Applicazione di algoritmi di ottimizzazione al progetto concettuale dei velivoli dell'aviazione generale

L’obbiettivo di questo elaborato è descrivere l'implementazione, attraverso l’uso del programma di calcolo Matlab, di un metodo per ottenere una configurazione di un velivolo dell’aviazione generale che sia rispettosa delle specifiche di progetto e presenti un costo orario minimo. Il metodo utilizzato per progettare l’aeromobile preso come caso di studio è basato sui concetti della progettazione robusta. Con questo metodo di progettazione si cerca di rendere l’aereo il più insensibile possibile alle modifiche di alcuni dei parametri di progetto che possono variare in modo casuale; in particolare ci si è concentrati sul costo orario di una missione, andandone a calcolare la media e la sua deviazione standard. Considerando infine il rapporto segnale-rumore introdotto da Taguchi per la progettazione robusta, viene implementato un metodo di ottimizzazione basato su un algoritmo Particle Swarm Optimization (PSO), attraverso il quale si ottengono i valori più idonei dei parametri di progetto necessari per la realizzazione del futuro velivolo. In dettaglio, i parametri fissati in seguito all’applicazione dell’ottimizzatore sono l’allungamento alare, il carico alare e il rapporto potenza massima motori-peso. A conclusione del lavoro svolto, si può dire che l’ottimizzazione robusta può essere utile in tutti i casi in cui alcuni parametri di progetto non sono definiti in modo univoco, ma possono variare in un modo non prevedibile all’inizio della sviluppo del prodotto.

"Assisted factorial experimental design" per l'ottimizzazione della determinazione di benzene ematico in gc-fid

La quantificazione del benzene ematico è un tema di grande interesse nell'ambito della tossicologia occupazionale. La determinazione dell'analita, estratto nello spazio di testa di un vial, è eseguita mediante l'utilizzo di un gascromatografo con rilevatore a ionizzazione di fiamma (GC-FID). Si è cercato di ottimizzare il processo di estrazione del benzene dal sangue allo spazio di testa ed il successivo trasferimento dell'analita nella colonna cromatografica, mediante l'applicazione di un disegno sperimentale fattoriale a tre fattori e due livelli (DoE). I fattori individuati per impostare il piano sperimentale sono stati: variazione della temperatura di incubazione (A) del vial contenente il campione di sangue, pH del campione (B), modulato mediante aggiunta di una soluzione di H2SO4 e forza ionica (C), regolata mediante una soluzione acquosa di NaCl. I livelli scelti per ciascuna variabile sono stati: per A 40 e 60 °C; per B pH naturale del campione e pH a seguito dell'aggiunta di 1 mL di H2SO4 1.8 M; per C FI naturale del campione e FI dovuta all'aggiunta di una soluzione acquosa di sodio cloruro (5 g/L). Dall'analisi dei risultati forniti dal DoE, si è osservato che A, B e C hanno effetti tra loro contrastanti, per questo motivo non sembra essere vantaggioso combinare variabili differenti. In compenso, sia l'aumento di temperatura che l'aggiunta di acido solforico portano a significativi miglioramenti nell'estrazione di benzene dal sangue. Tra i tre trattamenti risulta essere B quello più efficace, motivo per il quale si ritiene che l'aggiunta di una soluzione acquosa di H2SO4 al campione di sangue porti ad una maggiore sensibilità e risoluzione strumentale. Sicuramente la sensibilità del metodo elaborato non può essere paragonata alle tradizionali determinazioni con spettrometro di massa, ma si ritiene possa essere sufficientemente soddisfacente per valutare l'esposizione a benzene dei lavoratori a rischio e come analisi di screening rapida ed economica.

Design for repair: ottimizzazione metodologie e caso di studio sottogruppo meccanico

Negli ultimi anni si è visto un forte segnale di cambiamento culturale indirizzato verso la sostenibilità affermando sempre più efficacemente i concetti di riciclaggio, riduzione e riutilizzo. Finora il design dei prodotti si è concentrato su aspetti che sfavorivano tale approccio e piuttosto si ponevano come specifica quella di definire a priori la vita del prodotto. Infatti, si sono sempre più sviluppate tecniche di accoppiamento delle parti che una volta accoppiate non consentivano più il disassemblaggio di queste. L’obiettivo di tale elaborato è stato quello di definire, nella famiglia di metodologie chiamata Design for X, un criterio che possa valutare e guidare la progettazione in ottica più mirata verso la riparabilità del prodotto “Design for Repair”. Aumentare la riparabilità del prodotto vuol dire poter aumentare la sua longevità, così da non avere la necessità di sostituirlo con un componente nuovo causando un impatto ambientale doppio, ossia la mancata necessità sia di sfruttare risorse per la realizzazione del sostituto sia di non dover occuparsi del processo di smaltimento del prodotto sostituito.

Dimensionamento dei lotti economici di produzione nel settore delle lavorazioni meccaniche: il caso Bonfiglioli Riduttori S.p.A.

Il presente elaborato si propone di studiare una soluzione ottimale per il dimensionamento di lotti economici di produzione nel settore lavorazioni meccaniche: il caso è stato studiato presso l’azienda Bonfiglioli Riduttori S.p.A all’interno del plant EVO, situato a Calderara di Reno (BO). Bonfiglioli Riduttori S.p.A è un’azienda che opera a livello globale occupandosi dell’intero ciclo di progettazione, produzione e distribuzione di una gamma completa di motoriduttori, dispositivi di azionamento, riduttori epicicloidali ed inverter. Il plant EVO è composto da due aree, produzione e assemblaggio, tra i quali è presente un magazzino che funge da buffer interoperazionale, contenente tutti i componenti necessari per il montaggio dei riduttori. L’obiettivo che ci si è posti è stato quello di trovare il lotto economico di produzione che fosse in grado di minimizzare i costi di gestione delle scorte ed i costi di set up della produzione, garantendo che non vi fossero rotture di stock, ossia mancanza di materiale con corrispondenti fermi macchina nel reparto assemblaggio. Ci si è concentrati sul ciclo di lavoro di uno dei componenti principali del riduttore, le corone in acciaio, e sono stati analizzati i seguenti modelli: i modelli di gestione tradizionale delle scorte, quali il modello del Lotto Economico di Acquisto (EOQ) ed il modello del Lotto Economico di Produzione (EMQ) ed il modello di gestione integrata delle scorte, noto come Consignment Stock. Studiando i risultati ottenuti è emerso che la soluzione ideale che verrà implementata a partire dai prossimi mesi è quella ibrida, ossia per i codici caratterizzati da bassi volumi si procede con i lotti calcolati attraverso il Consignment stock, caratterizzati da lotti con volumi elevati che comportano pochi set up, mentre per i codici alto rotanti si è cercato di aumentare il più possibile il numero di set up per abbassare il volume di ogni lotto e di conseguenza i costi di giacenza a magazzino.

Metodologie avanzate per l'ottimizzazione dell'assemblaggio di una pompa carburante per automotive

Il seguente elaborato è il frutto del lavoro di tirocinio svolto in Marelli. L'obiettivo del tirocinio è stato il miglioramento del processo di produzione della Pompa Tender. Questa è la pompa di alimentazione benzina per cui Marelli ha vinto la concessione per diventare unico fornitore per tutte le scuderie partecipanti alle gare di formula 1. Il mondo Motorsport rappresenta un ambiente competitivo dove ogni singolo componente delle auto deve garantire le massime prestazioni ed essere affidabile. La massima cura nella produzione è un requisito minimo per diventare fornitori di questa realtà. Per questo Marelli ha deciso di mettere in dubbio il suo processo di fabbricazione cercando un occhio esterno che potesse mettere a nudo eventuali difetti di produzione. Il miglioramento di processo è stato perseguito analizzando ogni operazione in ottica di Lean Manufacturing. Il lavoro è partito con l'analisi del tempo ciclo di produzione accompagnata dalla rilevazione di Muda e verifiche sul corretto approvvigionamento di materiali e accertamenti sulla funzionalità del layout di stabilimento. Dopo le analisi del caso, sono state prese scelte di miglioramento che vanno dal riadattamento del Layout, eliminazione di colli di bottiglia, modifica sulle fasi di processo, riorganizzazione degli strumenti di lavoro sui banchi di assemblaggio ed eliminazione di cause di contaminazione all'interno della pompa. Questo ha permesso di ridurre il tempo ciclo di produzione del componente e di conseguenza diminuire la saturazione dell'operatore. Inoltre, successivamente si è fatto un lavoro di standardizzazione su tutte le pompe dello stesso tipo prodotte nello stabilimento. Grazie a questa standardizzazione si può parlare adesso di famiglia di pompe ed esse non vengono più trattate singolarmente.

ADDITIVE MANUFACTURING: tecnologia innovativa per l'ottimizzazione di macchine elettriche

Lo scopo di questa tesi è quello di mostrare le potenzialità e le possibili soluzioni dell’Additive Manufacturing per l’ottimizzazione di macchine elettriche in risposta al problema delle terre rare. Nel primo capitolo viene presentato lo stato dell’arte dell’Additive Manufacturing mostrando una rapida panoramica delle sue caratteristiche principali, le potenzialità future e i settori di utilizzo. Il secondo capitolo propone le principali tecniche di Stampa 3D per la realizzazione di oggetti evidenziando di ognuna i pregi e i difetti. All’interno del terzo capitolo, viene illustrata la struttura di una macchina elettrica mostrando le varie componenti e presentando delle possibili ottimizzazioni realizzate tramite Additive Manufacturing. Nel quarto capitolo vengono presentati esempi di macchine elettriche complete realizzate attraverso le tecniche dell’Additive Manufacturing. Nel quinto capitolo vengono confrontati un Interior Permanent Magnets motor e un Synchronous Relectance Machine.

Ottimizzazione della selezione dei decadimenti Λ 0 b → pK− e Λ 0 b → pπ− per la misura delle asimmetrie di CP

In questa tesi è presentato il lavoro svolto per ottimizzare le selezioni dei decadimenti Λ 0 b → pK− e Λ 0 b → pπ− al fine di misurarne le asimmetrie di CP. Il campione di dati utilizzato corrisponde ad una luminosità integrata di 6 fb−1, raccolto dall'esperimento LHCb in collisioni protone-protone ad un'energia nel centro di massa di 13 TeV. L'ottimizzazione della selezione è di fondamentale importanza nello studio di questi decadimenti, per ottenere la minor incertezza statistica possibile sulle asimmetrie misurate. Il lavoro svolto in questa tesi ha portato ad avere incertezze statistiche sulle singole asimmetrie di CP pari a: σ(A pK CP ) = 0.76%, σ(A pπ CP) = 0.95%, che risultano essere minori di circa un fattore due rispetto ai risultati già pubblicati dalla Collaborazione LHCb. Il lavoro svolto in questa tesi sarà parte della pubblicazione dei risultati ottenuti su rivista internazionale, prevista per il 2023

Ottimizzazione unidimensionale nella scuola secondaria di secondo grado: un percorso didattico con GeoGebra

L'argomento principale discusso in questa tesi riguarda la proposta di un'attività laboratoriale circa la trattazione di problemi di ottimizzazione unidimensionale in una scuola secondaria di secondo grado. Tale argomento rientra, infatti, tra le voci all'interno dei programmi ministeriali stilati per le classi terze dei Licei Scientifici, come applicazione dello studio e dell'analisi della parabola e come preambolo per la trattazione di problemi isoperimetrici e geometrici. Si tratta, dunque, di risolvere dei problemi di massimo e minimo senza utilizzare la derivata, sfruttando solamente la parabola e l'aspetto grafico del problema. Da qui, l'importanza di soffermarsi sulla visualizzazione corretta della situazione problematica, facendo proprie le potenzialità di software didattici, come GeoGebra, che permettono agli studenti di risolvere le proprie difficoltà. Verrà quindi illustrato il percorso didattico progettato: i risultati teorici elaborati e le modalità di ragionamento; lo sviluppo storico che vi è dietro, soffermandosi sugli studi di alcuni matematici importanti; alcune applicazioni reali dell'ottimizzazione, mostrando specialmente qualche legame con la fisica. Viene riportato, anche, lo svolgimento di alcuni esercizi, confrontando sia la modalità più tradizionale che quella incentrata sulla costruzione grafica su GeoGebra. Nell'ultimo Capitolo, infine, viene fornita una analisi dei feedback e dei risultati relativa all'attività laboratoriale, che è stata presentata all'interno di una classe terza di un Liceo Scientifico: verranno esaminati i livelli di competenze raggiunti e gli eventuali vantaggi offerti da una trattazione di questo tipo.

Studio e ottimizzazione della produzione di radioisotopi per radiofarmaci mediante generatori compatti di neutroni

I generatori compatti di neutroni possono rappresentare un grande progresso nell'ambito della Medicina Nucleare. Sono una valida alternativa rispetto ai metodi tradizionali per la produzione dei radioisotopi necessari per la sintesi dei radiofarmaci, e permettono di esplorare e sviluppare nuove metodologie radioterapeutiche innovative, complementari e potenzialmente più efficaci rispetto a quelle già esistenti. Enea sta portando avanti due progetti in questo ambito. Il primo, SORGENTINA-RF, è volto allo sviluppo di una macchina in grado di produrre un fascio di neutroni a 14MeV, con la quale irradiare un target di molibdeno metallico, in modo da ottenere tecnezio-99 metastabile (99mTc), il radioisotopo più usato al mondo nelle procedure di imaging biomedico. Il secondo progetto, LINC-ER, ha lo scopo di progettare le infrastrutture necessarie ad accogliere un generatore compatto di neutroni, il cui scopo sarà quello di eliminare le residue cellule tumorali dopo un intervento chirurgico, a ferita aperta, in modo simile alle attuali tecniche di radioterapia intraoperatoria, che però sfruttano elettroni o raggi X. Questo lavoro di tesi trova posto in questi progetti perché ha contributo a portare avanti le ricerche in due aspetti specifici. Nel caso di SORGENTINA-RF, sono stati studiati tutti gli aspetti radiochimici per ottenere dal molibdeno metallico la soluzione liquida di molibdato sodico da cui si estrae il 99mTc. In questo caso si è deciso di puntare su processo “green” e innovativo basato sull’uso di perossido di idrogeno. Durante la tesi si sono studiati i più importanti fattori che governano questo processo e si è definito un meccanismo chimico che lo spiega. Nel caso di LINC-ER, invece, il lavoro sperimentale è stato quello di studiare metodi e rotte sintetiche nuove per ottenere nanoparticelle di composti di boro e bario, dispersi in hydrogels in grado di amplificare gli effetti del fascio neutronico sui tessuti cancerogeni e ridurli su quelli sani.

Analisi e ottimizzazione di un convertitore DC-DC impiegato come circuito di interfaccia per un carico rigenerativo

Questa tesi è stata svolta in collaborazione con un’azienda di Cesena che si occupa della progettazione e costruzione di caricabatterie e saldatrici e si pone come scopo di analizzare quello che viene chiamato carico "rigenerativo" un dispositivo che permette di testare e collaudare questo tipo di macchine consumando la minor energia elettrica possibile. In particolare si discuterà come avviene il funzionamento del circuito di interfaccia e la sua resa energetica attraverso alcune simulazioni con vari tipi di carichi. Verrà anche presa in esame una prova con il circuito realizzato e confrontata con quella analoga svolta al simulatore.

Aspetti microstrutturali, proprietà meccaniche e ottimizzazione del trattamento termico di un acciaio inossidabile PH processato con laser powder bed fusion

L’attività di ricerca svolta in questa tesi ha riguardato gli aspetti microstrutturali, le proprietà meccaniche e l’ottimizzazione del trattamento termico di un acciaio inossidabile indurente per precipitazione processato mediante tecnologia additiva Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). I provini, realizzati presso il competence center Bi-REX (Bologna) e lavorati presso il laboratorio di Metallurgia del DIN, sono stati oggetto di vari trattamenti termici sperimentali in cui è stata fatta variare la temperatura e la durata di mantenimento in forno, al fine di identificare la combinazione ottimale di temperatura e tempo sia per la fase di solubilizzazione che di invecchiamento. Nello specifico, la scelta dei parametri di solubilizzazione e invecchiamento è stata fatta solo sulla base dei trend di durezza. Da queste attività sono stati scelti i parametri di trattamento che garantissero elevata durezza, prossima alla massima ottenibile, senza durate di invecchiamento eccessive. L'esito della sperimentazione ha permesso di ridurre sensibilmente temperatura e durata di solubilizzazione rispetto al trattamento benchmark senza penalizzazione della durezza risultante. Dopodiché è stata eseguita una caratterizzazione microstrutturale e meccanica dell’acciaio, in termini di durezza, trazione e resilienza, per confrontare il trattamento termico ottimizzato con la condizione As-Built (AB) e con il trattamento termico standard indicato dal produttore. L’elevata durezza misurata dopo invecchiamento si deve alla presenza di precipitati di rinforzo in grado di ostacolare il moto delle dislocazioni. Le prove meccaniche hanno confermato l’ottenimento di elevata resistenza a snervamento e a trazione, superiore al benchmark, ma di un basso allungamento a rottura e bassissima resilienza a causa di difetti quali porosità, mancate fusioni e spattering. Infine, lo studio delle superfici di frattura ha permesso di analizzare i meccanismi di rottura dei campioni di trazione e resilienza.

Algoritmi di ottimizzazione per la pianificazione delle attività di un satellite

L'obiettivo principale di molti problemi industriali è tipicamente massimizzare i profitti o minimizzare costi o tempi di produzione. Questi problemi sono detti "di ottimizzazione" poiché bisogna ottimizzare determinati processi o attività attraverso decisioni che portino alla soluzione ottima del problema. Il giusto utilizzo di modelli matematici può condurre, tramite l'utilizzo di algoritmi esatti, alla soluzione ottima di un problema di questo tipo. Queste tecniche sono spesso basate su l'enumerazione completa di tutte le possibili soluzioni e ciò potrebbe pertanto richiedere una quantità di calcoli talmente elevata da renderle di fatto inutilizzabili. Per risolvere problemi di grandi dimensioni vengono quindi utilizzati i cosiddetti algoritmi euristici, i quali non assicurano di trovare la soluzione ottima del problema, ma promettono di trovarne una di buona qualità. In questa tesi vengono analizzati, sviluppati e confrontati entrambi gli approcci, attraverso l'analisi di un problema reale che richiede la pianificazione delle attività di un satellite.

Ottimizzazione della Scheda Prodotto nei sistemi informativi gestionali in un’azienda nel settore del packaging farmaceutico

Questo elaborato è stato svolto all'interno della Marchesini Group, nell'Headquarter di Pianoro al secondo piano nell'ufficio analisi ordini. Nella prima parte di questo documento è stata fatta una profonda analisi di quello che è il contesto industriale di riferimento, packaging farmaceutico, dell'industria 4.0 e di come l'Azienda si approccia a tutto ciò. Prosegue con una breve descrizione dell'azienda e delle normative di rifermento. Nella seconda parte dell'elaborato è stata svolta una profonda analisi del processo che va dalla ricezione dell'ordine alla spedizione della macchina/linea al cliente, quindi dell'intero ciclo di vita della commessa. Attraverso questa analisi sono state analizzate le criticità delle diverse attività svolte, da diverse risorse e gli strumenti, utilizzati, attraverso cui vengono portate a termine. La figura del Project coordinator, la scheda prodotto, la macro-pianificazione e il cruscotto sono gli elementi che sono stati maggiormente analizzati. Sono stati analizzati i loro punti deboli e proposte soluzioni migliorative. E' stato analizzato il modo di introdurle e valutato il loro impatto a livello economico nel breve periodo. Alla fine c'è una piccola considerazione su quali aspetti andrebbero ulteriormente approfonditi.

Ottimizzazione dell’ubicazione di hub logistici distributivi ed analisi sulla sostenibilità ambientale: il caso FAAC Technologies

Il presente lavoro di tesi si occupa di identificare le possibili ubicazioni di hub logistici distributivi del gruppo aziendale FAAC Technologies e di valutare le alternative da un duplice punto di vista: economico e sostenibile. Per raggiungere il suddetto risultato è stata dapprima studiata l’attuale configurazione logistica nel centro Europa. Unendo le caratteristiche dell’azienda con le ricerche presenti in letteratura scientifica riguardo la risoluzione di Hub Location Problem, è stato implementato un modello matematico che ottimizzi economicamente il posizionamento degli stabilimenti secondo diversi scenari organizzativi. Una seconda versione del modello valuta il rispetto dei tempi di transito da parte delle soluzioni ottenute. Infine, gli stessi scenari sono stati comparati tra loro in base all’impatto ambientale in termini di CO2 emessa nell’atmosfera per via del trasporto. Sono state studiate strategie riguardanti la logistica distributiva sostenibile e sono state proposte soluzioni in grado di mitigare gli effetti dovuti all’immissione di anidride carbonica. Gli strumenti digitali utilizzati nella presente ricerca sono stati: Excel per visualizzare ed elaborare i dati aziendali; Flourish per visualizzare i dati in mappe geografiche; MATLAB per trasformare le tariffe di trasporto in equazioni matematiche; Gurobi Optimizer per ottenere le soluzioni date dall’ottimizzazione del modello matematico, programmando attraverso il linguaggio AMPL. I risultati più significativi dimostrano la possibilità di raggiungere un risparmio economico del 16,7% dei costi logistici nel caso di ubicazione di un solo hub e del 9,8% nel caso di due hub. Dal punto di vista ambientale le medesime soluzioni comportano un aumento delle emissioni di CO2 rispettivamente del 45% e 8%. L’azzeramento di queste emissioni aggiuntive è possibile e a tal fine sarebbe necessario sostenere extra costi, i quali farebbero convergere entrambe gli scenari ad un risparmio comune pari all’8,2%.

Ottimizzazione del processo di gestione delle modifiche della distinta base prodotto il caso IMA S.p.A.

A seguito di un’esigenza esplicitata della Divisione IMA Ilapak Lugano, il team del PaLM Entreprise ha creato il Modulo Segnalazione Modifiche (MSM) con lo scopo di standardizzare e strutturare il flusso informativo relativo alle modifiche della distinta base dagli uffici tecnici a quelli della logistica e produzione. La prima analisi effettuata è stata incentrata sulla situazione AS-IS e sul primo applicativo che utilizzava Ilapak Lugano, il Segnalazione Modifiche (SM). Dopo aver appreso il funzionamento del vecchio SM, sono emerse diverse criticità come la scarsa integrazione con la piattaforma PaLM e con gli altri sistemi che conducevano a problemi di trasmissione di informazione tra gli uffici e ad errori nel recupero delle modifiche corrette. Dopo differenti riunioni tra i due team sono state concordate le prime specifiche. Successivamente l’elaborato procede con un’analisi della situazione TO-BE, descrivendo le caratteristiche ed i vantaggi del MSM. Uno dei principali benefici è che il Modulo è perfettamente integrato all’interno del PaLM e con tutti i sistemi PDM e CAD. Tutto ciò permette di migliorare la comunicazione e la collaborazione tra i vari dipartimenti, in special modo tra gli uffici tecnici e la logistica e con i fornitori. La terza ed ultima analisi è, invece, una valutazione economica: vengono calcolati i costi della situazione AS-IS, quelli della TO-BE e, in seguito, viene fatta un’analisi costi/benefici, confrontando i due scenari. Attraverso l’implementazione del MSM, si ottengono i seguenti risultati: non solo si ottiene una riduzione dei costi, ma anche un risparmio importante di tempo per gli operatori. Ilapak Lugano è risultata essere la portavoce di un progetto che, in realtà, molte altre Divisioni IMA desiderano. Senza dubbio, il fine ultimo del progetto del MSM è quello di introdurlo in quante più Divisioni possibili, rendendolo un modulo indispensabile all’interno dell’azienda.