma esteso a quelle di resistenza, di rugosità superficiale e di porosità, definite anche localmente), ma si può estendere anche ad altri settori.

Il lavoro di ricerca si esplicherà su 3 fasi, intimamente interconnesse tra loro.

1. Studio del materiale mediante test opportunamente progettati che permettano di modellare, attraverso un modello agli elementi finiti e l’utilizzo di tecniche di analisi inversa, il comportamento deformativo del materiale, tenendo conto, nel caso specifico, della natura porosa del materiale ma in generale della variabilità locale delle caratteristiche.
2. Progettazione del processo manifatturiero per mezzo di un approccio numerico/sperimentale mirato a definire i parametri del processo deformativo in grado di influenzare maggiormente le variabili che caratterizzano l’output (il componente di geometria complessa) in termini di capacità di copiare la geometria dell’utensile (senza insorgere di rotture) e di uniformità delle caratteristiche superficiali e resistenziali, e, nel caso applicativo, anche quelli del processo di schiumatura per il controllo del livello di porosità del componente.
3. Ottimizzazione del processo di produzione del componente di geometria complessa (nel caso specifico, della schiumatura e dell’ottenimento della geometria del componente mediante deformazione plastica) attraverso l’utilizzo di modelli numerici robusti ed affidabili integrati con tecniche di ottimizzazione basate sia su metamodelli di regressione (ottenuti a partire dai dati derivanti da un set ridotto di simulazioni opportunamente progettato) che su algoritmi (e.g. genetici) mono/multi obiettivo.

The research project is based on the design of manufacturing processes for the production of small batches (even composed of a single unit) complex parts. More in details, the attention will be focused, from one side, on the production of the porous material and, on the other side, on the processes for the manufacturing of components characterized by a high level of complexity (due to the morphology of a single specific patient) comparing their performance with those from the standard processes (e.g. the casting technologies). The aim is thus the optimization, by means of a numerical/experimental approach, of manufacturing processes characterized by the adoption of a metallic material with tailored properties. More specifically, a possible case study will be a highly customized prosthetic implant (higher than the normal one since the customization is not only related to the morphology, but also to the mechanical strength, surface roughness and porosity, even at a local scale), but the approach can be also applied to other sectors.

The research activities will consist of three phases, intimately correlated:

1. Study of the material behavior by means of properly designed experimental tests, whose data will allow to model, by means of a Finite Element model in combination with the inverse analysis, the strain behavior of the investigated material accounting for both the specific porous nature and, more in general, its local properties.
2. Design of the manufacturing process via a numerical/experimental approach aimed at defining the main process parameters affecting the output data (i.e. the final complex component) in terms of the die cavity filling (without the occurrence of rupture/tearing) and uniformity of surface properties and strength distribution; as for the specific case, process parameters influencing the foaming kinetics to finely control the final level of porosity will be investigated as well.

Optimization of the complex component manufacturing (in the specific case, the optimization of the foaming process and the achievement of the final geometry by sheet forming) by means of robust and reliable Finite Element models integrated with optimization techniques based both on regression metamodels (trained on data coming from a properly arranged set of simulations) and on single/multi objective optimization algorithm (as in the case of the Genetic Algorithms).

Campo principale di ricerca

Modellazione ed ottimizzazione di processi manufatturieri (Italiano)

Modelling and optimization of manufacturing processes (English)

Sotto-campo di ricerca

Produzione di componenti altamente personalizzati attraverso processi efficienti e ottimizzati (Italiano)

Manufacturing of highly customized components via efficient and optimized technological processes (English)

Eventuale impegno didattico

Eventuale assegnazione di fino a 6 CFU (per un massimo di 60 ore di didattica frontale) in insegnamenti afferenti al SSD ING-IND/16.

Possible assignment up to 6 credits (for a maximum of 60 hours of lectures) of courses covered by ING-IND/16.

Competenze richieste

(i) Metodologie per la caratterizzazione del comportamento meccanico/deformativo di materiali metallici, in particolare a caldo; (ii) metodologie di calibrazione e validazione dei modelli costitutivi tramite analisi inversa; (iii) conoscenza approfondita dei processi produttivi, in particolare di deformazione plastica e di fonderia; (iv) progettazione di processi produttivi attraverso simulazione numerica agli elementi finiti; (v) progettazione, conduzione ed elaborazione dei relativi risultati di test sperimentali con macchinari avanzati, quali pressa per prove ad elevata temperatura e macchina laser; (vi) Integrazione di modelli numerici all’interno di metodologie di ottimizzazione

(i) Methodologies for the characterization of the mechanical/strain behavior of metallic materials, in particular in warm/hot conditions; (ii) methodologies for the calibration and validation of constitutive equations based on the inverse analysis approach; (iii) detailed knowledge about manufacturing processes, in particular metal forming and casting processes; (iv) design of manufacturing processes by means of Finite Element simulations; (v) design, execution and results analysis from experimental trials carried out with advanced equipment, as in the case of press machine for hot/warm forming and laser machine for local heating; (vi) integration of numerical model within optimization procedures.

Esperienze di ricerca richieste

Esperienze di ricerca (documentate tramite sia partecipazione a progetti di ricerca che produzione scientifica) relativamente a: (i) processi manifatturieri, ed in particolare di Formatura Superplastica, di Idroformatura (in particolare a caldo), di stampaggio (in particolare a caldo), di sand casting; (ii) caratterizzazione del comportamento meccanico/deformativo di materiali metallici, in particolare leghe di Titanio; (iii) calibrazione di equazioni costitutive attraverso metodologia inversa; (iv) progettazione di processo applicata in particolare a tecnologie innovative di deformazione plastica della lamiera; (v) applicazione del trattamento laser per la modifica locale delle caratteristiche meccaniche di leghe leggere da stampaggio; (vi) ottimizzazione di tecnologie innovative di deformazione plastica della lamiera mediante utilizzo di metamodelli e simulazioni agli elementi finiti.

Research experience (documented by both the involvement in research project and by the publication of papers in international journals) regarding: (i) manufacturing processes, and in particular Superplastic Forming, Hydroforming (in warm conditions), Stamping (in warm condition) and sand casting; (ii) characterization of the mechanical/strain behavior of metallic materials, with a particular focus on Titanium alloys; (iii) calibration of constitutive equations via inverse analysis approach; (iv) process design applied at innovative sheet metal forming processes; (v) tailoring of material properties by means of localized heating (laser, in particular); (vi) optimization of innovative sheet metal forming processes using regression metamodels and Finite Element simulations.

Competenze informatiche richieste

Ottima conoscenza del codice commerciale agli elementi finiti Abaqus; buona conoscenza dei codici di programmazione Fortran  e Python per la compilazione di user subroutines; ottima conoscenza dell’ambiente di ottimizzazione modeFRONTIER; ottima conoscenza del pacchetto office (Italiano)

Excellent and detailed knowledge of the Finite Element commercial code Abaqus; deep knowledge of the Fortran and Python programming code for the user subroutine compiling and debugging; excellent knowledge of the modeFRONTIER optimization environment; excellent knowledge of MS Office (English)