Analisi e ottimizzazione del processo di stampa 3D per lo sviluppo di componenti di scarponi da sci in TPU

This thesis is part of the regional project SAFE (Smart creAtivity for saFety and rEstart) and is aimed at identifying an appropriate combination of technologies and materials for 3D printing process for the development of polymeric components of ski boots that have the same performance of the components made through traditional technologies. Primarily there was a bibliographic research for the evaluation of the characteristics of the main commercial materials used in the production of ski boot cuffs. Three classes of polymeric materials have been identified: polypropylene (PP), polyamide 12 (PA12) and thermoplastic polyurethane (TPU). These materials are suitable for production with traditional technologies and can be prototyped with FDM (Fused Deposition Modeling) additive technology. Mechanical properties of these materials have been increased through the development of compounds with different types of additives in different percentages and for each material the most suitable additive and the best performing percentage have been selected. At the same time, 3D printing and mechanical tests of the pure materials were carried out. Flexural and impact resistance tests were made at different temperatures, in order to evaluate the effect of printing parameters on product performance. The study was then directed towards the TPU, chosen for its best printability. Then an optimization of the most relevant parameters of the 3D printing process was carried out using a statistical approach based on the Design of Experiment (DoE) method. The samples were mechanically characterized, while thermal and rheological characterizations were performed to verify possible variations of a physical-structural nature in the printed polymers. In conclusion, this research has identified which materials, among those suitable for the realization of cuffs for ski boots, show greater potential in terms of processability and performance in the context of additive manufacturing, in order to allow the transition from traditional printing to innovative methods, respecting the required stiffness and strength objectives for final application.

Il seguente lavoro di tesi fa parte del progetto regionale SAFE (Smart creAtivity for saFety and rEstart) e si pone l’obiettivo di identificare un’opportuna combinazione di tecnologie e materiali per la stampa 3D orientato allo sviluppo di componenti polimerici di scarponi da sci effettivamente mimetici le prestazioni degli stessi componenti realizzati attraverso tecnologie tradizionali. Punto di partenza dello studio è stata una ricerca bibliografica per la valutazione delle caratteristiche dei principali materiali commerciali utilizzati nella produzione di gambetti per scarponi da sci. Sono state identificate tre classi di materiali polimerici, nello specifico polipropilene (PP), poliammide 12 (PA12) e poliuretano termoplastico (TPU), adatti alla produzione con tecnologie tradizionali, nonché prototipabili con tecnologia additiva FDM (Fused Deposition Modeling). Le proprietà meccaniche di tali materiali sono state inoltre incrementate mediante lo sviluppo di compounds con diversi tipi di additivi in diverse percentuali e per ogni materiale è stato selezionato il corrispondente additivo più idoneo e la percentuale più performante. Parallelamente sono state effettuate prove di stampa 3D dei tre materiali non additivati e prove meccaniche sui campioni realizzati, ovvero test di flessione e di resistenza all’urto a diverse temperature, al fine di valutare l’effetto dei parametri di stampa sulle performance del prodotto. Lo studio è stato poi indirizzato verso l’approfondimento del solo TPU, scelto per la sua miglior stampabilità e sul quale è stata effettuata un’ottimizzazione dei parametri più rilevanti sul processo di stampa 3D attraverso un approccio statistico basato sul metodo Design of Experiment (DoE). I campioni prodotti sono stati caratterizzati a livello meccanico, mentre caratterizzazioni termiche e reologiche hanno permesso di verificare eventuali variazioni di natura fisico-strutturale nei polimeri stampati. In conclusione questa ricerca ha individuato quali materiali tra quelli idonei alla realizzazione di gambetti per scarponi da sci, mostrino maggiori potenzialità a livello di processabilità e prestazioni funzionali nel contesto della produzione additiva, al fine di permettere il passaggio da tecnologie di stampa tradizionali a metodi innovativi, rispettando gli obiettivi di rigidezza e resistenza richiesti per l’applicazione finale.