Out of plane elastic compressive properties of metallic honeycomb structures

Questo lavoro di ricerca valuta l'influenza di tre fattori geometrici sul modulo di compressione off-plan delle strutture del nido di api metalliche, in particolare in alluminio: topologia cellulare, altezza della struttura alveolare e geometria del campione. L'obiettivo è verificare se i valori dei moduli tipici forniti dai produttori, spesso dovrebbero essere costanti, rimangono validi in diverse configurazioni.

Storicamente, i modelli teorici (in particolare da Gibson & Ashby) offrono una formula che collega questo modulo alla densità relativa e al giovane modulo del materiale. Tuttavia, si osservano differenze significative tra moduli teorici e sperimentali, in particolare per i nidi di api a bassa densità. Ciò è spiegato da micro-defetti come micro-perforazioni e micro-flashes delle pareti, nonché dalla sopravvalutazione di giovani moduli per materiali molto fini.

Per studiare questi fenomeni, sono stati eseguiti test di compressione secondo lo standard ASTM C365, nonché modelli di elementi finiti (FEM). I test mostrano che la topologia cellulare influenza fortemente le prestazioni meccaniche: una geometria modificata con pareti ondulate aumenta significativamente il modulo di compressione (fino al 118% per un aumento della massa del volume solo del 7,9%) rispetto a una struttura esagonale convenzionale.

Inoltre, anche l'altezza del nido d'ape (parametro assente delle formule teoriche) ha un impatto notevole. Test su altezze di 5 mm, 10 mm, 15,9 mm e 44 mm rivelano che il modulo di compressione cresce con l'aumento di altezza, riducendo anche l'area di deformazione elastica. Per le basse altezze, l'adesivo utilizzato nei test di compressione stabilizzati sembra influenzare i risultati. 

Le simulazioni digitali riproducono bene queste tendenze sperimentali, evidenziando due regimi elastici: un primo regime teorico seguito da una seconda dieta dominata da micro-flashes. Questo approccio digitale conferma che le prestazioni meccaniche non dipendono solo dal materiale e dalla densità, ma anche dalla geometria delle cellule e dall'altezza del materiale dell'anima.

In conclusione, questo studio dimostra che il modulo di compressione off-plan dei nidi metallici non è una costante universale. Dipende fortemente dalle caratteristiche geometriche della rete cellulare, che mette in discussione le generalizzazioni di semplificazione spesso utilizzate. L'integrazione di questi fattori è essenziale per le applicazioni che richiedono un'elevata precisione meccanica, in particolare nell'aeronautica e nello spazio.