Development and prototyping of a carbon fiber elastic plate for Ski-mountaineering

The primary objective of this thesis is the design, development, and prototyping of an innovative energy return system for Ski Mountaineering (SkiMo). Specifically, the work aims to integrate a lightweight carbon-fiber composite plate between the ski and the boot to store and release elastic energy during the uphill stride. The plate is designed to enhance uphill performance while strictly preserving compatibility with race SkiMo equipment and ensuring structural integrity under cyclic fatigue loading conditions. The conceptual framework builds upon the mechanics of modern carbon-plated running shoes, adapting the principle of elastic energy storage to the rigid SkiMo setup. A biomechanical characterization of the uphill movement was conducted through field tests with World Cup athletes, defining the kinematic boundary conditions of the system. The focus was centered on the SkiMo Sprint discipline, in which athletes adopt a running-like technique characterized by a flight phase, making the exploitation of elastic rebound highly relevant. To assess the potential benefits of this system, a dedicated Python-based software tool for SkiMo analysis was developed using Streamlit. This platform enables the integrated visualization and multi-parameter analysis of biomechanical, metabolic, and neuromuscular data collected during field tests, providing a structured methodology to objectively validate future performance comparison tests with and without the plate. A virtual kinematic model of the ski–boot–binding system was developed using finite element analysis (FEA) in Abaqus 2023. Starting from the critical assessment of an early industrial prototype, a new parametric curved laminate was defined using eight design variables. To explore this design space efficiently, an automated Python-based optimization framework utilizing the Optuna library was implemented. This procedure iteratively generated candidate designs, executing and post-processing finite element simulations to find the optimal trade-off between maximizing energy return and limiting structural stress. The objective function was the elastic energy returned, computed as the integral of the reaction moment generated on the boot by the deformation of the plate over the rotation range, penalized by the Tsai–Hill failure index, adopted as a continuous structural damage indicator. The optimization yielded two distinct configurations. A conservative 7-ply carbon fiber laminate (0.60 mm) was identified as the optimal durability-focused solution, ensuring a high service factor of 2.04 but providing a limited energy return of -0.28 J, where the negative sign reflects the adopted work sign convention and indicates energy release by the plate. The associated peak reaction force at maximum deformation corresponds to approximately 3\% of the athlete’s peak ground reaction force recorded during the tests. To explore the system's maximum potential, a performance-oriented 13-ply laminate (1.11 mm) was subsequently evaluated by increasing the number of layers while preserving the optimal geometry. This stiffer configuration achieved an energy return of -1.75 J and the associated peak reaction force at maximum deformation corresponds to roughly 21\% of the athlete’s peak ground reaction force recorded during the tests, while maintaining an acceptable service factor of 1.50. Finally, physical prototypes of both configurations were manufactured using a manual hand lay-up and post-curing process. Qualitative verification under representative loading conditions confirmed that the observed deformation modes and curvature evolution closely matched the numerical predictions. Ultimately, this work demonstrates the structural and functional feasibility of integrating an elastic composite element into the SkiMo setup, delivering a robust design methodology and functional prototypes ready for future field validation tests with athletes and industrial scale-up.

L'obiettivo principale di questa tesi è la progettazione, lo sviluppo e la prototipazione di un innovativo sistema di ritorno energetico per lo sci alpinismo (SkiMo). Nello specifico, il lavoro mira a integrare una piastra in materiale composito a base di fibra di carbonio tra lo sci e lo scarpone, sfruttandone l’elasticità per immagazzinare e rilasciare energia durante la progressione in salita. La piastra è progettata per migliorare le prestazioni in salita, preservando rigorosamente la compatibilità con l'attrezzatura da gara da sci alpinismo e garantendo l'integrità strutturale in condizioni di carico ciclico a fatica. Il quadro concettuale si basa sulla meccanica delle moderne scarpe da corsa con piastra in carbonio, adattando il principio dell'immagazzinamento di energia elastica alla rigidità del setup da sci alpinismo. È stata condotta una caratterizzazione biomeccanica del movimento in salita attraverso test sul campo con atleti di Coppa del Mondo, definendo le condizioni al contorno cinematiche del sistema. L'attenzione si è concentrata sulla disciplina Sprint dello sci alpinismo, nella quale gli atleti adottano una tecnica simile alla corsa, caratterizzata da una fase di volo, che rende lo sfruttamento del ritorno elastico altamente rilevante ai fini della prestazione. Per valutare in modo completo i potenziali benefici di questo sistema, è stato sviluppato in Streamlit un software dedicato basato su Python per l'analisi dello sci alpinismo. Questa piattaforma consente la visualizzazione integrata e l'analisi multiparametrica dei dati biomeccanici, metabolici e neuromuscolari raccolti durante i test sul campo, fornendo una metodologia strutturata per validare oggettivamente futuri test comparativi di prestazione con e senza piastra. È stato sviluppato un modello cinematico virtuale del sistema sci-scarpone-attacco mediante analisi agli elementi finiti in Abaqus 2023. Partendo dalla valutazione critica di un primo prototipo industriale, è stato definito un nuovo laminato, parametrizzato mediante otto variabili geometriche di progetto. Per esplorare in modo efficiente questo spazio di progettazione, è stato implementato un framework di ottimizzazione automatizzato in Python basato sulla libreria Optuna. Questa procedura ha generato iterativamente varianti di progetto, eseguendo e post-elaborando simulazioni agli elementi finiti per trovare il compromesso ottimale tra massimizzare il ritorno energetico e limitare gli sforzi strutturali. La funzione obiettivo consisteva nell’energia elastica restituita, calcolata come l'integrale del momento di reazione generato sullo scarpone dalla deformazione della piastra nell'intervallo di rotazione, penalizzata dall'indice di rottura di Tsai-Hill, adottato come indicatore continuo di danno strutturale. L'ottimizzazione ha prodotto due configurazioni distinte. Un laminato conservativo in fibra di carbonio a 7 strati (0,60 mm) è stato identificato come la soluzione ottimale orientata alla durabilità, garantendo un elevato fattore di servizio di 2,04 ma fornendo un ritorno energetico limitato di -0.28 J, dove il segno negativo riflette la convenzione di segno adottata per il lavoro e indica il rilascio di energia da parte della piastra. La forza di reazione di picco associata alla massima deformazione corrisponde a circa il 3\% della forza di reazione al suolo di picco dell’atleta registrata durante i test. Per esplorare il potenziale massimo del sistema, è stato successivamente valutato un laminato a 13 strati (1,11 mm) orientato alle prestazioni, ottenuto aumentando il numero di strati pur preservando la geometria ottimale. Questa configurazione più rigida ha raggiunto un ritorno di energia pari a -1.75 J e la forza di reazione di picco associata alla massima deformazione corrisponde a circa il 21\% della forza di reazione al suolo di picco dell’atleta registrata durante i test, mantenendo un fattore di servizio accettabile pari a 1.50. Infine, i prototipi fisici di entrambe le configurazioni sono stati realizzati mediante un processo di laminazione manuale e successivo post-curing. Verifiche preliminari qualitative in condizioni di carico rappresentative hanno confermato che i modi di deformazione e l'evoluzione della curvatura osservati corrispondevano fedelmente alle previsioni numeriche. In definitiva, questo lavoro dimostra la fattibilità strutturale e funzionale dell'integrazione di un elemento elastico in composito all'interno del setup per lo sci alpinismo, fornendo una solida metodologia di progettazione e prototipi funzionali pronti per futuri test di validazione sul campo con atleti e per lo sviluppo su scala industriale.