ETD

• compliant mechanisms
• parametric optimization
• torque trasmission

This thesis addresses the development and optimization of compliant mechanical joints for torque transmission between non-parallel axes. These joints are monolithic flexible components that transmit loads through controlled elastic deformations. The aim of this research is to identify solutions capable of combining high torsional stiffness, required for effective torque transmission, with adequate bending flexibility, useful for compensating geometric curvatures. The study begins with a theoretical overview of compliant mechanisms, their applications, their advantages over traditional mechanisms, and the main design methods. The functional and geometric requirements of the component were then defined, setting a maximum torque of 55 Nm and a maximum radial envelope of 10 mm. Two innovative design archetypes were then developed and compared: a kirigami tube, characterized by circumferential cuts, and a corrugated joint, based on a bellows-like geometry. The two archetypes were analysed through FEM simulations and parametric optimization, integrating CATIA V5 for CAD modelling, Abaqus for numerical simulations, and Synera for the automation of modelling, simulation, and optimization processes. Different metallic materials were considered to compare their mechanical performance and compatibility with the design specifications. The work also includes an assessment of the static strength, fatigue life, and manufacturing feasibility of the two models. The results make it possible to identify the most promising solutions in terms of the trade-off between mechanical performance, structural strength, and manufacturability, providing a basis for future prototyping and experimental validation activities.

La presente tesi affronta lo sviluppo e l’ottimizzazione di giunti meccanici compliant per la trasmissione di coppia tra assi non paralleli. Questi giunti sono componenti monolitici cedevoli che trasmettono carichi tramite deformazioni elastiche controllate. Lo scopo di questa ricerca è individuare soluzioni capaci di combinare elevata rigidezza torsionale, necessaria per una trasmissione efficace del momento torcente, con adeguata flessibilità flessionale, utile a compensare disallineamenti e curvature. Dopo un inquadramento teorico sui meccanismi compliant, sui relativi contesti di utilizzo, sui vantaggi rispetto ai meccanismi tradizionali e sulle metodologie di progettazione, sono stati definiti i requisiti funzionali e geometrici del componente, considerando una coppia massima di 55 Nm e un ingombro radiale massimo di 10 mm. Sono stati, quindi, sviluppati e confrontati due design innovativi: un tubo kirigami, caratterizzato da intagli circonferenziali, e un giunto corrugato, basato su una geometria a soffietto. I due archetipi sono stati analizzati mediante analisi FEM e ottimizzazione parametrica, integrando CATIA V5 per la modellazione CAD, Abaqus per le simulazioni numeriche e Synera per l’automazione dei processi di modellazione, simulazione e ottimizzazione. Sono stati considerati diversi materiali metallici, al fine di confrontarne le prestazioni meccaniche e la compatibilità con le specifiche progettuali. Il lavoro include, inoltre, una valutazione della resistenza statica, della vita a fatica e della fattibilità produttiva dei due modelli. I risultati consentono di individuare le soluzioni più promettenti in termini di compromesso tra prestazioni meccaniche, resistenza strutturale e producibilità, fornendo una base per future attività di prototipazione e validazione sperimentale.