Definizione di una metodologia di ottimizzazione topologica per lo sviluppo di accoppiamenti a scatto ( snap-fit ) metallici

The usage of snap-fits in metallic assemblies could simplify and speed up joining and disassembly processes. This outcome would imply a higher productivity of the assembly lines and ease the maintenance and disposal procedures, according to the principles of the Design for Disassembly. Moreover, employing snap-fits could result in the possibility to delegate the mounting phase directly to the end users. This work proposes an original topology optimization algorithm aimed to support the design of metallic integrated connection systems. Topology optimization, in fact, is rarely used for dimensioning snap-fits and the algorithms commonly employed have as objective functions the elastic strain energy stored by the object designed or the work done by the applied forces. The code developed, instead, aims to maximize the displacement of a point of the structure under load, so as to increase its elasticity in certain directions. The algorithm allowed to find snap-fit geometries capable of balancing the stiffness of metallic materials and therefore suitable for joining parts in steel or aluminum. In order to verify the functioning of the snap-fits designed, a case for personal computers assembled without the use of fasteners and welds was chosen as study case. The snap connections designed for this specific product have been manufactured and tested experimentally. In this way it has been possible to verify the advantages in terms of assembly time due to the adoption of the snap-fits and the simplification of the design processes given by the topology optimization techniques. In reference to the drawbacks identified, the work demonstrates that snap-fits are only suitable for parts in steel or aluminum with medium-high yield strength. Alloys with low resistance, in fact, imply a deterioration of the snap-fit performances after a few assembly and disassembly cycles.

L’impiego dei collegamenti a scatto (snap-fit) negli assemblati metallici potrebbe semplificare e rendere più rapide le operazioni di montaggio e disassemblaggio da essi richieste. Tale effetto, oltre a comportare una maggiore produttività delle linee di assemblaggio, renderebbe possibile, in alcuni casi, la delega della fase di montaggio direttamente all’utente finale e agevolerebbe la manutenzione e lo smaltimento dei prodotti, secondo i principi del Design for Disassembly. La tesi propone un algoritmo di ottimizzazione topologica originale finalizzato alla progettazione di sistemi di connessione integrati utilizzabili in parti metalliche. L’ottimizzazione topologica, infatti, è raramente adottata nel dimensionamento dei collegamenti a scatto e gli algoritmi comunemente impiegati hanno come funzioni obiettivo l’energia elastica accumulata dall’oggetto progettato o il lavoro compiuto dai carichi applicati. Il codice elaborato, invece, mira a massimizzare lo spostamento di un punto della struttura sotto carico, in modo da aumentarne la cedevolezza in determinate direzioni. Utilizzando l’algoritmo si sono così individuati snap-fit di geometrie tali da compensare la rigidezza dei materiali metallici e quindi adottabili per unire parti in acciaio o alluminio. Si è scelto come caso di studio, per descrivere una possibile applicazione degli snap-fit progettati, un case per personal computer assemblabile senza l’impiego di collegamenti filettati o saldature. I collegamenti a scatto dimensionati per questa specifica applicazione sono stati realizzati e testati sperimentalmente. Si sono così potuti constatare i vantaggi in termini di tempi di assemblaggio portati dall’adozione degli snap-fit e la semplificazione delle fasi di progettazione data dalle tecniche di ottimizzazione topologica. Infine, il lavoro compiuto dimostra che i collegamenti a scatto sono adatti in particolare all’integrazione in parti in acciaio o in alluminio a media-alta resistenza. Le leghe con un minor carico di snervamento, infatti, comportano un allargamento delle sezioni plasticizzate degli snap-fit e un possibile decadimento delle loro prestazioni dopo alcuni cicli di montaggio e disassemblaggio. Gli studi futuri dovranno quindi essere rivolti alla risoluzione di queste problematiche.