Sviluppo e valutazione di nuove tecnologie di produzione tramite manifattura additiva nell’ottica dell’industria 4.0 e 5.0: strutture TPMS, materiali compositi e applicazioni energetiche

Il lavoro di ricerca presentato in questa tesi di dottorato si colloca nel quadro della transizione verso l’industria 4.0, in cui le tecnologie digitali e di manifattura avanzata assumono un ruolo strategico nel ridefinire modelli produttivi, filiere industriali e metodologie progettuali. Tra le tecnologie emergenti, l’Additive Manufacturing (AM) rappresenta un campo in costante crescita, caratterizzato da una progressiva espansione delle sue applicazioni in settori chiave come l’aerospazio, l’automotive, l’energia e il biomedicale. La possibilità di realizzare componenti con geometrie complesse e personalizzate, ottimizzando al tempo stesso l’impiego di materiale e riducendo tempi e costi di produzione, fa dell’AM un paradigma produttivo altamente competitivo. Tuttavia, il pieno sfruttamento di queste potenzialità richiede una profonda integrazione tra conoscenze di progettazione avanzata, sperimentazione sui materiali e validazione dei processi, al fine di superare i vincoli tipici delle tecnologie tradizionali. In quest’ottica, il presente lavoro di ricerca si è concentrato sull’analisi, progettazione e sperimentazione di strutture cellulari complesse, in particolare quelle basate sulle Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS), e sulla valutazione delle loro prestazioni sia in applicazioni strutturali sia in applicazioni termo-fluidodinamiche. Le TPMS, grazie alla loro natura geometrica continua, periodica e priva di discontinuità, consentono di coniugare leggerezza, resistenza meccanica e un elevato rapporto superficie/volume, aprendo nuove prospettive nella realizzazione di pannelli sandwich, scambiatori di calore e dispositivi energetici. Parallelamente, è stata affrontata la tematica dei materiali compositi per Additive Manufacturing, con particolare riferimento alla tecnologia di Fused Filament Fabrication (FFF), nella quale l’introduzione di fibre e filler nei filamenti polimerici consente di migliorare proprietà meccaniche e funzionali dei manufatti, rendendoli idonei ad applicazioni strutturali e multifunzionali. Uno dei primi ambiti affrontati ha riguardato la progettazione e realizzazione di pannelli sandwich con core a geometria complessa, fabbricati mediante tecniche additive. Lo studio ha messo in evidenza come le geometrie TPMS, se impiegate come core all’interno di pannelli sandwich, offrano vantaggi significativi in termini di rigidezza flessionale, resistenza a compressione e capacità di assorbimento dell’energia, rispetto alle soluzioni convenzionali basate su honeycomb o schiume polimeriche. Attraverso prove sperimentali condotte su campioni realizzati in PLA e in materiali compositi caricati con fibre, è stato possibile dimostrare la stretta correlazione tra configurazione geometrica del core, densità relativa e comportamento meccanico complessivo del pannello. I risultati ottenuti hanno confermato il potenziale delle geometrie Gyroid, Diamond e Schwarz come soluzioni particolarmente promettenti per applicazioni in cui il rapporto resistenza/peso rappresenta un requisito critico. Un ulteriore filone della ricerca ha riguardato la modellazione e realizzazione di scambiatori di calore innovativi, caratterizzati da morfologie interne basate su superfici minimali triplamente periodiche (TPMS). Grazie alle loro proprietà topologiche, tali geometrie consentono di ottimizzare lo scambio termico attraverso un incremento del rapporto superficie/volume e una distribuzione più uniforme del flusso fluidodinamico, riducendo le perdite di carico tipiche delle configurazioni convenzionali. Nel corso dello studio, sono state progettate e confrontate diverse tipologie di TPMS – tra cui Gyroid, Diamond, Schwarz Primitive, Lidinoid e Split-P – realizzate mediante tecniche di additive manufacturing e analizzate sia attraverso modellazione numerica che sperimentazione diretta. Le prove hanno evidenziato come la scelta della geometria influisca in maniera determinante sulle prestazioni termo-fluidodinamiche complessive: la configurazione Gyroid si è confermata particolarmente efficace per l’equilibrio tra efficienza di scambio, autoportanza durante la fabbricazione e robustezza meccanica, mentre la geometria Schwarz Primitive ha mostrato un’elevata capacità di trasferimento termico, a fronte però di dimensioni complessive maggiori e di una ridotta resistenza strutturale. Parallelamente, la ricerca si è estesa allo sviluppo di strutture reticolari composite per sistemi di accumulo termochimico dell’energia, con specifico riferimento a materiali a base di zeoliti e polimeri ad alte prestazioni. In questo contesto, l’additive manufacturing si è rivelato uno strumento particolarmente adatto per superare i limiti delle tecniche tradizionali, che spesso impediscono di ottenere geometrie complesse con un’adeguata quantità di materiale attivo e una distribuzione interna ottimale. Sono state quindi progettate e realizzate strutture reticolari tridimensionali in composito SAPO-34/S-PEEK, valutate sia dal punto di vista morfologico che funzionale. Le prove di adsorbimento e desorbimento di vapore acqueo hanno confermato l’elevata efficienza del materiale e la sua stabilità nel corso di cicli operativi ripetuti, aprendo nuove prospettive per l’impiego di tali configurazioni in sistemi di accumulo energetico a lungo termine. La possibilità di realizzare reticoli cellulari ottimizzati, interamente costituiti da materiale attivo e privi di supporti metallici, ha dimostrato un significativo miglioramento sia nei processi di trasferimento di massa che nelle prestazioni di scambio termico, rispetto alle configurazioni convenzionali basate su letti impaccati o rivestimenti sottili. Questi risultati suggeriscono l’efficacia della manifattura additiva come piattaforma per l’integrazione di materiali avanzati e geometrie complesse, in grado di abilitare nuove soluzioni per lo storage e la conversione energetica in scenari applicativi che spaziano dal recupero di calore di scarto ai sistemi di climatizzazione sostenibile. Un altro aspetto centrale di questo lavoro ha riguardato lo studio e la sperimentazione di materiali compositi per la manifattura additiva tramite Fused Filament Fabrication (FFF). L’introduzione di fibre rinforzanti e filler funzionali all’interno dei filamenti polimerici ha permesso di migliorare sensibilmente le proprietà meccaniche, termiche e funzionali dei manufatti, rendendoli idonei ad applicazioni ingegneristiche avanzate. I risultati hanno mostrato come l’aggiunta di fibre di carbonio, vetro o Kevlar incrementi rigidità e resistenza, mentre l’impiego di filler naturali e sostenibili (come legno, lino, canapa o scarti agroalimentari) apra prospettive interessanti in termini di economia circolare e riduzione dell’impatto ambientale. Questi materiali sono stati applicati in particolare alla realizzazione di strutture sandwich con core a geometria complessa, dove la sinergia tra geometria TPMS e composito rinforzato ha permesso di ottenere pannelli leggeri, resistenti e adattabili a condizioni operative severe. La ricerca si è inoltre estesa all’ambito energetico, con la progettazione e la realizzazione di componenti innovativi per elettrolizzatori PEM (Proton Exchange Membrane Water Electrolysis), dispositivi fondamentali per la produzione di idrogeno verde. In questo contesto è stato sviluppato un sistema di deposizione catalitica basato sulla manifattura additiva, in grado di migliorare l’uniformità degli strati attivi nei Membrane Electrode Assembly (MEA), riducendo gli sprechi di materiale e incrementando la riproducibilità del processo. I risultati preliminari hanno mostrato un miglioramento significativo rispetto ai metodi convenzionali, suggerendo la possibilità di trasferire queste tecniche in scenari produttivi semi-industriali, con un potenziale impatto positivo sulla scalabilità e sull’efficienza dei sistemi per la generazione sostenibile di idrogeno. Un elemento trasversale e strategico del percorso di dottorato è stato rappresentato dall’allestimento del Living Lab for Additive Manufacturing (LIVINGAM), un’infrastruttura sperimentale pensata per la prototipazione rapida, la validazione di processi e materiali e l’integrazione di tecniche di digitalizzazione e reverse engineering. Il laboratorio ha permesso di condurre campagne sperimentali su materiali eterogenei e geometrie complesse, favorendo iter rapidi di progettazione–produzione–validazione e aprendo la strada a collaborazioni interdisciplinari. Grazie alla sua natura flessibile e distribuita, LIVINGAM si configura come un modello operativo replicabile in altri contesti accademici e industriali, in linea con i principi della manifattura distribuita e della sostenibilità dei processi. Accanto a queste attività, un contributo rilevante è stato fornito anche dall’impiego di tecniche di reverse engineering e scansione 3D, utilizzate come strumenti complementari per la digitalizzazione di componenti complessi e per la creazione di gemelli digitali. Tali metodologie, integrate nei flussi di progettazione e prototipazione, hanno permesso di ottimizzare i processi di fabbricazione additiva e di estendere le possibilità applicative del Living Lab, con ricadute significative in contesti industriali quali la cantieristica e la prototipazione funzionale. Nel loro insieme, le attività condotte dimostrano come l’Additive Manufacturing non debba essere inteso unicamente come strumento di prototipazione, ma come piattaforma produttiva matura, capace di abilitare applicazioni innovative attraverso la combinazione di nuove geometrie (TPMS e strutture cellulari), materiali avanzati (compositi per FFF) e processi ottimizzati (scambiatori di calore, energy storage, MEA). La tesi contribuisce quindi a delineare un approccio metodologico integrato, in cui progettazione computazionale, sperimentazione sui materiali e validazione funzionale convergono in una visione unitaria. Le ricadute di questa ricerca interessano diversi ambiti applicativi: dall’aerospazio, dove la leggerezza e l’efficienza strutturale sono vincoli critici, all’automotive, in cui la riduzione del peso e l’ottimizzazione termo-fluidodinamica si traducono in maggiore efficienza energetica; dai sistemi energetici, in cui l’additivo abilita componenti innovativi per scambio termico e accumulo, fino al settore delle tecnologie per l’idrogeno, in cui nuove metodologie di fabbricazione possono accelerare il passaggio a un’economia decarbonizzata. In conclusione, il lavoro di dottorato evidenzia come la manifattura additiva possa costituire un abilitatore chiave per lo sviluppo di soluzioni ingegneristiche avanzate, ponendo le basi per un’adozione sempre più estesa e sistemica di queste tecnologie nella produzione industriale. L’integrazione tra geometria, materiale e processo emerge come il filo conduttore di una ricerca che, pur muovendosi su diversi ambiti applicativi, mantiene come obiettivo comune quello di dimostrare il valore dell’additivo quale tecnologia abilitante per la progettazione e la produzione del futuro.