Development of an FFF 3D-printed forearm component for an industrial upper-limb exoskeleton

The growing adoption of industrial exoskeletons in manufacturing environments has highlighted the need for lightweight, customizable and cost-effective wearable structures able to reduce the physical workload of operators engaged in repetitive or strenuous tasks. In this context, additive manufacturing offers a unique opportunity to produce complex geometries in a simple and cost-effective way, particularly for small production volumes, where conventional manufacturing techniques become economically inefficient. This thesis addresses the design and additive manufacturing of a structural element for an industrial upper-limb exoskeleton. The system is intended to assist operators required to manually handle heavy loads, an activity that significantly increases the risk of musculoskeletal disorders. The work focuses on the forearm element of the exoskeleton and proposes a complete methodology spanning material selection, mechanical characterization, structural verification, topology optimization and production by Fused Filament Fabrication (FFF). A multi-criteria material selection procedure was first applied to a representative set of commercial filaments, evaluating mechanical performance, lightness, processability and economic feasibility. An analytical multi-scale model was then developed to estimate the elastic and strength properties of the selected material, starting from its constituents and from the printing configuration. The forearm component was then sized on the basis of anthropometric data and verified through a finite element analysis to assess the safety factor of the design. Once the structural feasibility of the initial geometry was established, a topology optimization was performed in order to reduce the component mass while preserving its mechanical integrity. Finally, the influence of the main FFF process parameters on the dimensional and mechanical quality of the printed part was investigated through a series of dedicated tests, allowing the identification of an optimized printing configuration that was then used to produce the final prototype, ready for subsequent experimental validation and testing.

La crescente adozione di esoscheletri industriali negli ambienti produttivi ha evidenziato la necessità di strutture indossabili leggere, personalizzabili ed economicamente vantaggiose, in grado di ridurre il carico di lavoro fisico degli operatori impegnati in attività ripetitive o gravose. In questo contesto, la manifattura additiva offre un’opportunità unica per produrre geometrie complesse in modo semplice ed economicamente conveniente, in particolare per piccoli volumi di produzione, nei quali le tecniche di produzione convenzionali diventano economicamente inefficienti. Questa tesi affronta la progettazione e la manifattura additiva di un elemento strutturale per un esoscheletro industriale per l’arto superiore. Il sistema è destinato ad assistere operatori tenuti alla movimentazione manuale di carichi pesanti, un’attività che aumenta significativamente il rischio di disturbi muscoloscheletrici. Il lavoro si concentra sull’elemento dell’avambraccio dell’esoscheletro e propone una metodologia completa che comprende la selezione del materiale, la caratterizzazione meccanica, la verifica strutturale, l’ottimizzazione topologica e la produzione mediante Fused Filament Fabrication (FFF). Una procedura di selezione del materiale multi-criterio è stata inizialmente applicata a un insieme rappresentativo di filamenti commerciali, valutando prestazioni meccaniche, leggerezza, processabilità e fattibilità economica. È stato successivamente sviluppato un modello analitico multi-scala per stimare le proprietà elastiche e di resistenza del materiale selezionato, partendo dai suoi costituenti e dalla configurazione di stampa. Il componente dell’avambraccio è stato quindi dimensionato sulla base di dati antropometrici e verificato mediante un’analisi agli elementi finiti valutandone il fattore di sicurezza. Una volta stabilita la fattibilità strutturale della geometria iniziale, è stata eseguita un’ottimizzazione topologica al fine di ridurre la massa del componente preservandone l’integrità meccanica. Infine, è stata investigata l’influenza dei principali parametri di processo FFF sulla qualità dimensionale e meccanica del pezzo stampato attraverso una serie di test dedicati, consentendo l’identificazione di una configurazione di stampa ottimizzata che è stata successivamente utilizzata per produrre il prototipo finale, pronto per successive validazioni sperimentali e prove.