Mechanical performance of metal tubes filled with metal foams : prototype parts for machine tools and helicopters

The aim of this work, executed through a partnership between MUSP (Macchine utensili e sistemi di produzione) and university ÉTS (École de technologie supérieure) de Montréal, is to study the mechanical performances of steel and titanium tubes filled with different types of metal foams, focusing the attention on the following aspects: energy absorption, damping capacity and fatigue behaviour. The study is divided in two main parts relating to two different application fields: machine tools and helicopters. In particular three models of machine tool portal, constituted by three steel samples, have been submitted to a dynamic analysis before and after the filling in order to understand the dynamical effect of different types of metal foam (aluminum foam and hybrid foam polymer-aluminum). Moreover after this first analysis all samples have been subjected to cyclic three-points bending tests simulating a certain number of work cycles, after which, they have been dynamically analysed again to understand what was the influence of work cycles on metal foam properties. Titanium samples filled with aluminum foam have been instead submitted to cyclic three-points bending tests and quasi-static compression tests in order to analyse their performances when subjected to these conditions of load. Particular attention has been given to the cyclic bending tests executed to investigate the behaviour of metal foam when subjected to “fatigue” tests (low number of cycles). During the bending tests the acoustic emission (AE) of the samples, supposed to be strictly connected with eventual damages or cracks developing inside the specimens during the tests, has been monitored. The last step has been the microscopic inspection for the samples for which the trend of the AE parameters had indicated an internal damage developed during the bending tests. All the results obtained have been finally shown to the company Bell Helicopter Trexton Canada in order to propose the use of metal foam filled tubes in helicopters field and find in which direction it is possible to proceed towards a specific application.

L’utilizzo delle schiume metalliche, come riempimento di componenti strutturali, è volto al miglioramento delle caratteristiche dei componenti stessi, in particolare riguardo l’assorbimento dell’energia e la capacità di smorzamento. Lo scopo di questo lavoro, eseguito grazie ad una collaborazione tra il laboratorio MUSP (Macchine utensili e sistemi di produzione) e l’università ÉTS (École de technologie supérieure) de Montréal, è quello di studiare le prestazioni meccaniche e dinamiche di tubi in acciaio e in titanio, riempiti con differenti tipologie di schiume metalliche. In particolare, lo studio è diviso in due parti principali riguardanti due differenti campi applicativi: le macchine utensili e gli elicotteri. Nella prima fase sperimentale tre modelli di portale di macchina utensile, costituiti ognuno da tre campioni in acciaio a sezione quadrata, sono stati sottoposti ad analisi dinamica prima e dopo essere stati schiumati, al fine di comprendere l’influenza dei diversi tipi di riempimento (schiuma di alluminio e schiuma ibrida alluminio-polimero) sulle caratteristiche dinamiche dell’intera struttura prima e dopo un certo numero di cicli di lavoro. In particolare, successivamente alla prima analisi dinamica, tutti i campioni sono stati sottoposti a prove di flessione ciclica su tre punti, al fine di simulare i cicli di lavoro, monitorandone la deflessione, il segnale di vibrazione e l’emissione acustica, al fine di avere la certezza di far lavorare in modo significativo i campioni senza danneggiarli, per poter ripetere l’analisi dinamica effettuata precedentemente e valutare, se e come, varia il contributo dei riempimenti. La seconda fase del lavoro ha invece riguardato l’analisi del comportamento di tubi in titanio riempiti con schiuma di alluminio sottoposti a compressione quasi statica e prove di flessione ciclica su tre punti, alle quali è stata data particolare attenzione, al fine di studiare il comportamento della schiuma di alluminio in condizioni di fatica a flessione per un basso numero di cicli. I test di flessione sono stati seguiti da un’analisi al microscopio finale, eseguita su quei campioni per i quali i parametri relativi al segnale di emissione acustica fornivano indicazioni particolari suggerendo lo sviluppo di possibili danneggiamenti interni. Tutti i risultati ottenuti sono stati infine presentati alla compagnia Bell Helicopter Trexton Canada al fine di proporre l’utilizzo dei materiali studiati nel campo elicotteristico e individuare una direzione in cui procedere nelle ricerche future verso applicazioni specifiche.