Rilevamento e modellazione tridimensionale per oggetti di piccole dimensioni

Oggigiorno  le  richieste  di  rilievi  tridimensionali  e  di  rappresentazioni  3D  ad  alta  qualità  i  sono  sempre  più  frequenti,  e  coinvolgono  un  numero  sempre  maggiore  di  discipline  e  ambiti  applicativi,  quali  quello  industriale,  medico,  archeologico,  forense,  museale, ecc., con ulteriori prospettive di allargamento per quanto riguarda la natura ed  il numero delle realizzazioni.  Il  lavoro  di  ricerca  svolto,  di  natura  prevalentemente  applicata,  vuole  andare  ad  investigare un settore, quello degli oggetti di medie, medio-piccole e soprattutto piccole  dimensioni, che, a parere dell’autore, non è stato ancora investigato a fondo;di questo  d’altra  parte  dà  riscontro  il  numero  relativamente  limitato  di  lavori  presenti  in  letteratura su questo tema.  Sebbene la metodologia di lavoro non sia concettualmente diversa da quella che si  adotta comunemente in ambito close range, le problematiche che sono state incontrate  nel corso dei diversi casi di studio analizzati nel periodo di dottorato hanno evidenziato  la  necessità  di  soluzioni  tecniche  e  metodologiche  specifiche,  anche  in  funzione  dei  requisiti di precisione che competono ad oggetti di piccole dimensioni.  Nel corso degli anni, si è visto  un allargamento della base di utenti che trovano nel  prodotto  3D  un  importante  strumento  di  lavoro;  si  pensi  alla  cinematografia,  alla  computer grafica, alle simulazioni virtuali a partire da modelli 3D realistici, ecc. Questo  trend sembra, al giorno d’oggi, non trovare ancora una battuta d’arresto. Considerando il  settore  dei  Beni  Culturali,  per  esempio,  si  tratta  di  un  campo  di  applicazione  delle  tecniche  geomatiche  abbastanza  ristretto  e  sostanzialmente  nuovo,  in  quanto  le  problematiche di documentazione e visualizzazione di beni mobili ed immobili sono in  genere indirizzate prevalentemente ad oggetti a scala di edificio, porzione di edificio o  elementi  quali  bassorilievi  e  statue,  comunque  con  un  ordine  di  grandezza  che  va  da  qualche  metro  alla  decina  di  metri.  Qualora,  come  detto  in  precedenza,  si  volesse  aumentare  ulteriormente  la  scala  di  indagine  e  di  rappresentazione,  devono  essere  adottate  delle  tecniche  di  rilievo  che  possano  fornire  un'adeguata  precisione,  con  strumenti e tecnologie che possano adattarsi alle diverse configurazioni e caratteristiche  geometriche. Nella  tesi  viene  dunque  affrontata  la  problematica  del  rilievo  e  della  modellazione  tridimensionale,  con  alto  livello  di  dettaglio,  di  oggetti  di  dimensioni  che  variano  da  qualche decina a pochi centimetri; una situazione di questo tipo può aversi in svariati  ambiti,  che  vanno  da  quello  industriale  e  del  design  a  quello  biologico  e  medico,  dall’archeologia ed alla musealizzazione virtuale alle indagini forensi, ecc.  Concentrando  l’analisi  al  campo  dei  Beni  Culturali,  oggi  oggetto  di  importanti  ricerche  applicative  che  trovano  impulso  anche  dallo  sviluppo  delle  nuove  tecnologie,  sono molto numerose e varie le occasioni in cui operare con oggetti di altissimo valore e  dimensioni molto ridotte: un esempio immediato è quello fornito dal rilievo di reperti  archeologici,  ma  nell’ambito  del  restauro,  dell’analisi  dei  materiali,  delle  indagini  non  distruttive, le potenzialità sono di grandissimo interesse..   Comunemente,  fino  a  poco  tempo  fa,  e  soprattutto  in  ambito  museale,  la  documentazione  geometrica  di  un  bene  culturale  mobile  di  piccole  dimensioni  si  è  limitata  ad  una  rappresentazione  fotografica,  riportante  magari  elementi  metrici  minimali,  come  un  righello  posto  di fianco  all’oggetto,  in  grado  di  fornire  una  scala  di  lettura.  Ciò  che  si  è  in  genere  tenuto  in  scarsa  considerazione,  ma  in  grado  invece    di  dare  al  contenuto  informativo  quel  qualcosa  in  più  rispetto  alla  semplice  fotografia,  è  l’adozione  di  metodologie  per  un  rilievo  rigoroso  e  metrico,  metodologie  che  possono  essere di grandissimo interesse non solo a fini di studio e divulgazione dell’oggetto (si  pensi alla problematica della virtualizzazione della fruizione di beni museali) ma anche  per  scopi  diversi  quali  la  duplicazione  e  riproduzione  di  copie  dell’oggetto  (a  scala  identica  al  vero  o  a  scala  diversa).  Di  frequente  infatti  ci  si  trova  di  fronte  a  problematiche  legate  alla  salvaguardia  e  conservazione  dell’oggetto,  in  termini  di  accesso  e  visione  da  parte  del  pubblico,  di  mantenimento  in  particolari  condizioni  microclimatiche, di difficoltà di manipolazione a fini di studio e misura, ecc.   Nella  tesi  sono  state  prese  in  considerazione  le  due  tecniche  geomatiche  che  si  prestano  a  soddisfare  nel  miglior  modo  possibile  i  requisiti  di  correttezza  metrica  e  radiometrica che un rilievo ad elevata precisione richiede. Tali tecniche, rappresentate  dalla fotogrammetria digitale con ottiche Macro e dal laser a scansione, in particolare del  tipo a triangolazione, sono state sperimentate sul campo , in modo da poter valutarne le  potenzialità,  non  solo  alla  luce  dei  risultati  finali  ottenuti,  ma  anche  considerando  i  problemi al contorno che esse comportano.   Nel  corso  di  numerose  sperimentazioni  in  laboratorio  e  sul  campo  sono  stati  analizzati problemi quali la calibrazione di obiettivi macro e la realizzazione di reticoli   speciali atti allo scopo, la qualità dei DSM di origine laser e fotogrammetrica, l’estrazione  di  caratteristiche  morfologiche di  microrilievo,  le  conseguenze  della  compressione  dei  dati  immagine,  la  calibrazione  radiometrica  ed  il  filtraggio  delle  immagini  digitali,  l’allineamento di nuvole di punti con algoritmi ICP. 

Studio e ottimizzazione del processo di fabbricazione additiva (SLM) per applicazioni in ambito biomedicale: produzione di protesi e strutture reticolari

Il progetto di dottorato che verrà presentato in questa tesi è focalizzato sullo sviluppo di un metodo sperimentale per la produzione di protesi personalizzate utilizzando il processo di fabbricazione additiva di Selective Laser Melting (SLM). L’obiettivo è quello di definire una condizione di processo ottimizzata per applicazioni in ambito chirurgico che possa essere generalizzabile, ovvero che ne garantisca la riproducibilità al variare dell’anatomia del paziente e che rappresenti la base per estendere il metodo ad altre componenti protesiche. Il lavoro si è sviluppato lungo due linee principali, la cui convergenza ha permesso di realizzare prototipi di protesi complete utilizzando un solo processo: da una parte la produzione di componenti a massima densità per il raggiungimento di elevate resistenze meccaniche, buona resistenza ad usura e corrosione e controllo di tensioni residue e deformazione delle parti stampate. Dall’altra si sono studiate strutture reticolari a geometria e porosità controllata per favorire l’osteointegrazione della componente protesica post impianto. In questo studio sono stati messe a confronto le possibili combinazioni tra parametri di processo e sono state individuate le correlazioni con le proprietà finali dei componenti stampati. Partendo da queste relazioni si sono sviluppate le strategie tecnologiche per la progettazione e la produzione dei componenti. I test sperimentali svolti e i risultati ottenuti hanno dimostrato la fattibilità dell’utilizzo del processo SLM per la produzione di protesi personalizzate e sono stati fabbricati i primi prototipi funzionali. La fabbricazione di protesi personalizzate richiede, però, anche la progettazione e la produzione di strumentario chirurgico ad hoc. Per questo motivo, parallelamente allo studio della lega di Cromo Cobalto, sono stati eseguiti i test anche su campioni in INOX 316L. Anche in questo caso è stato possibile individuare una finestra operativa di processo che garantisse proprietà meccaniche comparabili, e in alcuni casi superiori, a quelle ottenute con processi convenzionali.

Progettazione, modellazione e integrazione di risorse rinnovabili per promuovere lo sfruttamento dell'energia da moto ondoso e la Blue Growth.

L’energia da onda potrebbe assumere un ruolo fondamentale per la transizione energetica durante i prossimi decenni, grazie alla sua continuità nel tempo molto superiore rispetto ad altre risorse rinnovabili e alla sua vasta distribuzione nello spazio. Tuttavia, l’energia da onda è ancora lontana dall’essere economicamente sostenibile, a causa di diverse problematiche tecnologiche e alle difficoltà finanziarie associate. In questa ricerca, si è innanzitutto affrontata una delle maggiori sfide tecniche, nello specifico la progettazione e modellazione di sistemi di ancoraggio per i dispositivi galleggianti, proponendo possibili soluzioni per la modellazione numerica di sistemi di ancoraggio complessi e per l’ottimizzazione dei dispositivi stessi. Successivamente sono state analizzate le possibili sinergie strategiche di installazioni per lo sfruttamento della energia da onda con altre risorse rinnovabili e la loro applicazione nel contesto di aree marine multiuso. In particolare, una metodologia per la valutazione della combinazione ottimale delle risorse rinnovabili è stata sviluppata e verificata in due diversi casi studio: un’isola e una piattaforma offshore. Si è così potuto evidenziare l’importante contributo della risorsa ondosa per la continuità energetica e per la riduzione della necessità di accumulo. Inoltre, è stato concepito un metodo di supporto decisionale multicriteriale per la valutazione delle opzioni di riuso delle piattaforme offshore alla fine della loro vita operativa, come alternativa al decommissionamento, nell’ottica di una gestione sostenibile e della ottimizzazione dell’uso dello spazio marino. Sulla base dei criteri selezionati, l’inclusione di attività innovative come la produzione di energia da onda si è dimostrata essere rilevante per rendere vantaggioso il riuso rispetto al decommissionamento. Numerosi studi recenti hanno infatti sottolineato che, nell’ambito della “crescita blu”, i mercati come l’oil&gas, le attività offshore e le isole stimoleranno lo sviluppo di tecnologie innovative come lo sfruttamento dell’energia da onda, promuovendo la sperimentazione e fornendo un importante contributo all’avanzamento tecnico e alla commercializzazione.

Componentistica avanzata per Impianti di Combustione a Biomassa

In un quadro internazionale di forte interesse verso uno sviluppo sostenibile e sfide energetiche per il futuro, il DIEM, in collaborazione con altri istituti di ricerca ed imprese private, sta progettando l’integrazione di componentistica avanzata su di una caldaia alimentata a biomasse. Lo scopo finale è quello di realizzare una caldaia a biomasse che produca energia in maniera più efficiente e con un impatto ambientale ridotto. L’applicazione è indirizzata inizialmente verso caldaie di piccola-media taglia (fino a 350 kW termici) vista la larga diffusione di questa tipologia di impianto. La componentistica in oggetto è: - filtro sperimentale ad alta efficienza per la rimozione del particolato; - celle a effetto Seebeck per la produzione di energia elettrica direttamente da energia termica senza parti meccaniche in movimento; - pompa Ogden per la produzione di energia meccanica direttamente da energia termica; La finalità dell’attività di ricerca è la progettazione dell’integrazione dei suddetti dispositivi con una caldaia a biomassa da 290 kW termici per la realizzazione di un prototipo di caldaia stand-alone ad impatto ambientale ridotto: in particolare, la caldaia è in grado, una volta raggiunte le condizioni di regime, di autoalimentare le proprie utenze elettriche, garantendo il funzionamento in sicurezza in caso di black-out o consentendo l’installazione della caldaia medesima in zone remote e prive di allaccio alla rete elettrica. Inoltre, la caldaia può fornire, tramite l'utilizzo di una pompa a vapore o pompa Ogden, energia meccanica per il pompaggio di fluidi: tale opportunità si ritiene particolarmente interessante per l'integrazione della caldaia nel caso di installazione in ambito agricolo. Infine, l'abbinamento di un filtro ad alta efficienza e basso costo consente l'abbattimento delle emissioni inquinanti, favorendo una maggiore diffusione della tecnologia senza ulteriori impatti sull'ambiente.

Produzione automatizzata per nastratura di componenti strutturali in materiale composito

Questa dissertazione tratterà l’argomento dello studio di metodi di progettazione e processi tecnologici innovativi per l’industrializzazione in medio-grande serie di componenti strutturali in materiale composito. L’interesse della ricerca verso questo ambito è suscitato dai notevoli vantaggi che l’utilizzo di materiali dall’alto rapporto prestazioni meccaniche/peso danno nella ricerca di elevate prestazioni in applicazioni sportive e diminuzione dei consumi ed emissioni inquinanti in mezzi di trasporto di grande serie. Lo studio di componenti in materiale composito è caratterizzato dalla peculiarità di non poter disgiungere la progettazione della geometria della parte da quella del materiale e del processo, ed in questo senso nella figura del progettista si vanno a riassumere sinergicamente competenze riguardanti i tre ambiti. Lo scopo di questo lavoro è la proposizione di una metodologia di progettazione e produzione di componenti strutturali che permetta l’utilizzazione ottimale della natura fibrosa del materiale composito sia dal punto di vista del trasferimento dei carichi tra diversi componenti, sia dal punto di vista del processo di laminazione che avviene per nastratura automatizzata. Lo studio è volto a mostrare in quali termini tale tecnologia sia potenzialmente in grado di superare i vincoli di forma ed i limiti di efficienza meccanica delle giunzioni tra le parti e di garantire maggiore produttività e costi inferiori rispetti ai diversi metodi di produzione che rappresentano oggi lo stato dell’arte dell’industrializzazione in medio-grande serie. Particolare attenzione verrà posta sull’utilizzo della tecnologia oggetto di studio per la produzione di telai automobilistici.

Sviluppo e caratterizzazione di bulk superconduttori in MgB2 per sistemi di levitazione

Superconduttori bulk in MgB2, ottenuti con tecnologia Mg-RLI brevettata da Edison Spa, sono stati oggetto di un'approfondita analisi in termini di forze di levitazione. Questo studio è stato preliminare per la progettazione di un innovativo sistema di levitazione lineare. I risultati ottenuti sperimentalmente sono stati validati attraverso modelli numerici sviluppati ad hoc. I campioni oggetto dello studio sono tre bulk in MgB2 rappresentativi delle tipiche forme usate nelle applicazioni reali: un disco, un cilindro, una piastra. I bulk sono stati misurati con un sistema di misura per le forze di levitazione realizzato a tale scopo. Un protocollo sperimentale è stato seguito per la caratterizzazione di base, sia in condizioni Field Cooling sia Zero Field Cooling, al quale sono state affiancate prove specifiche come la possibilità di mantenere inalterate le proprietà superconduttive attraverso la giunzione di più campioni con la tecnologia Mg-RLI. Un modello numerico è stato sviluppato per convalidare i risultati sperimentali e per studiare l'elettrodinamica della levitazione. Diverse configurazioni di rotori magnetici sono state accoppiate con un cilindro in MgB2 con lo scopo di valutare la soluzione ottimale; questo tema è stato apporofondito attraverso lo sviluppo di un software di simulazione che può tenere conto sia del numero di magneti sia della presenza di anelli in materiale magneti intercalati fra di essi. Studi analoghi sono stati portati avanti su una piastra di MgB2 per simulare il comportamento di una geometria piana. Un sistema di raffreddamento innovativo basato sull'azoto solido è stato studiato per poterlo accoppiare con un sistema di levitazione. Il criostato progettato è costituito da due dewar, uno dentro l'altro; quello interno ha lo scopo di raffreddare l'MgB2 mentre quello esterno di limitare delle perdite verso l'esterno. Il criopattino così ottenuto è accoppiato in condizioni FC ad una rotaia formata da magneti permanenti in NdFeB.

Comportamento tribologico di materiali per componenti di interesse industriale: Failure analysis e prove tribologiche in laboratorio

L’attività di ricerca della presente tesi di dottorato ha riguardato sistemi tribologici complessi di interesse industriale per i quali sono stati individuati, mediante failure analysis, i meccanismi di usura dominanti. Per ciascuno di essi sono state studiate soluzioni migliorative sulla base di prove tribologiche di laboratorio. Nella realizzazione di maglie per macchine movimentazione terra sono ampiamente utilizzati i tradizionali acciai da bonifica. La possibilità di utilizzare i nuovi microlegati a medio tenore di carbonio, consentirebbe una notevole semplificazione del ciclo produttivo e benefici in termini di costi. Una parte della tesi ha riguardato lo studio del comportamento tribologico di tali acciai. E’ stato anche affrontato lo studio tribologico di motori idraulici, con l’obiettivo di riuscire a migliorarne la resistenza ad usura e quindi la vita utile. Sono state eseguite prove a banco, per valutare i principali meccanismi di usura, e prove di laboratorio atte a riprodurre le reali condizioni di utilizzo, valutando tecniche di modificazione superficiale che fossero in grado di ridurre l’usura dei componenti. Sono state analizzate diverse tipologie di rivestimenti Thermal Spray in termini di modalità di deposizione (AFS-APS) e di leghe metalliche depositate (Ni,Mo,Cu/Al). Si sono infine caratterizzati contatti tribologici nel settore del packaging, dove l’utilizzo di acciai inox austenitici è in alcuni casi obbligatorio. L’acciaio inossidabile AISI 316L è ampiamente utilizzato in applicazioni in cui siano richieste elevate resistenze alla corrosione, tuttavia la bassa resistenza all’usura, ne limitano l’impiego in campo tribologico. In tale ambito, è stata analizzata una problematica tribologica relativa a macchine automatiche per il dosaggio di polveri farmaceutiche. Sono state studiate soluzioni alternative che hanno previsto sia la completa sostituzione dei materiali della coppia tribologica, sia l’individuazione di tecniche di modificazione superficiale innovative quali la cementazione a bassa temperatura anche seguita dalla deposizione di un rivestimento di carbonio amorfo idrogenato a-C:H

Modellazione e simulazione di sistemi meccanici ad elevato numero di gradi di libertà mediante metodi non convenzionali e sistemi CAD

Recent developments in piston engine technology have increased performance in a very significant way. Diesel turbocharged/turbo compound engines, fuelled by jet fuels, have great performances. The focal point of this thesis is the transformation of the FIAT 1900 jtd diesel common rail engine for the installation on general aviation aircrafts like the CESSNA 172. All considerations about the diesel engine are supported by the studies that have taken place in the laboratories of the II Faculty of Engineering in Forlì. This work, mostly experimental, concerns the transformation of the automotive FIAT 1900 jtd – 4 cylinders – turbocharged – diesel common rail into an aircraft engine. The design philosophy of the aluminium alloy basement of the spark ignition engine have been transferred to the diesel version while the pistons and the head of the FIAT 1900 jtd are kept in the aircraft engine. Different solutions have been examined in this work. A first V 90° cylinders version that can develop up to 300 CV and whose weight is 30 kg, without auxiliaries and turbocharging group. The second version is a development of e original version of the diesel 1900 cc engine with an optimized crankshaft, that employ a special steel, 300M, and that is verified for the aircraft requirements. Another version with an augmented stroke and with a total displacement of 2500 cc has been examined; the result is a 30% engine heavier. The last version proposed is a 1600 cc diesel engine that work at 5000 rpm, with a reduced stroke and capable of more than 200 CV; it was inspired to the Yamaha R1 motorcycle engine. The diesel aircraft engine design keeps the bore of 82 mm, while the stroke is reduced to 64.6 mm, so the engine size is reduced along with weight. The basement weight, in GD AlSi 9 MgMn alloy, is 8,5 kg. Crankshaft, rods and accessories have been redesigned to comply to aircraft standards. The result is that the overall size is increased of only the 8% when referred to the Yamaha engine spark ignition version, while the basement weight increases of 53 %, even if the bore of the diesel version is 11% lager. The original FIAT 1900 jtd piston has been slightly modified with the combustion chamber reworked to the compression ratio of 15:1. The material adopted for the piston is the aluminium alloy A390.0-T5 commonly used in the automotive field. The piston weight is 0,5 kg for the diesel engine. The crankshaft is verified to torsional vibrations according to the Lloyd register of shipping requirements. The 300M special steel crankshaft total weight is of 14,5 kg. The result reached is a very small and light engine that may be certified for general aviation: the engine weight, without the supercharger, air inlet assembly, auxiliary generators and high pressure body, is 44,7 kg and the total engine weight, with enlightened HP pump body and the titanium alloy turbocharger is less than 100 kg, the total displacement is 1365 cm3 and the estimated output power is 220 CV. The direct conversion of automotive piston engine to aircrafts pays too huge weight penalties. In fact the main aircraft requirement is to optimize the power to weight ratio in order to obtain compact and fast engines for aeronautical use: this 1600 common rail diesel engine version demonstrates that these results can be reached.

Studio Sperimentale e Modellazione della Separazione di Proteine con Membrane di Affinità

Chromatography represents one of the most important and widely used unit operation in the biotechnology industry. However this technique suffers from several limitations such as high pressure drop, slow mass transfer through the diffusive pores and strong dependence of the binding capacity on flow rate. In this work, affinity membranes with improved capacity have been considered as an alternative technology for the capturing step in antibody manufacturing. Several affinity membranes have been prepared starting from various membrane supports. Different affinity ligands have been utilized like Protein A, the natural ligand of choice for antibodies, as well as synthetic ligands that exhibit affinity for the Fc portion of antibodies. The membranes have been characterized in detail: binding and elution performance was evaluated in adsorption experiments using pure IgG solutions, while membrane selectivity was evaluated using complex solutions like a cell culture supernatant. The most promising affinity membranes were extensively tested in dynamic experiments. The effects of operating parameters like feed concentration and flow rate on separation performances like binding capacity, selectivity and process yield have been studied in detail in order to find the optimal conditions for binding and elution steps. The membranes have been used over several complete chromatographic cycles to evaluate the effects of ageing and of membrane regeneration on dynamic binding capacity. A novel mathematical model is proposed that can describe all the chromatographic steps involved in the membrane affinity chromatography process for protein purification. The mathematical description is based on the species continuity equation coupled with a proper binding kinetic equation, and suitable to describe adequately the dispersion phenomena occurring both in the micro-porous membranes as well as in the extra-column devices used in the system. The model considers specifically all the different chromatographic steps, namely adsorption, washing and elution. The few relevant fitting parameters of the model were derived from a calibration with the experimental affinity cycles performed with pure IgG solutions, then the model is used to describe experimental data obtained in chromatographic cycles carried out with complex feeds as the cell culture supernatant. Simulations reveal a good agreement with experimental data in all the chromatography steps, both in the case of pure IgG solutions and for the cell culture supernatant considered.

Modelli Matematici per Transizioni di Fase in Materiali Speciali

In questa Tesi vengono trattati alcuni temi relativi alla modellizzazione matematica delle Transizioni di Fase, il cui filo conduttore è la descrizione basata su un parametro d'ordine, originato dalla Teoria di Landau. Dopo aver presentato in maniera generale un modo di approccio alla dinamica delle transizioni mediante campo di fase, con particolare attenzione al problema della consistenza termodinamica nelle situazioni non isoterme, si considerano tre applicazioni di tale metodo a transizioni di fase specifiche: la transizione ferromagnetica, la transizione superconduttrice e la transizione martensitica nelle leghe a memoria di forma (SMA). Il contributo maggiore viene fornito nello studio di quest'ultima transizione di fase per la quale si è elaborato un modello a campo di fase termodinamicamente consistente, atto a descriverne le proprietà termomeccaniche essenziali.