3D Printing of protection systems for smart agriculture

In the past few years, the effects of climate change have become more and more noticeable. The production field that suffers the most from the consequences of global warming is the agricultural sector, as climate heavily influences plant growth and development. Crops and orchards are exposed, with increasing frequency, to extreme meteorological events, which have led to high economic losses. The use of nets to protect plants and trees has always been a common practice but, in the face of the changing climatic conditions, traditional agricultural nets are no longer sufficient. A smart system is needed to face the ever-changing issues that pose a threat to orchards and crops. 3D printing is a technique on the rise, which has the potential to be applied to many sectors. When used in combination with textiles it can be defined as textile 3D printing, and recent studies show that printing a two-dimensional geometry on a pre-stretched fabric leads to the formation of a three-dimensional geometry with new functionalities. This is the starting point for the definition of a 3D printed smart material which can be applied to the agricultural field in place of the traditional net systems. This concept is introduced in this thesis, and the first steps for the verification and adaptation of this idea are performed. Geometries of varying levels of complexity are printed and studied, with the goal of defining a finite element model to provide accurate forecasts of buckled configurations for all possible geometries. ABAQUS was used for this purpose, and results from implicit and explicit simulations are presented and compared. By improving the contact definition between the substrate and the printed geometry it was possible to achieve a sufficiently accurate model. This could be exploited in the future for the training of AI platforms and the prediction of the deformation obtained, which can be useful in defining the benefits of the geometries with respect to agricultural applications. In this regard the behavior observed in a PLA grid printed on the pre-stretched Lycra substrate is especially interesting and its working principle could be adjusted and applied to agricultural nets in future studies.

Recentemente gli effetti del cambiamento climatico sono diventati sempre più evidenti. Il campo di produzione che più risente delle conseguenze del riscaldamento globale è il settore agricolo, poiché il clima influenza la crescita e lo sviluppo delle piante. La frequenza a cui le coltivazioni sono esposte a fenomeni metereologici estremi è in aumento, ed essi causano ingenti perdite di tipo economico. L'uso di reti per proteggere le piante e gli alberi da frutto è sempre stata pratica comune, tuttavia, di fronte ai cambiamenti delle condizioni climatiche, le reti da agricoltura tradizionali non sono più sufficienti. Un sistema intelligente diventa necessario per affrontare l’aumento e il mutamento delle problematiche che costituiscono una minaccia per le coltivazioni e i frutteti. La stampa 3D è una tecnica in ascesa, con la potenzialità di essere applicata a vari settori. Quando eseguita su tessuti, viene definita 'Stampa 3D tessile', e sono numerosi gli studi che dimostrano come, stampando una geometria bi-dimensionale su un tessuto in tensione, si verifichi la formazione di una geometria 3D con nuove funzionalità. Questo è il punto di partenza per la generazione di un materiale 'smart' generato con la stampa 3D che può essere applicato nel campo dell'agricoltura in sostituzione delle reti tradizionali. Tale è il concetto introdotto in questa tesi, e in questo ambito vengono compiuti i primi passi per la verifica e l'adattamento all'applicazione finale. Geometrie con crescente livello di complessità vengono stampate e studiate, con lo scopo di definire un modello ad elementi finiti che possa essere accurato per fornire previsioni sul fenomeno di ‘buckling’ di ciascuna geometria. Per questo scopo è stato utilizzato ABAQUS, e i risultati ottenuti da simulazioni implicite ed esplicite vengono presentati e confrontati. Apportando miglioramenti alla definizione del contatto tra substrato ed elemento stampato, è stato possibile caratterizzare un modello sufficientemente accurato che, in futuro, potrà essere utilizzato per il training di un'intelligenza artificiale che possa predire le deformazioni ottenibili e i possibili benefici di una determinata geometria rispetto ad un'applicazione in campo agricolo. In merito a ciò, è interessante il comportamento di una griglia in PLA stampata su substrato di Lycra mantenuto in tensione per la durata della stampa, il cui principio di funzionamento può essere adattato e trasferito su applicazione a reti in uno studio futuro.