Topology Optimization Design of Monolithic 3D Printed Compliant Mechanisms for Bio-Inspired Actuation Systems of FWMAVs

The main focus of the present dissertation is to explore the capability of a combined design approach that exploits at once the advantages of FEM analysis, Compliant Mechanisms, Topology Optimization and 3D Printing Technologies. Nowadays the continuous pursuit of lighter and simpler products is widespread in any industrial company aiming to maintain competitivity. At the same time, while part-count reduction of an item is a desirable target, also the complexity of designs tends to be ever-growing.In this context, the implementation of a design process suitable to combine different engineering tools becomes significant, in order to fulfill all the required product specifications and to develop innovative products with increased performances. In particular, this research aims to highlight the critical issues and the potentialities of implementing topology optimized Compliant Mechanisms in the development of monolithic 3D printable structures for the actuation of bio-inspired Flapping Wing Micro Air Vehicles (FWMAVs). Seeking a modern approach to design, the aforementioned engineering design tools were integrated with the effectiveness of solutions offered by nature, exploiting the idea of re-engineering the natural flexibility inherent in biological structures.The opportunity of tailoring the design was taken into account too, in order to provide a potential source of inspiration for a different range of applications.

L'obiettivo principale della presente tesi è esplorare la capacità di un approccio di progettazione combinato che sfrutta contemporaneamente i vantaggi dell'analisi FEM, dei meccanismi flessibili, dell'ottimizzazione topologica e delle tecnologie di stampa 3D. Oggigiorno la continua ricerca di prodotti più leggeri e semplici è diffusa in ogni realtà industriale che mira a mantenere la competitività. Allo stesso tempo, sebbene la riduzione del numero di componenti di un prodotto sia un obiettivo auspicabile, anche la complessità dei design tende a crescere costantemente.In questo contesto, diventa significativa l'implementazione di un processo di progettazione atto a combinare diversi strumenti ingegneristici, al fine di soddisfare tutte le specifiche di prodotto richieste e di sviluppare prodotti innovativi con migliori prestazioni. In particolare, questa ricerca mira a evidenziare le criticità e le potenzialità dell'implementazione di meccanismi flessibili tramite ottimizzazione topologica nello sviluppo di strutture monocomponente stampabili in 3D per l'attuazione di Flapping Wing Micro Air Vehicles (FWMAV) bio-ispirati. Alla ricerca di un approccio moderno alla progettazione, i suddetti strumenti ingegneristici sono stati integrati con l’efficacia delle soluzioni offerte dalla natura, sfruttando l’idea di reingegnerizzare la flessibilità naturale insita nelle strutture biologiche.È stata presa in considerazione anche l'opportunità di personalizzare il design, in modo da fornire una potenziale fonte di ispirazione per una diversa gamma di applicazioni.