Experimental and numerical characterization of superelastic auxetic dampers, manufactured by additive technology

Shape memory alloys are an interesting class of materials characterized by the ability to recover the original shape also after high values of deformation. These materials have become increasingly popular for use in many engineering fields, including aerospace, robotics and biomechanics. A major research focus is the application of Nitinol superelastic component as a damper. Nickel-titanium, commonly referred to as Nitinol, is a shape memory alloy with superelastic properties that make it useful in certain environments and applications. These properties include shape-memory, flexibility and durability. Combining these materials with the advantages of SLM technology, it is possible to obtain a 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. The aim of this thesis is to put together, the characteristic of the SMA material with the advantages of the SLM technology, to fabricate 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. Three different sizes have been produced in order to compare how the damping behaviour changes as a funcion of size. Simultaneously, a small auxetic geometry study based on fiber optic has been implemented to analyze the relationship between local strain and global strain. All the results obtained have been compared with numerical models.

Le leghe a memoria di forma (SMA) sono una classe interessante di materiali caratterizzati dalla capacità di recuperare la loro forma originale anche dopo alti valori di deformazione. Questi materiali sono diventati sempre più popolari in molti campi dell’ingegneria, tra cui l’aerospaziale, la robotica e la biomeccanica. Uno dei princi- pali obiettivi di ricerca è l’applicazione del componente superelastico Nitinol come smorzatore. Il nichel-titanio, comunemente chiamato Nitinol, è una lega a memoria di forma con proprietà superelastiche che la rendono utile in certi ambienti e applicazioni. Queste proprietà includono la memoria di forma, la flessibilità e la durata. Combinando questi materiali con i vantaggi della tecnologia SLM (Selective Laser Melting), è possibile ottenere componenti di forma complessa senza aumentare il prezzo rispetto a configurazioni più semplici. Questo aspetto è particolarmente interessante per ridurre il tempo, le procedure di post processing e di assemblaggio richieste dalle tecniche di fabbricazione convenzionali. Lo scopo di questa tesi è di mettere insieme le caratteristiche del materiale SMA con i vantaggi della tecnologia SLM, per fabbricare una geometria complessa auxetica da utilizzare come ammortizzatore. Le geometrie auxetiche, chiamate anche strutture rientranti, sono caratterizzate da un rapporto di Poisson negativo e hanno migliori proprietà meccaniche, come la rigidità o la capacità di dissipare energia. Sono stati prodotti tre campioni di diverse dimensioni, per confrontare come cambia il comportamento di smorzamento in funzione delle dimensioni. Allo stesso tempo, un piccolo studio di geometria auxetica basato su fibre ottiche è stato implementato per analizzare la relazione tra deformazione locale e deformazione globale. Tutti i risultati ottenuti sono stati confrontati con i modelli numerici.