Hydroforming of lightweight alloys using MagnetoRheological Fluids (MRF)

Nowadays the development of lightweight components is a great challenge in several sectors: in the automotive and aerospace fields, the possibility of replacing conventional metallic materials with lighter alloys helps to reduce energy consumptions. Moreover, in the biomedical field, the use of prostheses made of materials characterized by density, fracture toughness, elastic modulus and compressive yield strength similar to those of the human bone helps to minimize the risk of stress shielding effects. In this scenario, aluminum and magnesium alloys are good candidates for the transport and biomedical sectors, respectively. In fact, aluminum (Al) alloys can provide good mechanical properties combined with a low density, exhibit a good resistance to corrosion, some grades have good resistance to UV light (thus ensuring optimal performance over a long period of time), are suitable for recycling and the combination of their different properties allows these alloys to be shaped through any process of industrial transformation providing complete freedom of design. As for magnesium (Mg) alloys as biodegradable metals in the biomedical sector, interest for these alloys has strongly grown over the last decades mainly because of their biocompatibility, biodegradability, good machinability, high weight-to-strength ratio and mechanical properties similar to those of the human bones. However, the attractiveness of those alloys is partially counterbalanced by the poor formability at room temperature. Furthermore, Mg alloys exhibit a very fast corrosion rate in body fluids due to the release of Hydrogen, which must be taken into account when considering the material for the prostheses manufacturing. Thus, innovative and flexible technological solutions are needed to manufacture complex-shaped components made of the aforementioned materials. Local heat treatments, for example, are used to overcome poor formability, allowing to tailor the distribution of material properties according to the requirements of the forming process. On the other hand, when the degradation rate becomes a key aspect, several studies report that coating Mg alloys with specific materials, such as polymers, can be considered a promising solution to control the corrosion behaviour of the substrate. Those technological solutions must be combined with suitable forming process. Current innovative and flexible forming processes such as Superplastic Forming (SPF), Incremental Forming (IF) and Hydroforming (HF) enable obtaining complex parts with high accuracy. In the recent years, MagnetoRheological Pressure Forming (MRPF) has gained interest because the thickness and the strain distribution on the formed part can be affected by properly changing the properties of the forming medium. In the case of MRPF, the forming medium is a Magnetorheological Fluid (MRF). This kind of fluids is included in the so called “smart materials”: they are based on a suspension of magnetically responsive particles in a liquid carrier, whose rheological behaviour (e.g., its viscosity) can be changed quickly and reversibly if subjected to a magnetic field. Currently, MRFs are widely used in the automotive field for brakes and clutches, in the biomedical field for prostheses and for these applications there are already available constitutive models which are able to describe the field-dependent MRF characteristics (shear stress vs. shear rate). On the contrary, when used for sheet metal forming applications, there are still few studies in the literature about the most effective way to characterise their rheological behavior, which is fundamental for the Finite Element (FE) based design and simulation of the process. In this scenario, the aims of the present thesis are (i) expanding the manufacturing of lightweight complex-shaped components to alternative processes, such as the hydroforming process using MRF; (ii) to put the basis for an effective methodology to characterize the rheological behavior of an MRF for sheet metal forming applications, (iii) to design an experimental MRF-based equipment to characterize MRFs and (iv) to study possible applications of MRFs to manufacturing processes.

Oggigiorno lo sviluppo di componenti leggeri è una grande sfida in diversi settori: nel campo automobilistico e aerospaziale, la possibilità di sostituire i materiali metallici convenzionali con leghe più leggere aiuta a ridurre i consumi energetici. Inoltre, in campo biomedico, l'uso di protesi realizzate con materiali caratterizzati da densità, modulo elastico e snervamento simili a quelli dell'osso umano aiuta a minimizzare il rischio di effetti di stress shielding. In questo scenario, le leghe di alluminio e magnesio sono buoni candidati rispettivamente per il settore dei trasporti e quello biomedico. Infatti, le leghe di alluminio (Al) presentano buone proprietà meccaniche combinate con una bassa densità, mostrano una buona resistenza alla corrosione, alcune leghe hanno una buona resistenza ai raggi UV (garantendo così prestazioni ottimali per un lungo periodo di tempo), sono adatte al riciclo e la combinazione delle loro diverse proprietà permette a queste leghe di essere formate attraverso molti processi produttivi fornendo una completa libertà di progettazione. Per quanto riguarda le leghe di magnesio (Mg) come metalli biodegradabili nel settore biomedico, l'interesse per queste leghe è fortemente cresciuto negli ultimi decenni principalmente a causa della loro biocompatibilità, biodegradabilità, alto rapporto resistenza-peso e proprietà meccaniche simili a quelle delle ossa umane. Tuttavia, l'attrattività di queste leghe è parzialmente controbilanciata dalla scarsa formabilità a temperatura ambiente. Inoltre, le leghe di Mg mostrano un tasso di corrosione molto veloce nei fluidi corporei a causa del rilascio di idrogeno, che deve essere preso in considerazione quando si considera il materiale per la realizzazione delle protesi. Quindi, sono necessarie soluzioni tecnologiche innovative e flessibili per fabbricare componenti di forma complessa con i suddetti materiali. I trattamenti termici localizzati, per esempio, sono utilizzati per ovviare al problema della scarsa formabilità, permettendo di personalizzare la distribuzione delle proprietà del materiale in base ai requisiti del processo di formatura. D'altra parte, quando il tasso di degradazione diventa un aspetto chiave, diversi studi riportano che il rivestimento di leghe di Mg con materiali specifici, come i polimeri, può essere considerato una soluzione promettente per controllare il comportamento di corrosione del substrato. Queste soluzioni tecnologiche devono essere combinate con un adeguato processo di formatura. Gli attuali processi di formatura innovativi e flessibili come la Formatura SuperPlastica (Superplastic Forming, SPF), la formatura incrementale (Incremental Forming, IF) e l'idroformatura (Hydroforming, HF) permettono di ottenere parti complesse con alta precisione. Negli ultimi anni, la formatura per mezzo di fluidi magnetoreologici in pressione (MagnetoRheological Pressure Forming, MRPF) ha preso piede dal momento che lo spessore e la distribuzione delle deformazioni sulla parte formata possono essere influenzati cambiando opportunamente le proprietà del mezzo formante. Nel caso dell’MRPF, il mezzo formante è un fluido magnetoreologico (MRF). Questo tipo di fluidi fa parte dei cosiddetti "materiali intelligenti": sono costituiti da una sospensione di particelle magnetiche in un liquido portante, il cui comportamento reologico (ad esempio, la sua viscosità) può essere modificato rapidamente e reversibilmente se sottoposto a un campo magnetico. Attualmente, gli MRF sono ampiamente utilizzati in campo automobilistico per freni e frizioni, in campo biomedico per protesi e per queste applicazioni sono già disponibili modelli costitutivi che sono in grado di descrivere le caratteristiche MRF dipendenti dal campo (shear stress vs. shear rate). Al contrario, quando vengono utilizzati per applicazioni di formatura della lamiera, ci sono ancora pochi studi in letteratura sul modo più efficace per caratterizzare il loro comportamento reologico, che è fondamentale per la progettazione e la simulazione del processo basata sugli elementi finiti (FE). In questo scenario, gli obiettivi del presente lavoro di tesi sono (i) ampliare la realizzazione di componenti in leghe leggere dalla forma complessa a processi innovativi, come il processo di idroformatura utilizzando MRF; (ii) porre le basi per una metodologia efficace per caratterizzare il comportamento reologico di un MRF per applicazioni di formatura della lamiera, (iii) progettare un'attrezzatura sperimentale basata su MRF per caratterizzare tali fluidi e (iv) studiare possibili applicazioni degli MRF ai processi produttivi.