Out of plane elastic compressive properties of metallic honeycomb structures

Questa ricerca valuta l'influenza di tre fattori geometrici sul modulo di compressione fuori piano di strutture metalliche a nido d'ape, in particolare di alluminio: topologia delle celle, altezza della struttura a nido d'ape e geometria del campione. L'obiettivo è verificare se i valori tipici del modulo forniti dai produttori, spesso considerati costanti, rimangano validi in diverse configurazioni.

Storicamente, i modelli teorici (in particolare quelli di Gibson e Ashby) hanno proposto una formula che collega questo modulo alla densità relativa e al modulo di Young del materiale. Tuttavia, si osservano discrepanze significative tra i moduli teorici e quelli sperimentali, soprattutto per i nidi d'ape a bassa densità. Ciò è spiegato da microdifetti come microperforazioni e microdeformazioni delle pareti, nonché dalla sovrastima dei moduli di Young per materiali molto sottili.

Per indagare questi fenomeni, sono stati condotti test di compressione secondo ASTM C365 e modellazione agli elementi finiti (FEM). I test dimostrano che la topologia delle celle influenza fortemente le prestazioni meccaniche: una geometria modificata con pareti corrugate aumenta significativamente il modulo di compressione (fino a +118% per un aumento di densità di solo il 7,9%) rispetto a una classica struttura esagonale.

Inoltre, anche l'altezza del nido d'ape (un parametro assente dalle formule teoriche) ha un impatto significativo. Prove su altezze di 5 mm, 10 mm, 15,9 mm e 44 mm rivelano che il modulo di compressione aumenta con l'altezza, riducendo anche la zona di deformazione elastica. Per altezze inferiori, l'adesivo utilizzato nelle prove di compressione stabilizzata sembra influenzare i risultati. 

Le simulazioni numeriche riproducono fedelmente questi andamenti sperimentali, evidenziando due regimi elastici: un primo regime teorico seguito da un secondo regime dominato dal micro-buckling. Questo approccio numerico conferma che le prestazioni meccaniche dipendono non solo dal materiale e dalla densità, ma anche dalla geometria delle celle e dall'altezza del materiale del nucleo.

In conclusione, questo studio dimostra che il modulo di compressione fuori piano dei nidi d'ape metallici non è una costante universale. Dipende fortemente dalle caratteristiche geometriche della rete cellulare, il che mette in discussione le generalizzazioni semplificatrici spesso utilizzate. L'integrazione di questi fattori è essenziale per le applicazioni che richiedono un'elevata precisione meccanica, in particolare nel settore aerospaziale.