Superelastic Ni-Ti auxetic damper manufactured by selective laser melting

Selective Laser Melting (SLM) is a power bed fusion additive manufacturing promising technique, that allows to fabricate near net, complex shape components without price rising compared to simpler configurations. This aspect is particularly interesting in order to reduce time, post processing and assembling procedures required by conventional manufacturing techniques. These elements, once associated with the superior functional properties of the near equiatomic SMA NiTi alloys, and in particular superelasticity, allow to fabricate parts with enhanced energy dissipation capabilities for damping applications. However, a key factor to obtain high quality final parts is the correct selection of the SLM process parameters for NiTi: in this thesis their choice has been based on the extensive analyses conducted in previous work on different sets. The aim of this thesis is to implement in a CAD software and then fabricate through SLM an auxetic complex geometry to use as a damper. Auxetic geometries, also called re-entrant structures, are characterised by negative Poisson's ratio and augmented mechanical properties such as stiffness or energy dissipation abilities. The damping capacity of the manufactured auxetic components is evaluated in terms of amount of energy dissipated per cycle and tan delta. Moreover, the obtained results are used to validate a finite element material model implemented in the commercial software Abaqus. In this work, prior to the fabrication of the auxetic parts, the parameters required to realize the model have been obtained through static mechanical tension and compression tests on beam and bulk specimens realised with the same SLM process parameters of the auxetic components.

Selective Laser Melting (SLM) è una promettente tecnica di produzione additiva a letto di polvere che permette di ottenere componenti dalla forma complessa senza aggravio di costi rispetto alla realizzazione di una geometria più semplice. Questo aspetto è particolarmente interessante perché permette la riduzione dei tempi di produzione, di ulteriori lavorazioni e procedure di assemblaggio necessarie quando si usano tecniche di produzione convenzionali. Questi elementi, associati alle eccellenti proprietà funzionali delle leghe SMA equiatomiche di NiTi, e soprattutto alla sua superelasticità, permettono di produrre componenti con ottime capacità di smorzamento dell'energia e delle vibrazioni. Per ottenere prodotti con buone proprietà meccaniche è fondamentale la corretta scelta dei parametri di processo SLM per ogni specifico materiale: in questo lavoro, la scelta del set più adatto di parametri da utilizzare è stata presa tra quelli estensivamente studiati in un lavoro precedente. Lo scopo di questa tesi è quindi quello di disegnare in un programma CAD e poi produrre tramite SLM un componente auxetico dalla geometria complessa, da usare come smorzatore. Le geometrie auxetiche, chiamate anche strutture rientranti, sono caratterizzate da un coefficiente di Poisson negativo e ottime proprietà meccaniche come rigidezza o capacità di dissipare energia. Le proprietà smorzanti degli elementi prodotti sono quindi valutate in termini di energia dissipata per ciclo e tan delta. In più, i risultati ottenuti sono usati per validare un modello agli elementi finiti che descrive il comportamento meccanico del NiTi sul software Abaqus. Quindi, in questo lavoro, prima della produzione dei componenti auxetici, i parametri per il modello Abaqus sono stati ottenuti attraverso dei test meccanici a trazione e compressione su dei provini di forma allungata e prismatica realizzati con gli stessi parametri di processo poi utilizzati per i componenti auxetici.