Questo seminario fa parte di una serie di eventi che abbiamo battezzato “Chiedi all’esperto” nella quale invitiamo i nostri clienti utilizzatori della tecnologia che proponiamo per l’analisi strutturale e la progettazione delle parti in composito. Oggi i nostri ospiti sono Stefano Tomassi e Giacomo Lussiana del team Policumbent che ci spiegheranno l’utilizzo del software Laminate Tools nella progettazione, soprattutto nella fase di realizzazione e fabbricazione di un veicolo: una bicicletta estrema in materiali compositi.

Laminate Tools è uno strumento che permette di guidare il processo di progettazione, verifica strutturale agli elementi finiti e produzione dei compositi laminati, per cui posso ad esempio simulare il drappeggio delle pelli su matematica dello stampo o sulla mesh agli elementi finiti del componente strutturale, tenendo conto di fenomeni come l’orientamento delle fibre, evidenziando problemi di drappeggio, quindi formazione di grinze e stramature.
 

Mi permette di gestire in maniera molto rapida la costruzione di un modello gli elementi finiti di una struttura laminata, mi permette di esportare i dati di produzione come lo sviluppo in piano delle pelli e la costruzione del PlyBook, il documento da fornire poi al laminatore per la realizzazione del componente. Altra cosa che permette di fare Laminate Tools, è la gestione dei risultati del modello gli elementi finiti, quindi ho la possibilità di vedere in maniera molto intuitiva il risultato del modello FEM andando a vedere gli stress pelle per pelle, in maniera molto più completa e parlante rispetto a quello che permettono i software di post-processing tradizionali e generali per i modelli FEM e soprattutto permette di esportare le istruzioni di laminazione, il PlyBook e la geometria 2D delle pelli sviluppate, pronte per il nesting e per il taglio.
 

Altro strumento che proponiamo, sempre sviluppato da Anaglyph, il sistema Plymatch.
Plymatch è un kit hardware e software basato sul Laminate Tools, di fatto è un sistema di realtà aumentata che fornisce al laminatore le istruzioni per posizionare la pelle sullo stampo vedendo direttamente a monitor una sovrapposizione tra la geometria reale 3D dello stampo e la geometria virtuale dello stampo con la pelle virtuale calcolata dal Laminate Tools.

Le tecnologie che proponiamo per i materiali compositi ci hanno permesso, già da diversi anni, di avvicinarci al mondo delle competizioni studentesche, sponsorizzando vari Team italiani di Formula SAE.
Quest’anno, 2022, avevamo una decina di Team, che hanno utilizzato Laminate Tools nello sviluppo della loro vettura.
Collaboriamo con Team che gareggiano nelle competizioni con motore a combustione, piuttosto che nella categoria elettrica, piuttosto che nelle categorie driverless.
All’interno di questo contesto è nata anche la collaborazione con Policumbent, un team che non si occupa di monoposto da corsa, ma di veicoli appunto a propulsione umana, biciclette estreme.

Stefano Tomassi e Giacomo Lussiana ci raccontano in cosa consiste la World Human Powered Speed Challenge

Dal 2009 progettiamo quelli che sono i veicoli a propulsione umana più efficienti del pianeta e dal 2015 prendiamo ogni anno parte alla World Human Powered Speed Challenge che si svolge a Battle Mountain, in Nevada, negli Stati Uniti, dove Team provenienti da tutte le parti del mondo prendono parte a questa competizione che dura una settimana in cui si tenta di raggiungere quelli che sono i vari record di propulsione umana.
 

Nel nostro caso con le nostre due bici più convenzionali fino al 2019, TaurusX per il tentativo di record femminile quasi raggiunto da Vittoria Spada nel 2019 e poi con Phoenix guidata dal nostro ormai ex Rider Andrea Gallo per la categoria maschile.
Da quest’anno, dal 2022, abbiamo pensato anche di provare quello che è un nuovo record con una bici handbike.
 

Il progetto è nato a partire dal 2020, grazie all’interesse di alcuni atleti paralimpici ed il nostro ex professore referente (che è ancora nel giro del team). Così è nato Cerberus il primo trike reclinato e carenato del team Policumbent. Come atleta abbiamo scelto un atleta di alto profilo come Diego Colombari, medaglia d’oro alle Paraolimpiadi di Tokyo dell’anno scorso.
 

La competizione a cui prendiamo parte, dura 7 giorni, in cui i team possono girare con ciascun prototipo due volte al giorno, la cosiddetta Run mattutina e la Run serale. Ovviamente c’è anche una strategia dietro alle Run, poiché dobbiamo scegliere, grazie al nostro reparto di analisi dati che analizzano i dati forniti dal meteo, in quale Run gareggiare e quanto far spingere il pilota, perché ovviamente è una gara che dura 7 giorni, bisogna anche gestire le energie.
Nel lungo rettilineo di Battle Mountain, 5 miglia che corrispondono più o meno 8 km, in cui è posizionata una fototrappola di 200 metri in cui viene registrata la velocità media, quella è la velocità effettiva di gara.
 

Quest’anno abbiamo ottenuto il primo posto nella classifica generale, quindi siamo soddisfatti, abbiamo raggiunto velocità abbastanza soddisfacenti.
Phoenix ha raggiunto quasi 131 km orari TaurusX 119 km/h e Cerberus 67 km/h, quindi c’è ancora molto margine di miglioramento.
Ovviamente le nostre bici, i nostri prototipi, sono interamente sviluppati, progettati e prodotti da noi.

I membri del Team ci raccontato perché si sono affidati a Laminate Tools per la produzione di Cerberus.

Cerberus è una bici estremamente complessa nelle geometrie e nelle caratteristiche anche della trasmissione degli sforzi al telaio. Abbiamo una trasmissione a sbalzo che scarica interamente il peso sul telaio a partire da quell’elemento trapezoidale (brontolina), quindi la produzione era una parte essenziale della progettazione della bici.
 
Dopo aver sviluppato a CAD quello che erano i nostri componenti abbiamo generato i Ply dei componenti del telaio e non solo, delle parti in carbonio, grazie appunto a Laminate Tools potevano essere visualizzati ogni singolo Ply, il drappeggio di ogni singolo Ply e del layup generale, quindi del laminato.
Abbiamo avuto la possibilità anche di estrarre in formato .dxf che è l’estensione di file necessaria per mandare al plotter i Ply e ottimizzare i rotoli di carbonio.
 
Abbiamo poi inoltre esportato i PlyBook in formato HTML, poiché appunto la produzione veniva fatta sempre da noi ragazzi quindi era necessaria una guida su come disporre i Ply, le orientazioni e tutte le varie cose che riguardano la laminazione e poi appunto i Ply vengono tagliati grazie al plotter.

Telaio e carena aerodinamica
Il telaio è la parte fondamentale della bici. Con Laminate Tools è stato creato tutto il layup delle fibre di carbonio che costituiscono il telaio. Successivamente anche la carena aerodinamica che va a interfacciarsi con l’ambiente esterno e quindi aveva delle forme appositamente studiate per fendere l’aria, quindi doveva essere anch’essa realizzata al meglio e incastrarsi soprattutto con il telaio. Questo non è affatto un lavoro semplice perché i due CAD, gli stampi e poi anche i pezzi definiti devono corrispondere nella giunzione. Quindi era necessaria un’estrema precisione in questi pezzi.
 
Lo scivolo, brontolina e il copriruota
Questi pezzi sono di maggiore interesse per la loro importanza nella bici, ma anche per le loro complicazioni costruttive e progettuali.
Assieme, brontolina e lo scivolo, sostengono il movimento centrale, quindi con il pacco pignone traslante e anche il sistema di sterzata, in particolare lo scivolo. Inoltre è presente un foro su brontolina che permette il rimando della catena alla ruota posteriore per la trazione.
 
Brontolina è un pezzo molto complicato perché presenta molti angoli, molto acuti, è stato particolarmente complicato anche perché ha un ruolo di fondamentale importanza ovvero lei è l’interfaccia tra lo scivolo e il telaio, quindi si occupa di scaricare tutte le forze anche del pacco pignoni al telaio e quindi poi attraverso le ruote a terra. Quindi era particolarmente scorbutico, essendo un pezzo molto complicato e inesistente in altre applicazioni abbiamo deciso di chiamarlo così per il suo carattere.
 
I copriruota sono parte integrante del telaio, ci tengo a sottolineare che il telaio è un monoscocca, quindi anche i copriruota non sono stati successivamente inseriti nel telaio, ma sono una parte unica un tutt’uno col telaio. Quindi anche a livello di laminazione presentavano non poche criticità sia per le loro forme sia per questa cosa qua che erano parte integrante del telaio
 
Come abbiamo fatto per realizzare questi componenti?
Anzitutto dal CAD abbiamo estratto le superfici e abbiamo creato i vari materiali a livello di software e poi abbiamo disposto i Ply e fatto infine il layup.
Abbiamo creato le superfici selezionandole, definendo un vettore normale e uno di applicazione, seguendo anche delle necessità costruttive del pezzo, perché brontolina è il primo componente che si interfaccia con il rider quindi è soggetto a tutta la forza che esso spigiona durante la pedalata e deve quindi essere robusto e non rompersi, ma allo stesso tempo visto che creiamo comunque biciclette performanti, deve essere anche leggero, per questo ci siamo affidati al carbonio e anche, aggiungerei, per la sua complessità. Ha delle forme un po’ complicate quindi il carbonio era l’unico materiale che poteva prestarsi a questo utilizzo.
 
Abbiamo definito il Ply, poi abbiamo orientato le fibre a 0 pure a 45 gradi, infine tutti i Ply venivano organizzati in un layup dove erano numerati e quindi disposti progressivamente secondo la loro orientazione. Layer dopo layer se è si è creato questo layup, poi esportato in formato HTML, che permette al laminatore di depositare questi Ply sul sullo stampo e creare il pezzo finito. Assieme a questo abbiamo estratto anche i .dxf, ovvero lo sviluppo in due dimensioni delle superfici dei Ply, perché i .dxf venivano mandati al plotter, quindi anche il taglio era estremamente preciso e corrispondente a quello che era il disegno da CAD.
 
Abbiamo fatto particolare attenzione alla sovrapposizione dei layer per non creare grinze poi in fase di laminazione.
Laminate Tools, ci ha permesso di tenere sempre sott’occhio quelli che erano gli spessori nelle zone più critiche. Infine è stato fatto un PlyBook con il .dxf della pelle di carbonio e due immagini che rappresentavano l’applicazione, in questo modo il laminatore seguiva questo file e poteva appunto laminare al meglio.

I benefici di Laminate Tools per chi progetta e realizza componenti in materiale composito sono:
Riuscire a prevedere e a eliminare i problemi che potrebbero nascere in fase laminazione, grazie alla tecnologia del drappeggio Laminate Tools aiuta a individuare sul modello digitale del laminato eventuali problemi di stramatura o di grinze sul tessuto. Quindi introducendo dei tagli o modificando la forma delle pelli il progettista può decidere una diversa strategia di laminazione per evitare poi di incorrere in problemi nella fase di realizzazione.
 
Un altro beneficio molto importante che è quello del pre e post processing dei modelli degli elementi finiti. Laminate Tools può interfacciarsi praticamente con qualsiasi solutore agli elementi finiti commerciale e permette di gestire in maniera molto semplice le schede del laminato utilizzando appunto la filosofia di ragionare per pelli invece che per zone tipica dei modelli FEM.
In fase di post-processing dispone di funzioni avanzate che aiutano a comprendere in maniera più approfondita rispetto a quello che si può ottenere con i software FEM tradizionali come andare a irrobustire o alleggerire la laminazione sulla base dei risultati strutturali.
 
Un altro beneficio di Laminate Tools per le aziende di produzione, quindi che realizzano e lavorano la fibra di carbonio, è la generazione dei dati necessari per fabbricare il composito, l’esportazione degli sviluppi in piano delle pelli, il 2D, in formato .iges o .dxf da utilizzare per il nesting e il taglio e la pubblicazione del PlyBook in formato HTML oppure World che contiene le istruzioni per la laminazione.
 
Queste due operazioni senza uno strumento come Laminate Tools richiedono numerose iterazioni sullo stampo per la realizzazione delle dime con spreco di materiale e spesso e volentieri con informazioni approssimative da usare poi in produzione. Tutto questo si traduce in un contemporaneo aumento della qualità e della ripetibilità del manufatto e con parallelamente una riduzione dei tempi di messa a punto della laminazione e dei costi di produzione.

Spiegateci un po’ come, nasce da un punto di vista di produzione, il vostro progetto.

Innanzitutto dobbiamo dire che noi non abbiamo prodotto la nostra bici in sede universitaria bensì ci siamo appoggiati ad un’azienda specializzata in produzione di compositi. L’azienda ci ha fornito tutti gli strumenti necessari per affrontare il processo di laminazione, quindi il plotter, il nesting e anche l’autoclave.
 
Noi abbiamo utilizzato l’autoclave con una cottura a 6 bar della prima parte del telaio in carbonio poi con il core e la seconda parte del laminato a 2 bar perché il core in PVC altrimenti sarebbe collassato a pressioni maggiori e tutto una temperatura di 120 gradi a mantenimento per due ore.
Quindi comunque processi complessi che richiedono macchinari avanzati.
 
Poi per quanto riguarda invece i materiali, i materiali sono stati sia acquistati dal Team Policumbent, con i soldi concessi dal Politecnico per le attività del team, che acquistati dall’azienda che ci ha supportato nella produzione.
I nostri prototipi sono stati interamente laminati da noi, però gli operai che si trovano in azienda ci davano molto spesso consigli utili, perché comunque sono dei professionisti e noi ragazzi abbiamo anche bisogno di essere indirizzati da questo punto di vista ecco.
 
Quanto pesano complessivamente le biciclette?
Cerberus, con la meccanica, quindi compreso tutto il pacco, il sistema trasmissione, il sistema sterzo, le ruote, tutta l’elettronica arriva a pesare 38 kg. 38 kg che per una bici lunga 2 metri e 30 che presenta molti strati di carbonio, PVC, Hergal anche nella parte del copriruota, comunque è un peso veramente notevole.
 
Avete usato soltanto Ply di carbonio oppure anche dei riempitivi con materiali intermedi come schiume poliuretaniche?

Nel telaio in particolare c’è un core in PVC a formare una struttura sandwich per irrobustirlo. Anche nella zona dei copriruota ad esempio c’è un core in PVC e invece per quanto riguarda brontolina ci sono delle piastre in Hergal all’interno, però non sono colaminate sono semplicemente incollate al pezzo.
 
Come avete verificato strutturalmente il veicolo visto che viaggia a 140 km/h e a bordo c’è una persona?

Allora le analisi FEM sono state sviluppate, non con questo programma, semplicemente perché per una questione di tempo erano state già sviluppate prima e quindi Laminate Tools l’abbiamo utilizzato esclusivamente per la produzione, però sì le analisi sono state condotte con particolare attenzione a tutti i dettagli. Cerberus è progettata per andare a una velocità inferiore, circa 80 km/h, però comunque è una bici di grosse dimensioni, quindi l’analisi è stata fatta inserendo tutti i vincoli derivanti dalle tre ruote e poi dalle giunzioni delle parti incollate e inserendo anche le forze derivanti dal peso del ciclista, della bici e poi le coppie che sviluppa Diego appunto nel nella pedalata.
 
Quali sono i vostri programmi e per il futuro?

Allora per quanto riguarda il 2023 torneremo in Nevada con Phoenix e Cerberus sperando questa volta di raggiungere record del mondo che si assesta per Phoenix sui 144 km/h e per Cerberus sugli 87 km/h.
Purtroppo Cerberus per via del fatto che abbiamo avuto una prototipazione, progettazione e produzione estremamente veloce, in un anno siamo passati da non avere un CAD a produrla e portarla in Nevada, sono insorti dei problemi meccanici che normalmente insorgono in nella fase di testing.
Quindi quest’anno abbiamo un anno per mettere a puntino tutte le cose tutti i tasselli mancanti e portare Cerberus, dare a Diego la possibilità di raggiungere quel record del mondo che un po’ ci è rimasto sullo stomaco non averlo raggiunto ecco.