Proprietà meccaniche ottenibili tramite Additive Manufacturing

Da anni è iniziata la quarta rivoluzione industriale che ha portato all’industria 4.0 e che, a differenza delle precedenti, è trainata da diverse tecnologie, tra cui l’Additive Manufacturing (AM). Lo scopo della tesi è quello di analizzare i prodotti ottenuti tramite AM e le loro proprietà meccaniche (resistenza a trazione, durezza, vita a fatica…) per paragonarli con quelli ottenuti tramite metodi convenzionali (fonderia, lavorazione alle macchine utensili…). Il primo capitolo introduttivo presenta le principali caratteristiche del processo, tra cui: i materiali utilizzati, i parametri, i vantaggi e gli svantaggi rispetto ai tradizionali metodi produttivi e l’evoluzione della tecnologia. Il secondo capitolo tratta più in particolare degli acciai, delle leghe di alluminio e di titanio, illustrando le principali tecnologie utilizzate e l’influenza dei parametri di processo e mette, poi, in relazione la microstruttura che si crea in seguito ad AM con le proprietà meccaniche ottenibili, anche in virtù di post-trattamenti. Nel terzo capitolo sono esaminati i materiali polimerici. Vengono illustrate le principali tecnologie utilizzate e le proprietà meccaniche ottenibili in relazione alla materia prima utilizzata e ai parametri di processo. Infine, sono valutati gli effetti del rinforzo in fibra sulle proprietà meccaniche. Nel capitolo finale, si traggono le conclusioni sull’utilità dell’AM per capirne l’importante ruolo all’interno della fabbricazione. Si analizza brevemente il mercato italiano relativo alle tecnologie additive e si fa un accenno a quelli che potrebbero essere gli sviluppi nei prossimi anni.

Caratterizzazione sperimentale a fatica di provini in AlSi10Mg prodotti tramite Additive Manufacturing

L’Additive Manufacturing è una tecnologia che ormai da qualche anno sta diventando sempre piu’ utilizzata in numerosi ambiti, tra cui l’automotive. In questo settore sono molte le aziende che stanno sperimentando e cercando di inglobare tale processo al loro interno. Tra queste l’Università di Bologna, dove un team studentesco motociclistico si occupa della creazione di un prototipo di moto elettrica da competizione. Nell'intento di utilizzare tale tecnologia, sono numerose le informazioni necessarie per la corretta progettazione. Infatti, le caratteristiche dei materiali che vengono usati principalmente non sono ancora del tutto chiare e presentano alcuni aspetti poco investigati. Per questo motivo, in tale progetto si è deciso di caratterizzare a fatica provini realizzati in AlSi10Mg che presentassero una particolare geometria, per indagare anche l’influenza dello spessore. Sono quindi stati realizzati i campioni, anche con alcuni trattamenti di post-processo e sono poi stati osservati i risultati a fatica e alcune caratteristiche, tra cui: porosità, densità e struttura dei bagni di fusione. Tali valori riscontrati sono poi stati confrontati con quelli ottenuti in altri studi, cercando di comprendere differenze e motivazioni dei fenomeni osservati.

Studio e Realizzazione del Modello RVE (Representative Volume Element) per componenti polimerici realizzati in stampa 3D FDM

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Gli attuali metodi di analisi agli elementi finiti (FEM) e le tecnologie CAE (Computer-Aided Engineering) non sono in grado di studiare modelli 3D di componenti stampati, dal momento che il risultato finale dipende dai parametri di processo e ambientali. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito della meso struttura del componente stampato per estendere l’analisi FEM anche a questa tipologia di componenti. Lo scopo del lavoro proposto è di creare un elemento omogeneo che rappresenti accuratamente il comportamento di un componente realizzato in stampa 3D FDM, questo avviene attraverso la definizione e l’analisi di un volume rappresentativo (RVE). Attraverso la tecnica dell’omogeneizzazione, il volume definito riassume le principali caratteristiche meccaniche della struttura stampata, permettendo nuove analisi e ottimizzazioni. Questo approccio permette di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predire le proprietà meccaniche dei componenti a partire da determinati parametri di stampa, permettendo così alla tecnologia FDM di diventare sempre di più uno dei principali processi industriali a basso costo.

Studio e analisi termo-strutturale di modelli stampati 3D FDM per materiali polimerici

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Le tempistiche e le richieste industriali obbligano sempre di più i progettisti ad uno studio predittivo delle problematiche che si possono incontrare in fare produttiva. In ambito strutturale questo è già da diversi anni la norma per componenti realizzati con tecnologia tradizionale. In ambito termico, invece, si procede ancora troppo spesso per tentativi seguendo l’esperienza del singolo. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito e un metodo per caratterizzare i transitori termici. Per fare ciò è necessario introdurre un modello semplificativo attraverso l’uso su un provino cilindrico. Questa semplice geometria permette di mettere in relazione la soluzione analitica, la soluzione approssimata agli elementi finiti e la soluzione sperimentale. Una volta ottenuti questi risultati sarà poi possibile, mantenendo invariati il ciclo termico e le caratteristiche termo-strutturali del materiale, modificare a piacimento la geometria per analizzare un qualsiasi componente. Questo approccio permette quindi di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predirne i gradienti termici e le deformazioni a partire dalle caratteristiche del materiale, della geometria e del ciclo termico a cui sono sottoposti. Permettendo così di valutare in modo preventivo e predittivo problematiche di stabilità geometrica e strutturale.

Scansione 3D per lo sviluppo di prodotti sportivi

Il presente elaborato descrive un lavoro il cui fine ultimo è valutare la fattibilità di una applicazione dell’Additive Manufacturing allo sviluppo di prodotti per il settore sportivo. In particolare, sfruttando la tecnica denominata Fused Deposition Modelling (FDM), si vuole riprodurre la forma di una parete d’arrampicata di roccia. Questa applicazione potrebbe trovare impiego nelle palestre indoor da arrampicata per garantire una esperienza simile a quella reale in un ambiente chiuso, senza problematiche dovute all’influenza delle condizioni atmosferiche e con rischi minori. Per l’acquisizione della geometria di una roccia reale ai fini di realizzare una replica in Additive, si è ritenuto di utilizzare tecniche di Reverse Engineering e, in particolare, la tecnica di scansione 3D basata sull’emissione di luce bianca. Questa tecnologia consente di acquisire tutti i dettagli e le proprietà che un oggetto presenta, creando un modello 3D digitale che rispecchia esattamente il componente reale con cui, successivamente, si potrebbe realizzare una replica accurata del soggetto di partenza, una roccia nel caso in esame, tramite il processo di stampa 3D. Pertanto, lo scopo dell’elaborato è presentare la metodologia che potrebbe essere seguita per riprodurre in Additive una roccia reale. La tesi descrive, quindi, come potrebbe essere svolta la scansione. L'attività si è conclusa con la produzione di un prototipo di roccia tramite tecniche di Additive Manufacturing.

Design of compliant mechanisms and their application to morphing wing technology

This thesis describes a study conducted for the development of a new approach for the design of compliant mechanisms. Currently compliant mechanisms are based on a 2.5D design method. The applications for which compliant mechanisms can be used this way, is limited. The proposed research suggests to use a 3D approach for the design of CM’s, to better exploit its useful properties. To test the viability of this method, a practical application was chosen. The selected application is related to morphing wings. During this project a working prototype of a variable sweep and variable AoA system was designed and made for an SUAV. A compliant hinge allows the system to achieve two DOF. This hinge has been designed using the proposed 3D design approach. To validate the capabilities of the design, two methods were used. One of these methods was by simulation. By using analysis software, a basic idea could be provided of the stress and deformation of the designed mechanism. The second validation was done by means of AM. Using FDM and material jetting technologies, several prototypes were manufactured. The result of the first model showed that the DOF could be achieved. Models manufactured using material jetting technology, proved that the designed model could provide the desired motion and exploit the positive characteristics of CM. The system could be manufactured successfully in one part. Being able to produce the system in one part makes the need for an extensive assembly process redundant. This improves its structural quality. The materials chosen for the prototypes were PLA, VeroGray and Rigur. The material properties were suboptimal for its final purpose, but successful results were obtained. The prototypes proved tough and were able to provide the desired motion. This proves that the proposed design method can be a useful tool for the design of improved CM’s. Furthermore, the variable sweep & AoA system could be used to boost the flight performance of SUAV’s.

Realizzazione in stampa 3D e calibrazione attraverso procedura semplificata di una sonda a 5 fori

Nella presente tesi vengono descritti i procedimenti di costruzione, di assemblaggio e di calibrazione di un tubo di Pitot a 5 fori per cercare una soluzione costruttiva facilmente replicabile e modificabile, mantenendo una buona affidabilità e testare un nuovo tipo di calibrazione che permetta di ridurre notevolmente i tempi di attesa per l'acquisizione dati. Vengono, quindi, in seguito, presentati i risultati ottenuti dalla calibrazione, fornendo commenti e consigli per migliorare l'intera procedura e ridurre l'errore.

Design methods and geometric modelling of scaffolds for bone tissue engineering

Every year, thousand of surgical treatments are performed in order to fix up or completely substitute, where possible, organs or tissues affected by degenerative diseases. Patients with these kind of illnesses stay long times waiting for a donor that could replace, in a short time, the damaged organ or the tissue. The lack of biological alternates, related to conventional surgical treatments as autografts, allografts, e xenografts, led the researchers belonging to different areas to collaborate to find out innovative solutions. This research brought to a new discipline able to merge molecular biology, biomaterial, engineering, biomechanics and, recently, design and architecture knowledges. This discipline is named Tissue Engineering (TE) and it represents a step forward towards the substitutive or regenerative medicine. One of the major challenge of the TE is to design and develop, using a biomimetic approach, an artificial 3D anatomy scaffold, suitable for cells adhesion that are able to proliferate and differentiate themselves as consequence of the biological and biophysical stimulus offered by the specific tissue to be replaced. Nowadays, powerful instruments allow to perform analysis day by day more accurateand defined on patients that need more precise diagnosis and treatments.Starting from patient specific information provided by TC (Computed Tomography) microCT and MRI(Magnetic Resonance Imaging), an image-based approach can be performed in order to reconstruct the site to be replaced. With the aid of the recent Additive Manufacturing techniques that allow to print tridimensional objects with sub millimetric precision, it is now possible to practice an almost complete control of the parametrical characteristics of the scaffold: this is the way to achieve a correct cellular regeneration. In this work, we focalize the attention on a branch of TE known as Bone TE, whose the bone is main subject. Bone TE combines osteoconductive and morphological aspects of the scaffold, whose main properties are pore diameter, structure porosity and interconnectivity. The realization of the ideal values of these parameters represents the main goal of this work: here we'll a create simple and interactive biomimetic design process based on 3D CAD modeling and generative algorithmsthat provide a way to control the main properties and to create a structure morphologically similar to the cancellous bone. Two different typologies of scaffold will be compared: the first is based on Triply Periodic MinimalSurface (T.P.M.S.) whose basic crystalline geometries are nowadays used for Bone TE scaffolding; the second is based on using Voronoi's diagrams and they are more often used in the design of decorations and jewellery for their capacity to decompose and tasselate a volumetric space using an heterogeneous spatial distribution (often frequent in nature). In this work, we will show how to manipulate the main properties (pore diameter, structure porosity and interconnectivity) of the design TE oriented scaffolding using the implementation of generative algorithms: "bringing back the nature to the nature".

La stampante 3D DELTA WASP 3MT - Verso la fabbricazione personale

La tesi segue il progetto della Delta WASP 3MT, stampante 3D di grandi dimensioni. Il lavoro parte da una analisi del contesto che incontra i temi dell'artigianato digitale e dell'autoproduzione. Successivamente viene fatta una analisi dei requisiti e delle soluzioni tecniche implementabili sulla macchina per soddisfarli. A questa segue una illustrazione degli interventi sulle varie parti della macchina. Infine si espongono brevemente i punti chiave elaborati per la comunicazione della macchina, dal naming alla strategia nei punti vendita.

Development of a polyplexes-based miRNA delivery system in a 3D-bioplotted osteoarthritis cellular model.

L'osteoartrite (OA) è una patologia infiammatorio/degenerativa ossea per la quale non sono disponibili terapie causali efficaci ma solo approcci palliativi per la riduzione del dolore cronico. E’ quindi giustificato un investimento per individuare nuove strategie di trattamento. In quest’ottica, lo scopo di questa tesi è stato quello di indagare l’efficacia di polyplexi a base di chitosano o di PEI-g-PEG in un modello cellulare 3D in vitro basato su un hydrogel di Gellan Gum Metacrilato (GGMA) con a bordo condrociti in condizioni simulate di OA. Inizialmente sono state studiate la dimensione e il potenziale-Z di un pool di formulazioni di poliplexi. Quindi se ne è valutata la citocompatibilità utilizzando cellule staminali mesenchimali immortalizzate Y201. Infine, una miscela di GGMA, cellule e polyplexi è stata utilizzata per la stampa 3D di campioni che sono stati coltivati fino a 14 giorni. La condizione OA è stata simulata trattando le cellule con una miscela di citochine implicate nello sviluppo della malattia. Tutte le formulazioni a base di chitosano e due basate su PEI-g-PEG si sono dimostrate citocompatibili e sono hanno veicolato i miRNA nelle cellule (come mostrato dai risultati di analisi in fluorescenza). I risultati delle colorazioni H&E e AlcianBlue hanno confermato che il terreno condizionato ha ben ricreato le condizioni di OA. I polyplexi a base di chitosano e PEI-g-PEG hanno controbilanciato gli effetti delle citochine. Risultati incoraggianti, anche se da approfondire ulteriormente, provengono anche dall’analisi di espressione (RT-PCR) di cinque geni specifici della cartilagine. Concludendo, questo modello ha ben riprodotto le condizioni di OA in vitro; il chitosano ha mostrato di essere un adeguato veicolo per un trattamento a base di miRNA; il PEI-g-PEG si propone come un'alternativa più economica e ragionevolmente affidabile, sebbene il rischio di citotossicità alle concentrazioni più elevate richieda una più esteva validazione sperimentale.

Characterization of a 3D-printed low-cost flexible dielectric material for the realization of innovative WPT wearable applications

The aim of this thesis is to demonstrate that 3D-printing technologies can be considered significantly attractive in the production of microwave devices and in the antenna design, with the intention of making them lightweight, cheaper, and easily integrable for the production of wireless, battery-free, and wearable devices for vital signals monitoring. In this work, a new 3D-printable, low-cost resin material, the Flexible80A, is proposed as RF substrate in the implementation of a rectifying antenna (rectenna) operating at 2.45 GHz for wireless power transfer. A careful and accurate electromagnetic characterization of the abovementioned material, revealing it to be a very lossy substrate, has paved the way for the investigation of innovative transmission line and antenna layouts, as well as etching techniques, possible thanks to the design freedom enabled by 3D-printing technologies with the aim of improving the wave propagation performance within lossy materials. This analysis is crucial in the design process of a patch antenna, meant to be successively connected to the rectifier. In fact, many different patch antenna layouts are explored varying the antenna dimensions, the substrate etchings shape and position, the feeding line technology, and the operating frequency. Before dealing with the rectification stage of the rectenna design, the hot and long-discussed topic of the equivalent receiving antenna circuit representation is addressed, providing an overview of the interpretation of different authors about the issue, and the position that has been adopted in this thesis. Furthermore, two rectenna designs are proposed and simulated with the aim of minimizing the dielectric losses. Finally, a prototype of a rectenna with the antenna conjugate matched to the rectifier, operating at 2.45 GHz, has been fabricated with adhesive copper on a substrate sample of Flexible80A and measured, in order to validate the simulated results.

Vibro-acoustic analysis of additively manufactured acoustic metamaterials

In the last decade it emerged the interest in new types of acoustic insulating materials, called acoustic metamaterials. These materials are composed by a host and inclusions and are arranged periodically or non-periodically in sub-wavelength elements called meta-atoms. Their inclusions and internal geometries can be manipulated to tailor the acoustic properties, reducing weight, and increasing at the same time their efficiency. Thanks to the high absorbing characteristics that they can achieve, their usage is of particularly interest as material of the core in sandwich panels of aerospace structures to reduce vibrations and noise inside passengers aircraft’s cabin. In addition, since the low frequency signals are difficult to be damped with conventional materials, their usage can guarantee a high transmission loss at low frequencies, obtaining a positive benefit on passengers’ comfort. The performances and efficiency of these materials are enhanced thanks to the new additive manufacturing techniques opposed to the conventional ones uncapable to pro- duce such complex internal geometries. The aim of this work is to study, produce and redesign micro-perforated sandwich panels of a literature case study to achieve high performances in the low frequency range, e.g., below 2000 Hz. Some geometrical parameters, such as perforation ratio and diameter of holes, were considered to realize different models and see the differences in the sound transmission loss. The models were produced by means of Fused Deposition Modelling using an Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS Plus p430) material on a commercial additive manufacturing system. Finally, the frequency response analysis was carried out with Mul2 software, based on the Carrera’s Unified Formulation (CUF) to understand the acoustic and structural properties of the material employed, analyzing the plates’ displacements and the TL results.

Conceptualization of an Electric Compact SUV for the American and Italian Market using the IDeS Method

Electric cars are increasingly popular due to a transition of mobility towards more sustainable forms. From an increasingly green and pollution reduction perspective, there are more and more incentives that encourage customers to invest in electric cars. Using the Industrial Design and Structure (IDeS) research method, this project has the aim to design a new electric compact SUV suitable for all people who live in the city, and for people who move outside urban areas. In order to achieve the goal of developing a new car in the industrial automotive environment, the compact SUV segment was chosen because it is a vehicle very requested by the costumers and it is successful in the market due to its versatility. IDeS is a combination of innovative and advanced systematic approaches used to set up a new industrial project. The IDeS methodology is sequentially composed of Quality Function Deployment (QFD), Benchmarking (BM), Top-Flop analysis (TFA), Stylistic Design Engineering (SDE), Design for X, Prototyping, Testing, Budgeting, and Planning. The work is based on a series of steps and the sequence of these must be meticulously scheduled, imposing deadlines along the work. Starting from an analysis of the market and competitors, the study of the best and worst existing parameters in the competitor’s market is done, arriving at the idea of a better product in terms of numbers and innovation. After identifying the characteristics that the new car should have, the other step is the styling part, with the definition of the style and the design of the machine on a 3D CAD. Finally, it switches to the prototyping and testing phase to see if the product is able to work. Ultimately, intending to place the car on the market, it is essential to estimate the necessary budget for a possible investment in this project.

Studio di fabbricabilità per strutture porose interconnesse con macchina PolyJet

Il presente caso di studio prende forma da una problematica su una metodologia di stampa 3D relativamente nuova, la tecnologia PolyJet. Nella tesi, si verificano ed osservano i limiti di fabbricazione dei modelli ottenuti da questo processo di stampa, dovuti al particolare materiale di supporto che utilizza la tecnologia medesima a differenza di altre tecnologie esistenti. Nei dettagli, si è deciso di stampare dei particolari provini costituiti da strutture porose interconnesse, ottenute tramite superfici TPMS (Triply Periodical Minimal Surfaces), caratterizzate da fori molto piccoli e profondi ed osservare la facilità o la difficoltà nel rimuovere il materiale di supporto da ognuno di essi attraverso le attrezzature disponibili in laboratorio. I risultati ottenuti dall’esperimento hanno mostrato che, riducendo sempre di più i fori delle strutture dei provini, si va a complicare l’azione di rimozione del materiale di supporto, rendendo il processo difficile da compiere come nell’ultimo provino realizzato. Si evince che, nei tre casi osservati, è possibile rimuovere tutto il materiale di supporto dalle strutture, anche nell’ultimo manufatto, con fori di dimensione di un millimetro.

A new concept for a Sport-Coupè car developed with the Industrial Design Structure method (IDeS)

The aim of this study, conducted in collaboration with Lawrence Technological University in Detroit, is to create, through the method of the Industrial Design Structure (IDeS), a new concept for a sport-coupe car, based on a restyling of a retro model (Ford Mustang 1967). To date, vintage models of cars always arouse great interest both for the history behind them and for the classic and elegant style. Designing a model of a vehicle that can combine the charm of retro style with the innovation and comfort of modern cars would allow to meet the needs and desires of a large segment of the market that today is forced to choose between past and future. Thanks to a well-conceived concept car an automaker company is able to express its future policy, to make a statement of intent as, such a prototype, ticks all the boxes, from glamour and visual wow-factor to technical intrigue and design fascination. IDeS is an approach that makes use of many engineering tools to realize a study developed on several steps that must be meticulously organized and timed. With a deep analysis of the trends dominating the automotive industry it is possible to identify a series of product requirements using quality function deployment (QFD). The considerations from this first evaluation led to the definition of the technical specifications via benchmarking (BM) and top-flop analysis (TFA). Then, the structured methodology of stylistic design engineering (SDE) is applied through six phases: (1) stylistic trends analysis; (2) sketches; (3) 2D CAD drawings; (4) 3D CAD models; (5) virtual prototyping; (6) solid stylistic model. Finally, Developing the IDeS method up to the final stages of Prototypes and Testing you get a product as close as possible to the ideal vehicle conceptualized in the initial analysis.