Dissertations / Theses on the topic 'Fatica'

L’obiettivo di questo lavoro é stato quello di studiare il possibile impiego dei rivestimenti sottili duri per applicazioni in campo meccanico strutturale. L’utilizzo di componenti leggeri, ma al tempo stesso resistenti, infatti, sta diventando una necessità in numerosi settori industriali, come quello automobilistico, quello aerospaziale e il settore delle competizioni sportive in generale. Per diverse applicazioni, tuttavia, l’impiego di leghe metalliche leggere in sostituzione dei tradizionali acciai da costruzione comporta numerose problematiche ancora irrisolte per le quali non sono presenti studi approfonditi nella letteratura scientifica. In questa ricerca é stata presa in considerazione, in particolare, la possibilità di incrementare la resistenza a fatica e a fatica da contatto dei componenti meccanici tramite l’impiego dei rivestimenti sottili duri. Come noto, infatti, le principali leghe leggere impiegate in ambito meccanico presentano, oltre ad una ridotta resistenza all’usura superficiale, una scarsa resistenza a fatica e a fatica da contatto. Questi ultimi aspetti sono fondamentali nella progettazione di una vasta gamma di organi meccanici, come ad esempio ruote dentate, alberi a gomiti, valvole, cuscinetti ecc. Diversi studi, recentemente, hanno mostrato come i componenti rivestiti con film sottili duri, in particolare depositati con tecnica PVD (Physical Vapor Deposition), presentino un incremento della resistenza a fatica rispetto al metallo base. Tale effetto é principalmente imputabile al campo di tensioni residue indotto dal processo di deposizione, che genera sforzi di compressione in superficie, i quali contribuiscono a bloccare o ridurre sensibilmente la propagazione per fatica dei difetti presenti nel materiale. L’obiettivo di questa ricerca é stato quello di indagare l’effetto di tali rivestimenti sia sulla fatica sia sulla fatica da contatto di provini e componenti meccanici. Con l’ausilio di avanzati codici di calcolo ad elementi finiti, sono stati sviluppati modelli teorico-numerici per prevedere la nucleazione e la propagazione a fatica di difetti nel materiale. Sono state condotte, inoltre, prove a flessione rotante su provini e sono stati progettati e realizzati dispositivi per condurre test di fatica da contatto su componenti in piena scala. In particolare sono state studiate, sia dal punto di vista teorico-numerico sia per via sperimentale, le ruote dentate del cambio impiegato sul modello di motocicletta Ducati 1098R che ha partecipato ai recenti campionati mondiali SuperBike.
The aim of this work was to study the opportunity to use thin hard coatings for structural applications. The use of light and, at the same time, high resistant components, in fact, is becoming more and more necessary in many industrial field, such as the automotive, aerospace and competition ones. However, for several applications the use of light alloys as a replacement of standard construction steels, involves large unsolved problems for which exhaustive studies are not available in the scientific literature. In this research, the possibility of increasing the fatigue and rolling contact fatigue (RCF) resistance of mechanical components, by means of thin hard coatings has been considered. It is well known that the main light alloys used in mechanical applications have both a reduced wear resistance and a poor fatigue and RCF behavior. These aspects are fundamental for the design of a high number of mechanical components such as gears, crankshafts, valves, bearings etc. Several studies demonstrated that components coated with thin hard films, deposited by Physical Vapor Deposition (PVD) technique, can exhibit an increment of the fatigue resistance compared to the standard uncoated ones. This effect is mainly due to the residual stress field induced by the deposition process which generates high surface compressive residual stresses helpful to stop or drastically reduce the fatigue crack propagation. The aim of this research was to investigate the effect of these surface coatings both on fatigue and RCF behavior of specimens and mechanical components. Theoretical-numerical models to predict defect nucleation and fatigue/rolling-contact fatigue propagation have been developed. Furthermore, rotating bending tests on standard specimens have been carried out and suitable devices for fatigue and RCF testing of full scale components have been designed and assembled. Case hardened spur gears of a Ducati 1098R competition motorbike have been studied both numerically and experimentally.

Scopo del presente progetto di tesi è stato lo studio del fretting in accoppiamenti albero-mozzo soggetti a cicli di fatica. Il mio lavoro si inserisce all’interno di una attività iniziata nel 2016 dove, attraverso la progettazione di un particolare sistema albero-mozzo, si cerca di risalire alle cause principali che portano a cedimento i componenti. Il sistema ideato nel 2016 però presentava alcune problematiche durante le fasi di smontaggio dopo le prove di fatica. Per questo motivo nel 2017 è stato riprogettato l’impianto per risolvere le precedenti problematiche. Il mio compito è stato di reperire quante più informazioni possibili sul fretting, cercando di individuare i parametri che influenzano maggiormente tale fenomeno. In parallelo si è andati alla ricerca di possibili soluzioni numeriche su riviste, articoli ecc... nella speranza di poter trovare un modello FEM applicabile al nostro caso. Infine si è passati al calcolo delle tensioni e pressioni in gioco per via analitica e del coefficiente di concentrazione delle tensione per via numerica

Nella prima parte di questo lavoro di tesi è stata effettuata una ricerca sullo stato dell’arte attuale delle macchine per prove a fatica con principio di risonanza. Pertanto viene riportata una descrizione delle necessità che portarono all’interesse verso questa metodologia di prove a fatica oltre che una descrizione delle macchine ad ultrasuoni di concezione moderna, delle loro caratteristiche e dei loro componenti tipici. Successivamente si sono riportati i dibattiti principali riguardanti la validità delle prove ottenute con questa tipologia di macchine. Si è, di seguito, utilizzata la teoria classica delle onde elastiche per illustrare il principio di funzionamento della macchina. Si sono ottenute le soluzioni esatte dei campi di spostamento, deformazione e sforzo nel caso di provini o sonotrodi a sezione costante confrontando successivamente i risultati così ottenuti con soluzione in ambito FEM per dimostrare la validità degli stessi. Lo stesso tipo di analisi è stata effettuata anche per il provino tipico di prove a fatica, ossia il provino circolare, dove la soluzione esatta è stata ottenuta per similitudine nel provino, catenoidale. Sono riportati un breve riassunto dei nuovi fenomeni di fatica che si sono riscontrati grazie alle possibilità di effettuare test in regione VHCF, laddove non era possibile con le macchine convenzionali, e le conclusioni del presente lavoro di tesi.

Le prove di fatica a flessione rotante su componenti in scala reale sono molto dispendiosi. Il metodo più veloce ed economico per ottenere gli stessi risultati è quello di operare su un provino in scala. Dal momento che non esiste nessun campione standardizzato è stato creato un provino ad-hoc e sono state eseguite le prove. Inoltre è stato creato un modello tridimensionale in grado di valutare le sollecitazioni. I due risultati sono stati comparati e i provini utilizzati per le prove sono stati attentamente analizzati.

La fatica muscolare rappresenta un complesso fenomeno che comprende varie cause, meccanismi e forme di manifestazioni. Il monitoraggio continuo della fatica muscolare locale durante l’esecuzione di un certo lavoro è possibile misurando l’attività mioelettrica di particolari muscoli con il metodo dell’elettromiografia di superficie. Cambiamenti biochimici e fisiologici nei muscoli durante contrazioni affaticanti si riflettono anche nelle proprietà del segnale mioelettrico registrato sulla superficie della pelle al di sotto del muscolo interessato. Contrazioni dinamiche sono comuni nei movimenti delle attività quotidiane e il segnale elettromiografico di superficie (sEMG) rilevato in questo caso è considerato una realizzazione di un processo stocastico non-stazionario. Per tracciare l’evoluzione del suo contenuto in frequenza nel tempo, è richiesta una rappresentazione in tempo-frequenza. La trasformata di Choi-Williams, membro della classe di Cohen, risulta un buon candidato per l’analisi del segnale sEMG. Durante contrazioni dinamiche, con la variazione di forza muscolare (o torque) e dell’angolo a livello dell’articolazione (posizione e velocità) ci sono cambiamenti in: numero di unità motorie attive con possibili differenti tipi fibre, la frequenza di firing, la relazione geometrica tra le fibre muscolari attive e l’elettrodo, la relazione geometrica tra la zona d’innervazione e il tendine, e la lunghezza delle fibre muscolari. Alcuni di questi problemi possono essere gestiti esaminando le contrazioni dinamiche ripetitive tramite movimenti dinamici altamente standardizzati (ad es. isocinetici) e determinando le variabili EMG all’interno di una finestra che mantiene la stessa posizione ad ogni ciclo di contrazione (ad es. tecniche di ciclostazionarietà). Il principale obiettivo di questo studio è stato di confrontare le manifestazioni elettriche di fatica muscolare in contrazioni concentriche ed eccentriche del rectus femoris, del vastus lateralis e del vastus medialis. Sono stati ricavati dei profili medi di fatica per i muscoli considerati dai dati sperimentali registrati da nove soggetti durante esercizi ciclici di flesso-estensione del ginocchio.
Muscle fatigue represents a complex phenomenon encompassing various causes, mechanisms and forms of manifestation. Continuous monitoring of local muscle fatigue during performance of certain work is possible by measuring myoelectric activity of particular muscles by the method of surface electromyography. Biochemical and physiological changes in muscles during fatiguing contractions are reflected also in properties of myoelectric signals recorded on the surface of the skin above the muscle concerned. Dynamic contractions are usual in the daily activities of movements and the surface myoelectric signal (sEMG) detected in that case is considered a realization of a nonstationary stochastic process. In order to track the evolution of its frequency content in time, a time-frequency representation is required. The Choi-Williams transform, member of Cohen’s class, is a good candidate for the analysis of sEMG signals. During dynamic contractions, as the muscle force (or torque) and the joint angle (position and velocity) vary there are changes in: the number of active motor units with possible different fiber types, the firing rates, the geometric relation between the active muscle fibers and the electrode, geometric relation between to the innervation zone and tendon, and the muscle fiber length. Some of these problems can be handled when investigating repetitive dynamic contractions by using highly standardized dynamic (i.e., isokinetic) movements and determining EMG variables in the same position-window for each contraction cycle (i.e., cyclostationary technique). The main objective of this study was to compare the electrical manifestations of muscle fatigue during concentric and eccentric contractions of the rectus femoris, vastus lateralis and vastus medialis. We derived the average fatigue pattern of the investigated muscles from experimental data recorded from nine subjects during isokinetic knee flexion-extension cyclical exercises.

Soccer is a team sport that requires prolonged high-intensity intermittent exercise. Physical aspects of match performance have changed a lot in the last forty years; for example total distance has increased from 7000-8000 m in the seventies to 10000-11000 m reported in recent investigations. Nowadays, during the match, players change activity on average every 5 seconds and perform approximately 1300 actions, with 200 of these being completed at high-intensity. In addition, the game involves other intense actions such as decelerations, kicking, dribbling, and tackling. All of these efforts exacerbate the physical strain imposed on the players and contribute to making football highly physiologically demanding. Furthermore, soccer players that compete at high level perform up to 70 matches during a single season. During the second half of a match, the total distance and high-intensity running decline markedly, with the amount of high-intensity running 20% to 40% lower in the last 15 min of the game compared with the initial 15-min period. A greater decrement in running is observed when more activity is performed in the first half. Furthermore, in the 5-min period following the most demanding 5-min of the game, the distance covered at high intensity is reduced by 6% to 12% compared with the game average. Collectively, these results indicate that players experience fatigue toward the end of a match and temporarily during a game. Accordingly, both single and repeated-sprint test performances are impaired after a high-intensity period during as well as at the end of the game. Fatigue may also have a negative impact on passing precision, with the less fit players showing a more pronounced deterioration in technical performance. Furthermore, maximal strength and jumping ability are also both reduced immediately after a match. The time required for a full recovery of these qualities in male players may be very long (> 72 h) (permanent fatigue). However, there is limited information regarding recovery time in high level athletes. In literature, fatigue can be defined as an acute impairment of performance that includes both an increase in the perceived of the effort necessary to exert a desired force or power and/or reduction in the ability to exert maximal force or power. It has been demonstrated that the neuromuscular mechanisms that contribute to performance impairment differ according to the contraction mode, exercise intensity and the duration. Fatigue can be classified as central when the origin is proximal and/or peripheral when the origin is distal to the neuromuscular junction. However, to date, no studies have quantified the relative contribution of central and peripheral factors in determining fatigue in soccer. Peripheral skeletal muscle function can be determined using electrical stimulations and classified as high-frequency and low-frequency (or long-lasting fatigue). Long-lasting fatigue can be evaluated using tetanic nerve stimulations at different frequencies (low- to high-frequency force ratio). Nonetheless, tetanic nerve stimulations are very painful, and their usability is limited. Paired stimulations have been proposed as a surrogate of the stimulation trains, and recent research demonstrates the validity of this method to quantify muscle fatigue induced by eccentric exercise. In chapter 2, a study was conducted to determine the extent to which neuromuscular fatigue occurs in high-level professional soccer players. In addition to this, we aimed to examine recovery after a match and to examine its relationship with central and peripheral fatigue indicators. Maximal voluntary contraction (MVC), sprint and passing abilities, muscle soreness, maximal voluntary activation, EMG activity, and evoked quadriceps contractile properties (using different electrical stimulations) were determined before, immediately after, and at 24 and 48 h after the match in 20 male professional players. Immediately after a game, fatigue was evident from the reduction in MVC and sprint performance (-11%, P < 0.001 and -3%, P < 0.001, respectively) as well as increased muscle soreness (P < 0.001) compared with baseline. However, short-passing ability was seen to be preserved. This was observed alongside maximal voluntary activation and EMG activity being reduced by 8% (P < 0.001) and 12% (P = 0.001), respectively. M-wave characteristics were unchanged, whereas quadriceps mechanical responses to single and paired stimulations at 10 Hz resulted significantly reduced (peak torque = -8%, P < 0.001 and -9%, P < 0.001). Despite the observation of a partial recovery 24 h after the game, all variables returned to baseline values 48 h after the match. In high-level professional players, the fatigue induced by a soccer match occurs to a lesser extent than in lower level athletes and appears to be recovered in a faster fashion. Match-related fatigue is determined by a combination of central and peripheral factors. A relationship exists between central fatigue indicators, MVC and sprint performance decrements, whereas muscle soreness appears to be linked to peripheral fatigue indicators, in particular to mechanical responses at low-frequency stimulations. In chapter 3, a study was conducted to determine the possible relationship between match related fatigue and goal scoring. Some preliminary observations indicate that goal scoring increases over time during the game; however, these preliminary results were obtained analyzing minor soccer leagues and/or using a limited amount of matches. The aim of this study was to examine the goal scoring patterns in four major European leagues (English Premier League, French Football Ligue 1, Italian Serie A and Spanish Football Liga) across three consecutive seasons (2008–09, 2009–10 and 2010–11). Chi square analysis revealed a significantly (P < 0.001) higher goal scoring frequency in the second half (55.1 %) compared to the first half (44.9 %). With 15-min interval analysis highlighting a significant (P < 0.001) upward trend in the number of goals scored as time progressed (13.7, 15.1, 16.2, 17.7, 17.2 and 20.2 %, for 0–15, 15–30, 30–45, 45–60, 60–75 and 75–90 intervals respectively). The main finding of the present study is that, in the four major European soccer leagues investigated, the amount of goals scored is greater in the second half, with the scoring rate being highest in the last 15-min of a match. Fatigue occurring during the game may play a role; however, fatigue alone cannot explain the differences. The state of the games result and the reduced time available for scoring are other potential contributing factors to the increased goal scoring patterns observed in the latter stages of the game. Repeated-sprint ability (RSA) is defined by the ability to perform several sprints interspersed with brief recovery periods. RSA is an essential component of many team sports like soccer and is deemed to be an important determinant of physical performance. Several studies have been carried out to establish the physiological determinants of RSA and to investigate the fatigue mechanisms related to this particular form of exercise in order to improve performance. However, no study to date has investigated the high- and low-frequency fatigue induced in more than one muscle group involved during fatiguing RSA exercise. In chapter 4, a study was presented aimed to investigate peripheral fatigue in Knee Extensor (KE) and Plantar Flexor (PF) muscles RSA cycling and running tests. Both RSA tests consisted of 5 x 6 s sprints and peripheral fatigue was quantified using diverse electrical stimulations (from a single stimulus to paired stimulations at 100 Hz). The main findings were that RSA cycling induced higher decrements in peak torque (PT), maximal rate of torque development and relaxation of KE compared with running (PT decrements at different stimulation frequencies: -39% to -53% cycling vs -16% to -39% running, P < 0.049). The PT ratios of KE measured using several low- and high-frequency stimulations did not highlight differences in low-frequency fatigue induced by the two exercise modes. On the contrary, no major differences were noted in PT decrements of PF (P > 0.231). However, the higher decrements of some PT ratios of the PF (10/100 Hz, 20/50 Hz and 20/100 Hz) confirmed the presence of low-frequency fatigue following RSA cycling. Subjects also reported significantly higher values for RPE leg following RSA cycling (8.2 vs 7.3 respectively, P = 0.018) despite no differences in blood lactate, hydrogen ions and bicarbonates concentrations (P > 0.467). The higher level of peripheral fatigue induced by RSA cycling may be partially related to longer fractional duration of muscle contraction phases which can limit local blood flow. The discrepancies in neuromuscular fatigue between KE and PF can be partially explained by differences in muscle fibre composition and/or muscle contributions during RSA tests. A number of studies have determined the reproducibility of peripheral muscle contractile properties at rest reporting good values of coefficient of variation. Only one study has assessed the reliability of the quadriceps contractile properties in a fatigued state. This was achieved using a sustained (2 minutes) maximal isometric contraction. However, this form of exercise is far from specific for the majority of sporting performances. In order to use electrical stimulations as a tool to determine the extent of peripheral muscle fatigue experienced by athletes it is necessary to carry out methodological studies that establish the reliability of peripheral muscle fatigue measures caused by a specific exercise. For these reasons, in chapter 5 a reliability study was conducted to determine the reproducibility of peripheral fatigue induced in knee extensors by high-intensity intermittent running test (HIT). The reliability of the assessment of peripheral fatigue was established in ten amateur soccer players (age: 18 ± 1, height: 178 ± 5 cm, weight: 68 ± 8 kg). Transcutaneous electrical stimulations before and after HIT determined knee extensors muscle contractile properties on three separate occasions (T1, T2 and T3), each separated by 7 days. No significant differences were noted for any of the parameters measured (P = 0.101). The ICC values for peak torque (PT) varied from moderate to high, with the exception of PT at 10 Hz calculated comparing T2 vs T1 (range PRE = 0.78 - 0.92; POST = 0.76 - 0.97). The ICC derived from PT percentage decrements data were all low, with the exception of PT decrements at 1 Hz calculated comparing T3 vs T2 (ICC = 0.85, moderate). The TE for all contractile parameters obtained using 1 Hz and 100 Hz electrical stimulations were below 10%, including some that demonstrated a TE lower than 5%. Muscle contractile properties determined using 10 Hz stimulations showed a higher level of TE (range: 3.2 - 15.1%). Similar results were obtained for maximal rate of torque development and torque relaxation. From the results of this study it can be concluded that muscle contractile properties express a good level of reliability in baseline and post-exercise measures following familiarization. In chapter 6, seasonal variations in peripheral neuromuscular fatigue induced by HIT were established in two groups of professional soccer players: eleven adult players (age: 23 ± 3, height: 181 ± 4 cm, weight: 78 ± 6 kg) and twelve young players (age: 17 ± 1, height: 181 ± 4 cm, weight: 71 ± 5 kg). Transcutaneous electrical stimulations before (PRE) and after (POST) HIT determined knee extensors muscle contractile properties on four separate occasions during a season (before the preparation period Test 1, after the preparation period Test 2, in the mid of competitive period Test 3 and towards the end of the competitive period Test 4). Muscle contractile properties at rest were partially reduced during the competitive period both in adult and young professional players (reduction of PRE maximal rate of torque development at 1 Hz (P < 0.024) and the same parameter at 10 Hz (P < 0.022)). Analysis of POST parameters, confirmed the reduction of the high-frequency fatigue levels during the competitive period for adult players (higher values of POST peak torque at 100 Hz (P = 0.006) and POST maximal rate of torque relaxation at 100 Hz, P = 0.009). Furthermore, in young players, the reduction of both high-frequency fatigue and low-frequency fatigue were evident (POST maximal rate of torque development at 100 Hz (P = 0.035), POST maximal rate of torque relaxation at 100 Hz (P = 0.009), POST peak torque at 10 Hz (P = 0.038) and POST 10/100 Hz ratio (P = 0.012). Considering percentage decrements, several parameters confirm the presence of lower level high-frequency and low-frequency peripheral fatigue both in adult and young players during the competitive period. These results suggest that it is possible to use the assessment of muscle contractile properties to monitor soccer players physical condition. In conclusion, fatigue in soccer is determined by a combination of central and peripheral factors. Central fatigue is evident immediately after and in the hours of recovery following a match (permanent fatigue). While peripheral fatigue is more evident considering some aspects of soccer performance characterized by short high-intensity periods (temporary fatigue). Peripheral fatigue include both high-frequency and low-frequency fatigue with the latter being more evident in young players. Training interventions and strategies applied to improve performance levels should take these aspects into consideration.

La tesi tratta le verifiche a fatica di alcuni elementi strutturali (in acciaio e in c.a.) di un ponte ad arco a via inferiore di imminente costruzione. E' stato studiato il fenomeno della fatica prima dal punto di vista teorico e poi dal punto di vista operativo: si sono identificati, relativamente alle resistenze, le curve di Wöhler per l'acciaio e specifici diagrammi di resistenza per il calcestruzzo, e, relativamente alle sollecitazioni, i modelli di carico a fatica e le opportune combinazioni di carico. Successivamente si è entrati nel merito dell’analisi del ponte dal punto di vista geometrico, della concezione strutturale e del suo comportamento statico come sistema combinato arco-trave. Infine, una volta delineata la procedura da seguire passo a passo per condurre le verifiche, essa è stata applicata al caso studio, sviluppando un metodo per la creazione delle linee di influenza "speciali". Queste ultime, derivanti dalla sommatoria, ascissa per ascissa, delle linee di influenza tradizionali opportunamente traslate della distanza relativa dei singoli assi del veicolo convenzionale viaggiante, sono fondamentali per poter portare a termine le verifiche a danneggiamento nei casi in cui non si abbia a disposizione una registrazione reale dello stato di sollecitazione effettuata tramite misurazioni in situ. Gli elementi strutturali su cui si sono eseguite le verifiche sono: soletta di impalcato in c.a. (flessione), pendini in acciaio (trazione), travi longitudinali principali a cassone in acciaio (sforzo normale + flessione, taglio, momento torcente). Per quanto riguarda l’acciaio, sono state condotte sia verifiche a vita illimitata sia a danneggiamento cumulativo col metodo di Palmgren-Miner. Relativamente agli elementi strutturali studiati, tutte le verifiche risultano soddisfatte, ad eccezione di quelle relative all’acciaio di armatura della soletta in c.a. (sia in mezzeria, che sull’appoggio).

Il presente elaborato di tesi ha lo scopo di fornire dati sulle cause e sulle modalità di frattura mediante l’esecuzione di una analisi frattografica su provini in lega d’alluminio, saldati caricati a fatica a trazione. Dopo un'introduzione allo studio della frattografia, applicazioni ingegneristiche, tecniche esecutive e distinzione fondamentale tra macrofrattografia e microfrattografia, e al fenomeno dell’affaticamento su componenti saldati, i fattori che influiscono ed alcuni risultati riscontrati in bibliografia, ci si concentra sul problema oggetto dello studio: il metodo di esame, le attrezzature e gli strumenti di misura, la frattografia delle superfici, documentata con immagini e dati prestazionali. Vengono correlate le prestazioni dei provini in esame secondo lo standard UNI EN 1999-1-3,2011 con lo stato superficiale interno ed esterno della frattura e come influiscono le discontinuità con l’integrità dei campioni. La giunzione mediante saldatura risulta un metodo non del tutto controllabile e ripetibile; metodi come l’analisi frattografica permettono di garantire e migliorare la progettazione e la sicurezza di componenti meccanici soggetti a fatica.

In questa tesi di laurea si affronta il problema della resistenza meccanica nei riguardi di un fondamentale componente presente in tutti i motori a combustione interna: l’albero a gomiti. In tutti i motori a pistoni l’albero a gomiti è ritenuto l'autentico "cuore": esso infatti è il componente che raccoglie l'energia meccanica che si sviluppa nei cilindri per inviarla alla trasmissione. Si tratta di un organo estremamente sollecitato dal punto di vista meccanico. Come tutti gli altri componenti del propulsore, anche l'albero a gomiti ha subito, con l'evolversi della tecnica, una progressiva trasformazione, sia per quanto riguarda il suo dimensionamento e, in minor misura, il suo disegno, che per quanto concerne le soluzioni costruttive impiegate. L'elaborato introduce gli alberi a gomiti, esponendo le peculiarità, le caratteristiche strutturali e le tecniche di produzione di questo eccezionale componente meccanico; espone il concetto di fatica meccanica e analizza i principali fattori che incidono sulla resistenza a fatica degli alberi a gomito; esamina, in particolare, i parametri costruttivi adottati durante la produzione del componente che consentono di ottenere un’elevata longevità del pezzo e ottime prestazioni meccaniche. Infine, viene approfondito il concetto d’intaglio, fenomeno che grava in particolar modo sulla vita a fatica dell’albero. Un progettista meccanico, nel calcolo del componente, deve obbligatoriamente tenere conto delle concentrazioni di tensione dovute alla forma geometrica dello stesso: verrà, quindi, effettuata un’analisi agli Elementi Finiti per valutare l’effetto dell’intaglio e le soluzioni da adottare per limitare il più possibile il fenomeno di concentrazione delle tensioni.

Lo scopo della presente ricerca è valutare l’idoneità dell’acciaio da utensili innovativo K890, prodotto da Böhler con metallurgia delle polveri, ad essere impiegato per la realizzazione di componenti motore di moto da corsa, quali alberi a camme e a gomiti, in sostituzione dell’acciaio da nitrurazione GKHW, prodotto da Aubert&Duval con processo ESR (Electro Slag Remelting). Lo studio è stato condotto a valle di una precedente sperimentazione condotta su provini non intagliati ed ha previsto l'esecuzione di prove di trazione e prove di fatica a flessione rotante con intaglio oltre a prove di durezza ed analisi microstrutturali e frattografiche. Sono stati testati due lotti di acciaio K890, aventi durezza di 752 e 821 HV rispettivamente. Durante i test di fatica il lotto in K890 a durezza maggiore ha mostrato un limite di fatica con intaglio superiore al GKHW nitrurato. I risultati ottenuti sui due lotti di K890 sono stati impiegati per valutare l’applicabilità di relazioni empiriche per la stima del coefficiente di concentrazione a fatica delle tensioni ad acciai ultra-alto resistenziali. E’ emerso che le relazioni più tradizionali sovrastimano l’effetto dell’intaglio per questa tipologia di acciaio. A conclusione dello studio, considerando l'esito delle stesse prove condotte sull'acciaio GKHW nitrurato attualmente in uso, si può affermare che l'acciaio K890 è un possibile candidato per la produzione di alberi in ambito racing. La disamina dei risultati sperimentali è preceduta da tre capitoli incentrati su un inquadramento teorico, derivanti da ricerche bibliografiche: il primo riporta un’introduzione al funzionamento ed alle caratteristiche degli alberi a camme e a gomiti; il secondo è relativo alle proprietà degli acciai da utensili tradizionali ed innovativi; infine il terzo riguarda una trattazione sul danneggiamento da fatica, con particolare riguardo all’effetto dell’intaglio ed alle caratteristiche del fenomeno negli acciai ultra-alto resistenziali.

Questo elaborato prende in considerazione il progetto Ci sto? Affare fatica! come esempio di buona pratica di progettualità e intervento del Distretto 1 dell’Azienda ULSS 7 Pedemontana. Nato all’interno del Piano di intervento in materia di politiche giovanili della regione Veneto, il progetto, vanta un incredibile numero di soggetti coinvolti tra stakeholders (settore pubblico, privato, privato sociale) e partecipanti. Se è vero che, negli ultimi anni, il tessuto sociale e comunitario è andato sempre più frammentandosi, con Ci sto? Affare fatica! viene dimostrato che la comunità “c’è” e vive nei nostri territori con le sue problematiche e la sua unicità. E’ compito degli operatori del sociale lavorare con e per la comunità, in un processo di empowerment che vede il cittadino come centro di bisogni e risposte. In questa innovazione di azioni di welfare territoriale e generativo, si analizzerà il ruolo che l’assistente sociale ha assunto (e dovrà assumere) al fine di promuovere il suo mandato etico-professionale nella comunità di riferimento.

La presente tesi di Laurea Magistrale ha lo scopo di studiare sperimentalmente il comportamento a fatica dei calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche (Macro Synthetic Fiber Reinforced Concrete, MSFRC). Sono condotte prove cicliche di flessione su tre punti al fine di caratterizzare il comportamento dei calcestruzzi fibrorinforzati in regime fessurato nel caso di fatica ad alto numero di cicli (High Cycle Fatigue, HCF). Oltre a prove di fatica sono condotte anche prove monotone a flessione al fine di ottenere la caratterizzazione meccanica del materiale determinandone i principali parametri di frattura; i risultati di tali prove sono utili anche a definire la procedura di prova definitiva da adottare durante i test di fatica. Le testimonianze presenti in letteratura sul comportamento a fatica degli FRC rinforzati con fibre sintetiche sono molto limitate, specialmente nel caso di fatica ad alto numero di cicli; inoltre le prove cicliche, a differenza delle prove monotone, non sono prove standardizzate e quindi definite dalla normativa. Nel corso della presente campagna sperimentale si cercherà quindi di definire una procedura per poter eseguire in maniera stabile le prove di flessione, monotone e di fatica, su campioni prismatici di calcestruzzo fibrorinforzato. L’idea alla base della campagna sperimentale oggetto di questa tesi è quella di riprodurre, mediante prove di fatica, le usuali condizioni di esercizio a cui sono sottoposte, durante la loro vita utile, strutture come pavimentazioni stradali o industriali; infatti il traffico stradale o il transito di macchinari possono indurre su strutture del genere dei carichi ripetuti nel tempo tali da provocarne il collasso per fatica. La presente tesi è articolata in otto capitoli nei quali verranno evidenziate le principali proprietà, sia meccaniche che fisiche, del materiale composito oggetto dello studio, saranno definite le procedure dei test eseguiti e verranno discussi i risultati derivanti da essi.

Gli obiettivi di questo elaborato sono fondamentalmente caratterizzare dei provini (realizzati in Maraging steel e Stainless steel attraverso DMLS) a fatica oligociclica, distinguerne il comportamento in base all'orientamento di costruzione ed analizzare tutti i fattori che possono influenzare la vita di un provino. Esaminando questa caratterizzazione, è possibile avvicinarci all'idea di impiegare direttamente nel processo produttivo pezzi realizzati e montati direttamente in produzione. Dopo una breve introduzione sull'additive manufacturing e sul suo sviluppo nel corso degli anni con le varie tecnologie di stampa (analizzandone i relativi vantaggi e svantaggi), vengono accennati i costi della tecnologia di cui ci occuperemo. Dopo una prima introduzione sui materiali impiegati, vengono introdotti i provini protagonisti dell'esperienza, la macchina utilizzata e lo svolgimento della prova. Segue un'illustrazione dei vari orientamenti di costruzione del provino e di come variano le proprietà meccaniche quando sottoposto a fatica. In seguito sono analizzate le tensioni residue sui provini (post sinterizzazione) ed i trattamenti eseguibili, presentando la loro influenza sulle proprietà meccaniche. Infine è analizzata la meccanica della frattura, in particolare la propagazione della cricca. Tradizionalmente, si è sempre analizzato il comportamento dei provini secondo i due orientamenti classici, orizzontale e verticale: in questo elaborato verrà presentato, per quanto reperibile dai documenti scientifici, anche il loro comportamento a 45°. Grazie a queste nuove caratterizzazioni, è sempre più possibile analizzare a pieno il comportamento delle proprietà meccaniche di ogni prodotto realizzato mediante questa tecnologia, facendo riferimento (nel caso di analisi di forme geometriche complesse) ai modelli più semplici già analizzati.

Questa tesi si propone di analizzare gli effetti combinati di invecchiamento igroscopico e termico su un set di provini in CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymers), forniti dall’azienda RiBa Composites, sottoponendoli a prove a fatica (taglio interlaminare con carico sinusoidale). Vista la mancanza di normativa di riferimento per i test a fatica ci si è ispirati a quella in uso per i test statici (ASTM D2344/D2344M). Di conseguenza, la presente tesi ne valuta l’efficacia e l’adeguatezza per la descrizione del comportamento a fatica. Come risultato finale si sono ottenuti i diagrammi di Wöhler per il materiale ai vari livelli di invecchiamento, così da avere uno strumento di previsione per valutazioni future.

Lo scopo del presente elaborato è valutare un eventuale effetto benefico della pallinatura sulla resistenza a fatica di due acciai prodotti per metallurgia delle polveri: il K890, prodotto da Böhler e l’ASP2005, prodotto da Erasteel. Quest’attività si inserisce in un progetto volto a valutare l’idoneità di tali acciai innovativi ad essere impiegati per la realizzazione di componenti motore di moto da corsa, quali alberi a camme, in sostituzione dell’acciaio da nitrurazione GKHW, prodotto da Aubert&Duval con processo ESR (Electro slag remelting). Lo studio è stato svolto a valle di una sperimentazione condotta su provini intagliati degli stessi acciai e ha previsto: prove di fatica a flessione rotante, prove di trazione, prove di durezza, misura di tensioni residue, analisi microstrutturali e frattografiche. Sono stati testati provini in ASP2005, con durezza pari a 869 HV e in K890 di due diverse durezze, pari a 752 e 821 HV, tutti intagliati e pallinati. Entrambi i materiali hanno mostrato un effetto benefico della pallinatura sul comportamento a fatica; i risultati ottenuti sono stati impiegati al fine di valutare l’applicabilità di relazioni empiriche per la stima del coefficiente di concentrazione a fatica delle tensioni e della sensibilità all’intaglio di acciai ultra-alto resistenziali. È stato dimostrato che le relazioni tradizionali sovrastimano l’effetto dannoso dell’intaglio per questo tipo di acciaio nella condizione pallinata. È stato, inoltre, condotto uno studio per la modellazione del comportamento a fatica di provini intagliati con un coefficiente di concentrazioni delle tensione Kt=3 e in un secondo momento si è tentato di estendere il modello anche a provini con un Kt compreso fra 1 e 3. Queste analisi sperimentali sono precedute da un inquadramento generale delle funzioni e dei requisiti di un albero di distribuzione in ambito racing e da una trattazione circa i meccanismi di rottura per fatica in acciai ultra-alto resistenziali.

L'affaticamento è un meccanismo meccanico di cedimento causato dall'applicazione ripetuta di carichi variabili e caratterizzato dall'avvio e dalla crescita di una fessura che potrebbe portare alla rottura di un componente strutturale. I guasti a fatica sono localizzati, progressivi e cumulativi e si verificano a tensioni anche nettamente inferiori rispetto a quella di snervamento. Per questo si utilizzano le macchine per prove a fatica che permettono di effettuare prove per determinare la resistenza dei materiali sotto l'applicazione di carichi ciclici. L’obbiettivo di questo elaborato è illustrare il processo che ha portato alla progettazione di una macchina per prove a flessione rotante a 4 punti, partendo da un’analisi delle componenti della macchina e un’analisi di mercato, mostrando e analizzando le principali macchine costruite da enti esterni all'Università. La macchina progettata ha il compito di sostituire o affiancare quella attualmente presente nell'officina del reparto di metallurgia della sede di Bologna.

L'elaborato tratta, inizialmente, lo stato dell'arte dell'indagine frattografica, le modalità di analisi e di cura dei componenti fratturati, le principali modalità di frattura delle leghe metalliche. La seconda parte è dedicata all'analisi di superfici di frattura di provini saldati e sottoposti a fatica flessionale. Vengono, in primo luogo, descritti i processi tecnologici subiti dai provini, con lo scopo di relazionarli con quanto osservato sulle superfici; viene poi riportata la modalità di realizzazione del database frattografico con opportuni esempi, dopodichè l'analisi frattografica vede dapprima lo studio della posizione e della direzione della frattura e di seguito l'analisi dettagliata delle superfici di frattura.

L’obbiettivo della mia tesi è la valutazione delle prestazioni a fatica di provini realizzati in Maraging Steel MS1 e PH1, prodotto da DMLS, prendendo in considerazione il loro processo produttivo. L'argomento è stato affrontato sperimentalmente, studiando l'impatto del trattamento termico, della lavorazione meccanica e della pallinatura micro-shot sulla resistenza a fatica rispetto allo "stato costruito". I provini testati sono stati suddivisi in 3 lotti differenti caratterizzati da tipi diversi di composizione del materiale e trattamenti post-stampa. Per valutare il comportamento a fatica sono stati inoltre considerati la rugosità superficiale, la dimensione del provino, la densità e la distorsione dei campioni causata dalle tensioni residue. Per individuare la causa del cedimento sono state fotografate le superfici di frattura mediante l’uso di due microscopi. I dati sperimentali ottenuti dalle prove vengono poi elaborati tramite la normativa ISO12107-2012 per trovare la curva di fatica S-N, sia usando un’interpolazione lineare che una quadratica per confrontarle in modo da identificare quale metodologia approssima meglio i dati. E' inoltre utilizzata la normativa Dixon tramite uno stair-caise per trovare la tensione limite di fatica. Per questo studio in particolare sono stati usati tre set di provini e ogni set ha numerosità pari a 15.

Lo scopo di questa tesi è decretare quale tipo di lavorazione tra elettroerosione e fresatura sia più adatta per la realizzazione di particolari soggetti a carichi affaticanti. Sono stati realizzati provini di due diversi materiali (lega di titanio Ti6Al4V e acciaio X30Cr13 bonificato). I provini presentano un intaglio in corrispondenza del quale avviene l'innesco della cricca. Tale punto rappresenta una zona critica sia per la lavorazione sia per la resistenza a fatica. Le curve di Wöhler ottenute per ogni combinazione di materiale-lavorazione sono state confrontate per trarre le conclusioni.

Lo scopo della prototipazione rapida è la realizzazione di prototipi destinati alle osservazioni al fine di migliorare il progetto in via di sviluppo. Tuttavia, negli ultimi anni si sta cercando di ottenere prototipi che siano già di per sé funzionali e quindi oggetti pronti all'uso. Soprattutto per i materiali metallici, si stanno sviluppando tecniche di prototipazione che tendono a diventare veri e propri processi tecnologici di produzione: una di queste è il processo DMLS (Direct Metal Laser Sintering). La tecnologia di Sinterizzazione Laser Selettiva dei Metalli (DMLS) si realizza attraverso un processo per addizione stratificata, in cui l’utilizzo di un laser ad alta densità di energia permette di fondere metalli in polvere, creando il modello o il prototipo tridimensionale. La tecnologia DMLS risulta estremamente innovativa ed offre la possibilità di sviluppare componenti con un grado di precisione elevato e un livello di dettaglio accurato. I vantaggi di questa tecnologia sono diversi, ma il più importante è l'estrema flessibilità di progetto in quanto si eliminano i vincoli di fabbricazione dettati dalle tecniche di produzione convenzionali basate sull'asportazione di truciolo, dando così piena libertà di design al progettista. Un esempio di applicazione di questa tecnologia è la costruzione di stampi per lo stampaggio ad iniezione: per poter migliorare il ciclo di produzione (in termini di tempo e quindi di denaro) è possibile creare canali di raffreddamento interni ottimizzati con forme e traiettorie diverse dalle tradizionali rettilinee ottenute per foratura. Dunque, associando questa tecnologia con i diversi materiali disponibili in commercio, è possibile costruire manufatti altamente customizzati e performanti a seconda delle varie esigenze. L’obiettivo di questo lavoro è stato quello di stimare e confrontare il limite di fatica per vita infinita di tre serie di provini, ottenuti mediante il processo innovativo DMLS, accresciuti secondo la direzione verticale, orizzontale ed inclinata a 45°; in particolare si è voluto osservare il comportamento dei provini in quest’ultimo caso, non essendoci informazioni precise in letteratura. La polvere di metallo utilizzata per la fabbricazione dei provini è il Maraging Steel, un acciaio dalle caratteristiche meccaniche eccezionali utilizzato soprattutto nel campo aereonautico.

Gli Orthotropic deck bridges sono ampiamente usati nell’ingegneria dei ponti, soprattutto per i ponti di grande luce. Anche se gli orthotropic deck bridges presentano molti vantaggi, si è scoperto che essi sono particolarmente vulnerabili nei confronti ai fenomeni di fatica che provocano la formazione di incrinature per i carichi ciclici dei veicoli quando esiste un elevato numero di connessioni saldate nella struttura dell’impalcato. Tra queste tipologie di connessioni le rib-to-deck plate, i rib-to-diaphragm e i rib-to-diaphragm-to-deck plate (RDDP) sono le tre connessioni saldate più ricorrenti che sono più sensibili a fenomeni di incrinatura da fatica a causa di alte concentrazioni di tensioni e di valori elevati di tensioni residue. L’analisi a fatica di un orthotropic deck bridge è un processo complesso e incerto a causa dei numerosi fattori che possono influenzare il cracking a fatica. Nel presente lavoro è stato condotto uno studio sullo stato dell’arte della letteratura corrente e delle normative e delle istruzioni sul comportamento a fatica, per conoscere meglio i vantaggi e gli svantaggi, nonché le limitazioni di questa tipologia strutturale. Inoltre, è stato analizzato lo stato tensionale di un tipico orthotropic deck mediante un codice agli elementi finiti (FEA) ed è stato possibile valutare la resistenza a fatica attraverso il metodo dello “structural hot spot stress”. È stata studiata approfonditamente la tecnica Fluid Bed Peening (FBP) per il miglioramento a fatica, ed in presto sono stati condotte prove a fatica in laboratorio su campioni trattati con FBP. I due obiettivi principali di questo studio sono stati quelli di analizzare la risposta tensionale degli orthotropic deck bridges e di sviluppare un approccio per migliorare i comportamenti a fatica attraverso il metodo FE e le tecniche di analisi, attraverso gli studi parametrici sulle caratteristiche geometriche e il metodo di structural hot spot stress. Numerosi modelli FE sono stati sviluppati al fine di analizzare l’influenza delle tensioni su ritaglio di geometria, con o senza paratie, e lo spessore del deck plate. Sono stati applicate diverse condizioni di carico, che sono state usate per simulare le diverse posizioni dei veicoli sulla carreggiata, in modo da ottenere i valori tensionali massimi. Inoltre, sono stati sviluppati sottomodelli sulla base di analisi globali al fine di ottenere accurate sollecitazioni per il calcolo della resistenza a fatica, utilizzando il metodo dello structural hot spot stress. L'analisi a fatica è stata condotta con l'uso del metodo di structural hot spot stress per quantificare il range di tensioni per i quali non vale la “tensione nominale" da normativa (quella che è disponibile nei codici di progettazione per lo stress di distanza dalla concentrazione). Sulla base di queste analisi, è stato condotto un approccio in tre fasi e sono indicati alcuni suggerimenti per supportare i progettisti nel dimensionamento e verfica degli orthotropic deck bridges. Inoltre, è stata utilizzata una tecnica relativamente nuova, FBP, per il miglioramento degli elementi strutturali soggetti a fatica. Infatti l’FBP, come tecnica di trattamento della superficie, può migliorare significativamente le prestazioni degli elementi strutturali soggetti a fatica, e richiede meno parametri operativi. Sono state eseguite prove a fatica su quattro diversi gruppi, sotto carico ciclico di ampiezza di fatica costante in laboratorio per studiare l'effetto del trattamento di FBP. Il risultato è che che l’FBP non solo può migliorare il comportamento a fatica, ma a volte può anche porre rimedio a piccole cricche provocate dai fenomeni a fatica.
Orthotropic deck bridges are widely used in bridge engineering, especially for long span bridges. Although orthotropic deck bridges have many advantages, it is found that they are sensitive to produce fatigue cracking under the repeating vehicle loading since there are a large number of welded connections in the deck structure. Among of these connections, rib-to-deck plate connection, rib-to-diaphragm connection and rib-to-diaphragm-to-deck plate (RDDP) connection are the three typical welded connections that are more sensitive to the fatigue cracking due to the high concentrated stress and high residual stress. Fatigue analysis of an orthotropic deck is a complex and uncertain process due to many factors which can influence the fatigue cracking. A state-of-the-art literature review of the fatigue codes/specifications was conducted to identify their advantages, disadvantages and limitations in this study. Meanwhile, the stress performances of a typical orthotropic deck were analyzed through Finite Element analysis (FEA) and, then, the fatigue resistance evaluation was carried out by the structural hot spot stress method. In addition, a fatigue improvement technique, the Fluid Bed Peening (FBP) was illustrated, and fatigue tests of the specimens treated by FBP were conducted in the laboratory. The primary two goals of this study are to analyze the stress performances of the orthotropic deck and to develop an approach for improving the fatigue behaviors through FE method and analytical techniques, by doing parametric studies of various geometric parameters and the structural hot spot stress method. Many FE models were developed in order to analyze the stress influences of cutout geometry, with or without bulkhead, and the thickness of deck plate. The different applied loadings, which to simulate the different vehicle locations on the pavement, were used in order to obtain the maximum stress range. Then, submodels were developed based on the global analyses in order to obtain accurate stresses for calculating fatigue resistance, using the structural hot spot stress method. The fatigue analysis was done by the use of the structural hot spot stress method to quantify stress ranges for which there is no “nominal stress” database (that which is available in design codes for stress away from the concentration). Based on the analyses, a three-step approach is concluded and some suggestions are provided to bridge designers in this study which can be helpful for improving the design of orthotropic decks. Furthermore, a relatively new fatigue enhancement technique, FBP, is discussed based on simple fatigue tests. FBP as a technique of surface treatments can definitely improve the surface performance, and demands less operational parameters. Fatigue tests of four different groups were carried out under cyclic constant amplitude fatigue loading in the laboratory in order to study the effect of treatment of FBP. It is found that FBP not only can improve the fatigue life, but also sometime can remedy small fatigue cracks.

La tesi muove da una ricerca etnografica che investigato i modi molteplici in cui la figura del caregiving è riconosciuta da differenti attori locali nel dibattito pubblico e nel sistema di servizi di assistenza agli anziani in Emilia-Romagna. La tesi mostra come le rappresentazioni sociali del caregiving e della fatica della cura riflettano idee e valori sulla vecchiaia, la cura famigliare e la crisi demografica e del welfare. La ricerca contribuisce agli studi sociali sulla cura, mettendo in luce come immaginari sociali sul caregiving influenzano la formazione dei sistemi sanitari. Le pratiche di cura sono un punto privilegiato per lo studio di come categorie sociali fondamentali per la formazione della persona e del ciclo della vita si producano negli incontri fra livello informale e istituzionale.
This thesis moves from ethnographic research that has investigated the multiple ways in which the caregiver’s role is recognized by different local actors in the public and institutional debate. and within the assistance services for the elderly in Emilia-Romagna. The thesis highlights how the social representations of caregiving and caring fatigue reflect ideas and values on aging, family care and the demographic and welfare crisis. The research aims to contribute to social studies on caregiving, by showing how social imaginaries of care shape the formation of healthcare systems. Care practices are privileged sites for studying how fundamental social categories for the formation of personhood and life-cycle are produce within the encounters between informal level and institutional one.

Questo elaborato si pone come scopo quello di caratterizzare il comportamento a fatica di un acciaio super-rapido, UNI EN 10087 - 11 S Mn Pb 30, con il quale verrà realizzata l’asta scrocco di una serratura di nuova concezione. Per motivi di progettazione, al fine di migliorare le caratteristiche tribologiche del materiale, è stato ipotizzato di apporre su questo acciaio un rivestimento metallico, ottenuto per elettrodeposizione galvanica, di zinco (ISO 2081 - Fe/Zn8 c1A) o nichel (ISO 1458 Fe/Cu1 Ni5s). Inevitabilmente questi rivestimenti hanno un’influenza sulla vita a fatica del materiale, da qui lo studio di cui si occupa questo testo, che porterà ad un confronto tra il materiale non trattato e rivestito, soffermandosi sul rivestimento metallico di zinco. I dati ricavati dai test a fatica a flessione rotante, effettuati come prescritto da ISO 1143:2010, sulle serie, vengono analizzati in primo luogo secondo quanto prescritto da ISO 12107:2017 e successivamente confrontati mediante una variante del metodo ANOVA per il confronto di curve SN al fine di determinare l'effettiva influenza del rivestimento sulla proprietà di resistenza a fatica ad alto numero di cicli.

Negli ultimi decenni hanno preso prepotentemente piede, in campo ingegneristico, alcune tecnologie innovative, destinate a cambiare drasticamente la fase di fabbricazione di un componente. Ne è un esempio l'additive manufacturing, o fabbricazione additiva. Questa metodologia si differenzia dalle classiche lavorazioni per asportazione di truciolo ottenuta con le tradizionali macchine utensili come tornio e fresa; l'oggetto che si vuole creare viene infatti sintetizzato strato dopo strato fino ad ottenere la forma desiderata. Il metallo, che in un primo momento si trova allo stato di polvere, viene infatti saldato grazie all'utilizzo di apposite sorgenti di calore, diverse in base alla tecnica utilizzata. La particolarità di questo processo di fabbricazione è il raggiungimento di forme non convenzionali e di difficile realizzazione tramite utensili classici. Tutto ciò si riflette in un notevole risparmio di materie prime e, soprattutto, in una drastica diminuzione del peso del componente che si vuole ottenere: quella dell'additive sembrerebbe, quindi, la giusta strada da intraprendere per risolvere uno dei principali vincoli del campo aerospaziale. Tuttavia, nell'industria odierna, la totale espansione di questa tecnologia, è frenata dalla serie di difetti che, al momento, non è possibile evitare nella fase di fabbricazione, poiché intrinsechi alla tecnica stessa. Queste diverse problematiche amplificano il mal comportamento a fatica dei componenti, riducendone il ciclo vitale e le performance dal punto di vista meccanico. Esistono però delle apposite metodologie di ottimizzazione post-produzione mirate al raggiungimento delle caratteristiche fisiche desiderate tramite la risoluzione dei suddetti difetti.

Nella prima parte dell'elaborato verrano studiati ed analizzati le tecniche di produzione di oggetti in Additive Manufacturing, i campi di applicazione di tale tecnologia, i materiali di maggior utilizzo e le procedure di ottimizzazione delle caratteristiche dei componenti in AM. L'Additive Manufacturing, come verrà successivamente illustrato nel dettaglio, offre molteplici vantaggi rispetto all'approccio classico di tipo sottrattivo; visto il suo grande potenziale è adottabile in un vasto range di applicazione, dall'ambito medico/dentale a quello automotive e aerospace. Nella seconda parte della tesi verranno effettuati test sperimentali su provini realizzati in Cromo Cobalto Molibdeno con la tecnica Selective Laser Melting. In particolare verranno confrontati provini "as-built" con provini sottoposti ad un trattamento termico. Si effettueranno test a fatica su tali provini, a diverse percentuali del carico di rottura, in modo da poter analizzare dettagliatamente il loro comportamento. Si metteranno a confronto i diagrammi di Wöhler dei due tipi di provini, la loro microstruttura e la superficie di frattura. La trattazione è il seguito del lavoro svolto precedentemente su provini realizzati con la stessa tecnica, dei quali si è studiato il comportamento a tensione. A completamento dello studio, verranno successivamente confrontati i risultati dei test con altri effettuati su provini sottoposti ad un processo di Laser Shock Peening, realizzato in collaborazione con l'Università di Witwatersrand a Johannesburg, Sudafrica.

Esposizione dell’attività di laboratorio basata sullo svolgimento di prove sperimentali di resistenza a fatica su accoppiamenti albero-mozzo realizzati mediante calettamento forzato con riscaldamento in forno del mozzo, con l’obiettivo di determinare l’influenza di tale tipo di accoppiamento sulla vita a fatica del componente. Gli accoppiamenti albero – mozzo, anche detti collegamenti forzati, sono collegamenti fissi o semi–permanenti utilizzati per unire due organi tra loro che permettono di trasmettere elevate forze tangenziali anche con interferenze non elevate, realizzando un’unione sicura, quanto quella ottenibile con linguetta o chiavetta. Inoltre l’assenza di masse esterne non genera squilibri dinamici. Il lavoro di sperimentazione in laboratorio è stato preceduto da uno studio mediante modellatore FEM. I risultati ottenuti dallo studio per mezzo di Ansys Workbench 12.0 sono stati il punto di partenza della sperimentazione, la quale è stata effettuata con l’obiettivo di verificare la validità dei risultati ottenuti mediante modellatore.

Lo studio del comportamento a fatica dei componenti è uno degli aspetti principali della progettazione. I trattamenti superficiali permettono di migliorare la resistenza dei componenti sollecitati a fatica. A tale scopo, in questo documento sono stati analizzati alcuni trattamenti superficiali applicati a differenti materiali metallici per valutarne una eventuale applicazione.

This thesis is concerned with the fatigue behaviour of complex, three-dimensional, stress concentrations under multiaxial loadings. The fatigue behaviour of components containing complex three-dimensional (3D) features is a subject of great practical interest to industrial engineers. In fact three-dimensional solid modelling and linear elastic stress analysis, by means of numerical methods, are used to investigate the local stress field at 3D stress raisers in the mechanical components. Moreover, the problem of properly performing the fatigue assessment is further complicated by the fact that such failures are, in general, caused by multiaxial loadings: this makes it evident that engineers engaged in assessing real mechanical assemblies need sound engineering tools capable of accurately and efficiently estimating multiaxial fatigue damage. Starting from the stress field obtained from a linear elastic analysis and taking advantage of the so-called implicit gradient approximation, an effective stress index connected with the material strength is calculated. The effective stress is calculated by solving a second-order differential equation over all the component (the implicit gradient approach) independently of its geometric shape. Besides this thesis summarizes a first investigation into the possibility of applying the implicit gradient approach to real components under both uniaxial and multiaxial loading conditions by introducing an appropriate multiaxial criterion into the implicit gradient framework. Generally speaking many multiaxial criteria could be used to this purpose, namely critical plane approaches, stress-invariant based approaches and integral approaches. Such methods have been proved to be effective for fatigue damage evaluation, at least in cases of smooth components or blunt notches, however, since the aim of the present work is to obtain a numerically efficient other than the effective method, in this first attempt attention has been focused on stress-invariant based approaches that is suitable for high-cycle fatigue evaluation. The damage evaluation is obtained by analyzing the loading path on the 5-dimensinal deviatoric Euclidean space. Explicit analytical solutions of the proposed criterion are available in case of biaxial sinusoidal loads. The method in conjunction with implicit gradient approach has been applied to experimental results generated by testing notched specimens of low-carbon steel containing severe 3D stress raisers subjected to uniaxial and multiaxial in-phase and out-of-phase fatigue loads. The implicit gradient methods for component made of non-linear material is presented in section 8. The non linearity of the material is proposed in order to understand the behaviour of the material upper the endurance limits. The study takes into account different stress raisers: sharp V-notch, plane specimens weakened by lateral U or V –notches and simple welded joints made of steel. The effective stress are obtained by means of the gradient approach in two different ways. For sharp V-notch it has benn used a analytical-numerical procedure based on the asymptotic solution for the near-tip stress in an elastoplastic material (know as the HRR solution) whereas for the plane specimens and for the welded joints a numerical procedure based on the FE methods has been adopted.

Determinazione della curva tensione-numero di cicli e della resistenza a fatica infinita con elaborazione dei dati secondo normativa ISO12107 e analisi frattografica delle superfici di rottura. I risultati sono stati comparati con metodo ANOVA (analisi della varianza). I provini avanzati dalle prove a fatica sono stati sottoposti a trazione statica e sono stati determinati modulo di elasticità, tensione di snervamento e di rottura sia per la serie non trattata, che per quella zincata e quella nichelata. I risultati sono stati nuovamente messi a confronto tramite analisi della varianza, concludendo che i ricoprimenti non influenzano nè la resistenza a fatica nè tantomeno quella a trazione statica.

La meccanica della frattura è una scienza ingegneristica relativamente nuova, essendo il suo studio una novità del secolo scorso. Come in molti altri casi, la ricerca in questo ambito è stata motivata da problemi pratici che hanno spesso causato incidenti fatali. Nonostante il grande progresso svolto dagli ingegneri nel comprendere i fenomeni alla base di essa, sono auspicabili degli ulteriori progressi nella sua comprensione e nelle applicazioni. Una possibile ispirazione potrebbero essere alcuni materiali compositi biologici, contemporaneamente tenaci e resistenti grazie a strutture gerarchiche dove agiscono vari meccanismi che incrementano le proprietà del materiale. Queste strutture sono spesso complicate e sviluppate su scala micrometrica, ma grazie a nuove tecnologie come la manifattura additiva è ormai possibile produrre nuove geometrie difficilmente fattibili precedentemente con le tecniche sottrattive. Si può quindi pensare di riprodurre i meccanismi che agiscono nei materiali naturali nella progettazione meccanica, sviluppando materiali sia resistenti che tenaci. In questo elaborato si è cercato di progettare dei provini per flessione rotante dove la presenza di strutture gerarchiche interne potesse aumentare la tenacità estrinseca del materiale, gravando il minimo possibile sulla tensione massima agente nel progetto.

L’obiettivo principale di questo studio è caratterizzare dei provini, prodotti mediante additive manufacturing, con il metodo DMLS (direct metal laser sintering), a fatica mediante prove di flessione rotante. I provini sono realizzati in Maraging steel, le cui caratteristiche meccaniche e composizione sono di seguito enunciate. I dati sperimentali ottenuti dalle prove vengono poi elaborati tramite la normativa ISO 12107-2012, per trovare la curva di fatica S-N, sia usando un’interpolazione lineare, che una quadratica, per confrontarle in modo da identificare quale metodologia approssima meglio i dati. E' inoltre utilizzata la normativa Dixon tramite uno stair-caise per trovare la tensione limite di fatica. Un altro aspetto rilevante di questo elaborato è quello di analizzare il processo produttivo dei provini per capire quali sono i principali parametri che influenzano l’additive manufacturing e che conseguenze hanno sulla vita a fatica dei componenti realizzati. Per questo studio sono stati utilizzati tre set di provini (ogni set ha numerosità pari a 12) numerati dal 20 al 22. I set vengono trattati termicamente, lavorati alle macchine utensili, pallinati e sono analizzati nel dettaglio i processi appena citati. Legato a questi studi c’è il tentativo di trovare una correlazione tra la posizione di realizzazione dei provini in camera e la vita a fatica. Infine si esegue un’analisi frattografica per capire meglio i meccanismi di innesco e propagazione delle cricche per fatica.

In questo elaborato viene studiata e progettata una macchina di prova a fatica a flessione rotante con schema di carico a quattro punti. Viene eseguita un'analisi dettagliata delle macchine disponibili sul mercato, prendendo in considerazione le varie soluzioni tecniche impiegate. Il lavoro di progettazione viene poi diviso in tre parti e la trattazione eseguita in questo elaborato è quella relativa al sistema di carico. Il sistema di carico si occupa della trasmissione della forza ai due supporti simmetrici sui quali il provino è bloccato. Il sistema di carico comprende inoltre il sistema di generazione della forza, che sfrutta delle masse di prova.

Nel presente lavoro di tesi verrà studiato ed analizzato, tramite prove effettuate in laboratorio, il comportamento a fatica di 3 set di provini metallici in Maraging steel, realizzati mediante le più moderne tecnologie di Additive Manufacturing. Tale recente tecnologia, pioniera nell'ambito della produzione manifatturiera di prototipi e pezzi, ha iniziato sin dagli inizi del suo sviluppo a mostrare le sue numerose potenzialità, e solo negli ultimi anni ha dimostrato di poter essere applicata con successo anche a componenti meccanici e parti funzionali. Ciononostante, data la modernità della tecnologia, sono richieste ulteriori ricerche ed analisi per determinare il comportamento meccanico di pezzi prodotti con tali tecnologie, in quanto la loro resistenza, statica e soprattutto a fatica, è influenzata dalla peculiarità del processo tecnologico stesso, che tende a generare forte anisotropia nelle leghe metalliche prodotte. Nella prima parte verranno discussi i fondamenti generali della meccanica per i materiali metallici, in particolare il comportamento dei materiali sottoposti a storie di carico variabile; nella seconda parte verrà presentato uno stato dell'arte dei vari processi di Additive Manufacturing; nella terza parte, verrà studiato il comportamento a fatica, ad alto numero di cicli, dei suddetti provini sottoposti da un macchinario a flessione rotante a vari livelli di carico; nella quarta parte, tramite uso di tecniche statistiche, verrà presentata un'elaborazione dei risultati ottenuti in laboratorio, in particolare per ricavare la curva S-N e il limite di fatica del materiale; infine verrà presentata l'osservazione al microscopio delle superfici di frattura dei provini, per indagare la propagazione della rottura e così risalire alle possibili cause iniziatrici della rottura stessa.

Questo elaborato ha lo scopo di testare a fatica una serie di provini realizzati con tecniche di Additive Manufacturing e sviluppati per avere strutture tolleranti ai danni a fatica. Queste strutture sono caratterizzate dall’essere delle “Impossible Design”, cioè non possono essere create tramite le tecniche di manifattura tradizionale. Ci si focalizzerà su delle prove a flessione rotante in cui il provino di forma tradizionale viene sostituito da un tubo cavo avente lo stesso peso del provino tradizionale, con una geometria interna gerarchica. In questo modo, quando dalla superficie o dal punto più stressato del provino si origina una cricca, si può fermare o rallentare la sua propagazione attraverso un meccanismo estrinseco.

In letteratura sono presenti numerosi studi che descrivono i fattori che influenzano la vita a fatica di un laminato in CFRP e le modalità di propagazione ed accrescimento a fatica di un difetto. Tuttavia non sono presenti studi approfonditi che leghino l’effetto che può avere la grammatura, sulla vita a fatica del laminato. Il lavoro sperimentale oggetto di questa tesi vuole intendersi un lavoro preliminare, a carattere esplorativo, sullo studio della sensibilità della grammatura sulla resistenza a fatica di laminati in CFRP, attraverso test di flessione a fatica su due configurazioni di provini di grammature differenti (600 e 800 gr/m^2), con e senza inserimento di un difetto artificiale rappresentato da un intaglio sugli ultimi strati del laminato e test di flessione eseguito in accordo allo standard ASTM D2344/D2344M. I test a fatica hanno evidenziato una sensibile riduzione della vita per i provini senza difetto realizzati con l’800 gr/m^2 rispetto a quelli realizzati con il 600 gr/m^2. Per quanto concerne la tolleranza al danno, i provini realizzati con 600 gr/m^2 hanno evidenziato una sensibilità maggiore all’effetto di intaglio, pur avendo un comportamento migliore rispetto a quelli realizzati con l’800 gr/m^2.

La tecnologia Direct Metal Laser Sintering (DMLS) è una delle più promettenti tra tutti i processi che possono essere raggruppati sotto la definizione di Additive Manufacturing, permettendo la realizzazione di componenti anche molto complessi in breve tempo, a partire da un disegno CAD 3D. In questo studio sono stati realizzati dei provini in acciaio Maraging MS1, fornito dall’azienda EOS sotto forma di polvere, i quali sono stati suddivisi in tre serie in base alla loro posizione nella camera di produzione rispetto al flusso di gas inerte che vi scorre all’interno. I provini sono stati sottoposti ad una precisa serie di trattamenti termici e meccanici, quindi testati a fatica in una macchina per flessione rotante secondo una precisa metodologia sperimentale. I dati raccolti sono stati processati con il metodo Dixon e la norma internazionale ISO 12107 per ricavare il limite di fatica e le relative bande di confidenza. Utilizzando l’ANOVA, si è poi eseguita una comparazione dei dati sperimentali ottenuti con i tre set, non evidenziando significative differenze. L’analisi frattografica delle superfici di frattura ha permesso infine di analizzare più a fondo l’origine e la propagazione delle cricche e stabilire le cause più frequenti che hanno originato la rottura.

Dalla metà degli anni Ottanta si è assistito all'introduzione dell'Additive Manufacturing (AM), tecnologia completamente innovativa che permette la produzione di componenti a partire da un modello 3D realizzato tramite specifici software. La definizione di AM raggruppa svariati processi, tra cui il DMLS (Direct Metal Laser Sintering), che prevede di formare il pezzo a partire da polvere metallica, successivamente fusa da un raggio laser e lasciata solidificare, così da ottenere la geometria definitiva. In questo elaborato è stato analizzato come alcuni parametri di processo, in particolare la rugosità e il trattamento termico, influenzino la vita a fatica del componente, ossia il numero di cicli che esso può compiere sopportando un carico al di sotto di quello di snervamento senza giungere a rottura. Per effettuare lo studio sono state svolte prove di fatica a flessione rotante, attenendosi alla procedura descritta in specifiche normative ISO. Esse prevedono di vincolare dei provini cilindrici di diametro fissato, dei quali sono state rilevate preventivamente le caratteristiche geometriche e superficiali, su un apposito macchinario in grado di metterli in rotazione, ed attendere l'esito della prova, che può essere una sopravvivenza, se il pezzo supera un numero prestabilito di cicli di vita, o una rottura, nel qual caso è stata osservata la superficie di frattura. Il risultato finale dello studio, conseguito tramite successiva elaborazione statistica dei dati ottenuti dalle prove, è la curva di fatica del materiale, che correla la tensione a cui esso è sottoposto ai cicli di vita che può compiere senza rompersi. Nell'ambito di questa specifica indagine, sono state confrontate le curve di fatica relative a provini realizzati tramite DMLS e in seguito sottoposti a differenti trattamenti meccanici (pallinatura, lavorazione alle macchine utensili) e che hanno subito o meno trattamento termico, così da valutare l'effettivo beneficio dei diversi processi produttivi.

Il lavoro svolto in questa tesi ha l’obiettivo di valutare il comportamento a fatica di un acciaio, AISI 420, prodotto con il metodo SLM sia nel suo stato trattato termicamente, sia in quello previo trattamento. A questo fine si è operato un ulteriore confronto con un acciaio prodotto tradizionalmente, 16CrNi4, del quale si vuole valutare un eventuale sostituzione con AISI 420 SLM. Per la valutazione del comportamento a fatica sono state svolte prove di fatica a flessione rotante ed analizzate allo stereoscopio le superfici di rottura. Sono state effettuate prove di densità su tutti i provini studiati e micrografie su campioni di tutti i materiali considerati.

L' obbiettivo principale della tesi è stato quello di trovare una base numerico-sperimentale che valuti la vita a fatica delle giunzioni saldate di testa sensibili alla rottura alla radice. La prima parte dello studio è stato condotta sulla progettazione di un provino saldato che per analogia presentasse la stessa conformazione e lo stesso comportamento a rottura dei giunti saldati presenti negli organi meccanici dei carrelli elevatori TOYOTA. Successivamente è stata eseguita un'analisi agli elementi finiti con il software Ansys, seguendo le direttive previste dall' Istituto internazionale della saldatura; nello specifico è stato adottato il metodo dell' Effective Notch Stress (o metodo del raggio fittizio).Tale approccio ha permesso di stimare la vita a fatica del giunto saldato mediante la costruzione della curva teorica di fatica. La seconda parte dello studio si è basata sulla realizzazione fisica dei provini saldati precedentemente progettati e sullo svolgimento di una campagna sperimentale di prove a fatica mediante l'utilizzo di un Vibroforo (Rumul Mikrotron 654) presente nei laboratori UNIBO. Le suddette prove hanno permesso di ottenere la curva di fatica reale e l'individuazione del limite di resistenza a fatica della giunzione saldata. In fine è stata eseguita un'analisi dei dati per evidenziare le differenze tra l'approccio numerico e sperimentale.

In questa tesi sono stati studiati i dati presenti in letteratura sugli gli effetti benefici sulla vita a fatica della lega Ti6Al4V del processo di pallinatura,con particolare interesse agli effetti sul processo della dimensione dei pallini e della durata del processo. Inoltre si sono analizzati i dati di letteratura riguardanti l'incremento di vita a fatica della lega Ti6Al4V ottenuto tramite il processo di ripallinatura e la relazione tra pallinatura,ripallinatura e fretting fatigue. Infine sono stati esaminati i dati sul comportamento a fatica della lega Ti6Al4V grado ELI per uso biomedico sottoposta a carico oligociclico ed ad alto numero di cicli.

Breve introduzione sulla meccanica della frattuta, in particolare la propagazione delle cricche a fatica e le tensioni residue. Processo di Laser Shock Peening per l'introduzione di stress residui di compressione e relative prove su software Afgrow.

Nella valutazione della durabilità strutturale, oltre all'uso dei metodi teorici e numerici, è consuetudine svolgere prove sperimentali per stimare direttamente la resistenza del materiale a seguito dell’applicazione di carichi esterni. L’interesse è spesso ristretto a carichi di flesso-torsione, considerati molto comuni nelle applicazioni ingegneristiche. Nel corso degli anni sono state proposte diverse metodologie di prova che differiscono in termini di macchine utilizzate, geometria dei campioni e tipo di eccitazione, nessuna delle quali purtroppo in grado di applicare sul provino un carico di flesso-torsione. Solo due layout sembrano promettenti, ma presentano alcune limitazioni sia dal punto di vista economico e sia dalla mancanza di una validazione sperimentale attraverso un prototipo. La seguente tesi presenta un innovativo sistema di prova in grado di eseguire prove multi-assiali su shaker tri-assiale in cui i carichi flessionali e torsionali agenti sul provino sono controllabili in modo indipendente. Il sistema, composto da un provino cilindrico intagliato con masse eccentriche a sbalzo, è eccitato da accelerazioni verticali e/o orizzontali alla base. L’estremità libera del provino è vincolata da una lamina sottile e flessibile che impedisce le deformazioni flessionali del provino quando è eccitato orizzontalmente, ma ne permette la rotazione. Tale layout quindi può essere sollecitato con carichi controllati di flessione e/o torsione, a seguito dell’applicazione simultanea di accelerazioni verticali e orizzontali alla base. Un modello analitico a parametri concentrati e uno agli elementi finiti sono impiegati per la progettazione e verifica del sistema proposto, tramite la stima delle risposte dinamiche, delle deformazioni e dello stato tensionale. Un prototipo del sistema di prova viene realizzato e poi validato tramite prove preliminari in laboratorio con accelerazioni armoniche alla base. Le deformazioni monitorate nel sistema di afferraggio tramite estensimetri sono utilizzate dai due modelli per ottenere una stima delle tensioni di picco elastico agenti nella sezione netta del provino. La stretta correlazione fra i risultati numerici e sperimentali dimostrano che il sistema di prova è realmente in grado di controllare in modo indipendente i carichi flessionali e torsionali. Successivamente, prove a fatica (a sola flessione e a sola torsione) con accelerazioni armoniche applicate da shaker vengono effettuate in laboratorio. Si dimostra che test accelerati su shaker con accelerazioni armoniche alla base permettono di eseguire prove ad ampiezza costante, i cui risultati sono comparabili con quelli ottenuti su una macchina MTS. Infine, in laboratorio vengono eseguite prove a fatica mono-assiale con carico stocastico flessionale e prove multi-assiali con carichi stocastici flesso-torsionali. Per entrambe le tipologie di prova viene presentata una metodologia previsionale della vita a fatica. I risultati numerici sono in ragionevole accordo con quelli sperimentali, provando quindi la bontà dei metodi previsionali impiegati.
In the structural durability assessment, besides the use of theoretical and numerical methods, it is customary to carry out experimental tests to directly estimate the material strength against the application of external loads. The interest is often restricted to bending-torsion loading, considered very common in engineering applications. Over the years, different test methodologies that differ in terms of machines used, geometry specimen and type of excitation, have been proposed. None of them unfortunately can apply a bending-torsion loading to the specimen. Only two layouts seem promising, but they have some limitations both from an economic point of view and from the lack of an experimental validation through a prototype. The following thesis presents an innovative testing system able to perform multi-axial tests on tri-axial shaker in which the bending and torsion loadings acting on the specimen can be controlled independently. The system is composed of a cylindrical and notched specimen and a cantilever beam with two equal tip masses mounted at the specimen free extremity. The system is excited by vertical and/or horizontal base accelerations. The free end of the specimen is constrained by a thin and flexible plate that prevents any bending deformations of the specimen against horizontal excitations, but allows its rotation. So this layout is capable to control independently bending and torsion loadings when vertical and horizontal base accelerations are applied simultaneously. An analytical lumped-mass model and a finite elements model are used to design and verify the proposed system, through the estimation of the dynamic responses, the deformations and the stress state. A testing system prototype was realized and then validated by preliminary tests in the laboratory with harmonic base accelerations . The strain values were monitored in the T-clamping system by strain gauges. Such strains are used by the two models in order to obtain an estimate of the elastic peak stress acting in the net section of the specimen. The close correlation between numerical and experimental results shows that the testing system is really capable to control the bending and torsion loadings independently. Subsequently, fatigue tests (only bending and only torsion) with harmonic accelerations applied by shakers were carried out in the laboratory. It is shown that accelerated tests on shaker with harmonic base accelerations allow to perform constant amplitude fatigue tests , whose results are comparable with those obtained on an MTS machine. Finally, uni-axial fatigue tests with bending random loading and multi-axial fatigue tests with random bending-torsion loadings were performed. A predictive method of fatigue life is presented for both types of tests . The numerical results are in reasonable agreement with the experimental ones, thus proving the goodness of the predictive methods used.

Negli ultimi anni, la tecnologia di Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) è diventata la principale tecnica utilizzata per produrre componenti in metallo mediante Additive Manufacturing (AM). Questa tecnica beneficia dei vantaggi dell’Additive Manufacturing insieme alle alte prestazioni offerte dalle leghe metalliche, permettendo di produrre componenti meccanici pronti per l’utilizzo finale. Occasionalmente, a causa del processo di costruzione a strati, all’interno delle parti possono essere presenti dei difetti che, senza alterare sensibilmente le proprietà statiche, provocano un rapido degrado delle proprietà a fatica. Questo aspetto ha indirizzato la ricerca verso lo studio delle reali proprietà meccaniche dei componenti prodotti per AM rispetto a quelli prodotti con tecnologie tradizionali e successivamente verso l’ottimizzazione dell’intero processo con l’obiettivo di limitare i difetti e migliorare l’affidabilità del processo. Mentre sono state ampiamente confermate la elevate proprietà meccaniche statiche, il comportamento a fatica deve ancora essere studiato approfonditamente. In questo studio sono state investigate le proprietà a trazione e a fatica di 3 leghe metalliche realizzate mediante L-PBF, considerando l’applicazione finale nei seguenti settori produttivi: • Ambito automotive: è stata considerata la lega AlSi7Mg per la produzione di un componente telaio ottimizzato topologicamente, per l’applicazione su un’automobile ad alte prestazioni. In particolare, sono stati valutati gli effetti di: - Trattamento termico: nessun trattamento vs. T6 vs. trattamento termico per la verniciatura del telaio; - Finitura superficiale: as-built vs. lucidatura; - Orientazione sulla tavola di costruzione. • Ambito biomedicale: per la costruzione di uno stelo femorale con osteointegrazione migliorata è stata scelta la lega di titanio Ti6Al4V. Per la suddetta applicazione ci si è concentrati sull’effetto delle seguenti variabili: - Contaminazione della polvere; - Diversi set di parametri di processo e polvere; - Finitura superficiale: as-built vs. lucidatura; - Orientazione sulla tavola di costruzione. • Settore stampi per stampaggio a iniezione: per la costruzione di un inserto con canali conformati è stata scelta la lega X3NiCoMoTi. In questo caso è stato studiato l’effetto di: - Fori nel materiale, agenti come concentratori di sforzi; - Finitura superficiale dei fori; - Diversi set di parametri di processo e polvere. Questo lavoro ha lo scopo di fornire una migliore conoscenza delle variabili critiche del processo di costruzione additiva e delle operazioni di post-processo. Questo studio è stato realizzato nel contesto del progetto europeo DREAM (Driving Up Reliability of Additive Manufacturing)
In the last years, Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) has become the main technology to produce metal parts by Additive Manufacturing (AM). This manufacturing technique comprises the advantages of additive manufacturing and the high performance offered by metal alloys in order to produce mechanical components ready for the final application. Occasionally, due to the layer-wise process, some defects can be produced inside the parts, leading to mechanical properties that are well above the requirements for static loads but rapidly decay under fatigue conditions. This concern leads the researchers to investigate the actual mechanical properties of parts, as compared to those of traditionally manufactured components, and to optimize the whole process in order to limit defects and increase the reliability of the process. While extensive static tests confirmed high mechanical properties of the main metal alloys produced by AM, the fatigue behavior of additive metal parts still needs to be deeply investigated. In this study, the fatigue and tensile properties of 3 metal alloys were analyzed, in view of 3 final applications, listed as follows. • Automotive field: Aluminum alloy AlSi7Mg was studied for the final production of a topologically optimized frame part of a sports car. In particular, the interest was focused on the effect of: - Heat treatment: no heat treatment vs. T6 vs. the heating cycle required for painting the body-in-white frame; - Surface finish: as-built vs. polished; - Orientation on the building platform. • Medical field: Titanium alloy Ti6Al4V was investigated for the production of femoral stems with improved osseointegration. The study on this material was focused on the effect of: - Powder contamination; - Different parameters/powder sets; - Surface finish: as-built vs. polished; - Orientation on the building platform. • Mold manufacturing field: the Maraging steel alloy X3NiCoMoTi was studied for the application in a mold insert with internal cooling channels. The main concern related to this application led to the study of the effect of: - Holes in the material, acting as stress concentrators; - Surface finish of the holes; - Different parameters/powder sets. This work aims to provide better understanding of the critical variables of the manufacturing process and the post-processing operations. This study was accomplished within the European Project DREAM (Driving Up Reliability of Additive Manufacturing)

A multidisciplinary approach to mechanical design, able to focus not only on the specific component but on the whole technical system surrounding it, is necessary to successfully deal with the actual complexity of technical innovation and industrial progress. For this purpose, the aim of this work is to deepen some problems of fatigue damage of mechanical components by means of different design methods in order to show the advantages and the inventive step coming from their synergic employ. At first, theoretical methods for fatigue design of mechanical components and welded structures are analysed and compared to the recommendations given by design standards as regards some specific structural problems of welded details. In this way, the advantages of joining different theoretical methods is pointed out by the comparison with some experimental data. Then, the complex problems of fatigue damage of a more complicated mechanical component as a church bell are analysed. A dedicated software for the simulation of the dynamic behaviour of bells is developed in the context of a European research project. In order to deepen the reasons and the influencing parameters in the damage phenomena and to allow a future application of simulations’ results for fatigue life predictions, the experimental fatigue behaviour of bell bronze is analysed. In this context, theoretical models are employed to summarise fatigue test results on both plain and notched specimens. Finally, different theoretical, numerical and experimental approaches to mechanical design are employed for the development of a electromechanical test bench for torsion fatigue tests that has to be seen as a first step forward future implementations of flexible test systems for both material analysis and components testing. Starting from a fatigue damage problem, this activity requires to collect different skills in both mechanical design and electric and control applications. The result of a synergic employ of these skills is the possibility to get both effective scientific improvements through the validation of theoretical models by means of dedicated fatigue test campaigns and a solid cooperation with business companies by providing reliable data on components resistance and useful suggestions to improve design against fatigue.
L’attuale complessità dell’innovazione tecnica e dello sviluppo industriale richiedono sempre più l’adozione di un approccio alla progettazione meccanica di tipo multidisciplinare che consideri non solo il singolo componente ma l’intero sistema tecnico nel quale è inserito. Il presente lavoro di tesi si propone di approfondire ed integrare, applicandoli a varie problematiche, diversi metodi per lo studio del danneggiamento a fatica di componenti meccanici soggetti a carichi di esercizio, illustrando i vantaggi e il potenziale innovativo che deriva dalla sinergia di questi approcci. Il lavoro si sviluppa a partire dall’approfondimento di modelli teorici per la progettazione a fatica di componenti e strutture saldate proposti in letteratura che vengono applicati allo studio di particolari problematiche strutturali e confrontati con i metodi proposti dalle normative di progettazione. In questo modo viene messa in rilievo, sulla base di evidenze sperimentali, la necessità di integrazione di diversi approcci teorici. Lo studio si allarga quindi a considerare le problematiche di danneggiamento a fatica di un componente meccanico complesso quale le campane da chiesa. Questo argomento, nato dalla partecipazione ad un progetto di ricerca europeo, viene affrontato sia dal punto di vista dello sviluppo di un programma per la simulazione del comportamento dinamico delle campane, sia dal punto di vista della caratterizzazione sperimentale del comportamento a fatica del materiale. Questo secondo approccio, che prevede anche l’applicazione di modelli teorici per la sintesi dei risultati, oltre ad approfondire cause e parametri di influenza nei fenomeni di danneggiamento, ha l’obbiettivo di rendere possibile, in futuro, l’applicazione dei risultati delle simulazioni per previsioni di resistenza a fatica delle campane. Infine, l’integrazione e l’effetto sinergico di diversi approcci allo studio di problematiche di danneggiamento a fatica trovano completa concretizzazione nello sviluppo di un banco elettromeccanico per prove a fatica in torsione. Quest’attività, punto di partenza per lo sviluppo di sistemi di prova flessibili per la caratterizzazione di materiali e la prova di componenti, permette di far convergere metodi specifici con competenze trasversali che ampliano i confini della progettazione meccanica in senso stretto, dimostrando di avere grandi potenzialità dal punto di vista dei risvolti applicativi sia per la ricerca che per le collaborazioni con realtà industriali.

Nello studio sperimentale oggetto della tesi è stato indagato il comportamento a fatica policiclica, in regime fessurato, di calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche. Per tale tipologia di prova non esiste una procedura standardizzata; occorre anche osservare come in letteratura le testimonianze di prove policicliche su FRC siano piuttosto limitate soprattutto in riferimento a calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche in regime fessurato. A tale scopo è stata messa a punto una procedura di prova a flessione su tre punti finalizzata a valutare il comportamento a fatica del materiale. Sono stati testati calcestruzzi con lo stesso dosaggio e con la stessa tipologia di fibre sottoposti a carichi ciclici con diversi ampiezza e stress level. La sperimentazione ha riguardato anche prove di flessione su tre punti di tipo monotono condotte sul medesimo materiale e su calcestruzzi non fibrorinforzati. I dati sperimentali ottenuti dalle prove monotone sono stati impiegati come input per una procedura di analisi inversa finalizzata alla definizione della relazione tensione-apertura di fessura per i materiali testati.