Tecniche geomatiche di reverse engineering nel campo dei Beni Culturali

La salvaguardia e conservazione del Patrimonio Artistico ed Architettonico rappresentano un aspetto imprescindibile di ogni cultura, e trovano le loro fondamenta nella coscienza e conoscenza dei Beni. Il rilievo è l’operazione basilare per acquisire una conoscenza rigorosa di un oggetto nella sua geometria e in altre sue caratteristiche. Le finalità delle operazioni di rilevamento sono molteplici, dall’archiviazione a scopo di documentazione fino all’indagine conservativa volta alla diagnostica e alla progettazione di interventi. I modelli digitali, introdotti dallo sviluppo tecnologico degli ultimi decenni, permettono una perfetta conoscenza del bene, non necessitano di contatto diretto durante la fase di rilevamento e possono essere elaborati secondo le esigenze del caso. Le tecniche adottate nel Reverse Engineering si differenziano per il tipo di sensore utilizzato: quelle fotogrammetriche utilizzano sensori di tipo “passivo” e trovano oggi largo impiego nel settore dei Beni Culturali grazie agli strumenti di Structure from Motion, mentre strumenti basati su sensori di tipo “attivo” utilizzano Laser o proiezione di luce strutturata e sono in grado di rilevare con grande precisione geometrie anche molto complesse. La costruzione del modello della fontana del Nettuno e della torre Garisenda di Bologna costituiscono un valido esempio di applicazione delle tecniche di rilievo digitale, e dimostrano la validità delle stesse su oggetti di diversa dimensione in due diversi ambiti applicativi: il restauro e il monitoraggio. Gli sviluppi futuri del Reverse Engineering in questo ambito sono molteplici, e la Geomatica rappresenta senza dubbio una disciplina fondamentale per poterli realizzare.

Additive manufacturing e ottimizzazione topologica: massimizzare le prestazioni di una pinza freno per applicazioni motorsport

I veicoli ad alte prestazioni sono soggetti ad elevati carichi per piccoli intervalli di tempo. Questo comporta diverse criticità sulle componenti che costituiscono la vettura: una di queste è la pinza freno. Al fine di renderla performante è necessario il possesso di due proprietà. In primo luogo, la pinza freno deve essere il più leggera possibile poiché essa conferisce un'inerzia nella risposta della sospensione del veicolo, procurando il distacco dello pneumatico dal suolo e causando perdita di aderenza. In secondo luogo, è necessario contenere le deformazioni della pinza freno garantendo un determinato feeling per il pilota. Il compito del progettista è ottimizzare questi due parametri che hanno effetti antitetici. Questa difficoltà porta il progettista a creare design molto complessi per raggiungere l’ottimale e non sempre le geometrie ottenute sono realizzabili con tecnologie convenzionali. Questo studio riguarda il miglioramento prestazionale di una pinza freno costruita con una lega di alluminio 7075-T6 e lavorato dal pieno. Gli obbiettivi sono quello di produrre il nuovo corpo in titanio TI6Al4V, dal momento che le temperature di esercizio portano a grandi decadute di caratteristiche meccaniche dell’alluminio, contenere il più possibile la massa a fronte dell’aumento di densità di materiale e ovviamente limitare le deformazioni. Al fine di ottenere gli obbiettivi prefissati sono utilizzati metodi agli elementi finiti in diverse fasi della progettazione: per acquisire una geometria di partenza (ottimizzazione topologica) e per la validazione delle geometrie ottenute. Le geometrie ricavate tramite l’ottimizzazione topologica devono essere ricostruite tramite software CAD affinché possano essere ingegnerizzate. Durante la modellazione è necessario valutare quale tecnologia è più vantaggiosa per produrre il componente. In questo caso studio si utilizza un processo di addizione di materiale, più specificatamente una tecnica Selective Laser Melting (SLM).

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.

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".

Preparazione e caratterizzazione di nuovi nanocompositi elastomerici mediante stampa 3D

Il presente lavoro di tesi si è incentrato sulla preparazione e caratterizzazione di manufatti elastomerici mediante Additive Manufacturing, sfruttabili per l'abbigliamento sportivo. Sono stati studiati diversi parametri di stampa, tra cui la geometria di riempimento, angoli di deposizione, infill e velocità di stampa, al fine di ottenere prestazioni ottimizzate confrontabili con materiali convenzionali. Inoltre sono state utilizzate per lo scopo diverse matrici elastomeriche caratterizzate da differente durezza Shore A. Le proprietà termiche dei manufatti stampati sono state studiate attraverso analisi TGA e DSC. Invece, le prestazioni meccaniche sono state analizzate attraverso DMA, prove di trazione e prove di compressione/espansione. Infine, è stato sviluppato un materiale innovativo nanocomposito al fine di ampliare il campo di utilizzo della FDM. Il materiale è stato caratterizzato tramite le classiche tecniche di analisi termiche e meccaniche.

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.

Recupero e riutilizzo di uno scarpone da sci a fine vita. Ottimizzazione del processo di Design for Recycling con simulazione agli elementi finiti validata tramite correlazione di immagini digitale

Il presente elaborato di tesi è parte di un ampio progetto finalizzato alla realizzazione di uno scarpone da sci ottenuto per il 90% di materiale da riciclo di scarponi da sci a fine vita. L’obiettivo è di realizzare la progettazione del nuovo scarpone, e caratterizzarne le proprietà flessionali avvalendosi ti tecniche di simulazione numerica FEM validata attraverso Correlazione di Immagini Digitale. La caratterizzazione flessionale è realizzata con la prova del Flex Test, che consiste nell’imporre una flessione dorsale ad una protesi di gamba. Le prime simulazioni FEM di questo complesso modello hanno evidenziato delle criticità. La presente ricerca, si pone l’obiettivo di risolvere singolarmente questi problemi. Inizialmente, si è realizzata la blend polimerica dei materiali dello scafo e del gambetto dello scarpone. Si è effettuata la caratterizzazione meccanica del materiale, confrontandolo con il materiale vergine. Si è poi ricercato il modello costitutivo più adeguato di materiale iperelastico per il FEM. Successivamente, si è ottenuto il modello CAD della scarpetta attraverso l’approccio reverse engineering, con la tecnica della scansione 3D, la quale ha consentito di ottenere il file. STEP da aggiungere al modello FEM. La conoscenza della geometria effettiva ha consentito di realizzare il design della nuova scarpetta ottenuta da materiale riciclato. Infine, si è utilizzata la Correlazione di Immagini Digitali per studiare la cinematica della chiusura dei ganci dello scafo, e per studiare lo stato di deformazione residua a chiusura effettuata. Si è valutata l’influenza del piede della protesi, e della scarpetta, durante la chiusura dei ganci. In seguito, si è confrontato quanto ottenuto dalle evidenze sperimentali della DIC, con la simulazione agli elementi finiti. Si tratta di un approccio innovativo, che vede per la prima volta implementata la Correlazione di Immagini Digitali per realizzare la caratterizzazione meccanica di uno scarpone da sci.

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.

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.

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.

Integrazione di dati antropometrici e termografici per l'analisi della distribuzione di temperatura all'interfaccia moncone-protesi d'arto inferiore

Le immagini termiche all’ infrarosso sono utilizzate da molte decadi per monitorare la distribuzione di temperatura della pelle umana. Anormalità come infiammazioni ed infezioni causano un aumento locale della temperatura, visibile sulle immagini sotto forma di hot spot. In tal senso la termografia ad infrarossi può essere utilizzata nel campo ortopedico per rilevare le zone sovra-caricate dalla protesi. Per effettuare una valutazione precisa dell’interfaccia moncone-invasatura può essere utile combinare i dati termografici e i dati antropometrici (superficie tridimensionale del moncone), relativi ai singoli pazienti. Di ciò si occupa tale studio, che dopo aver fornito una panoramica sulla termografia e sulla reverse engineering, sperimenta delle tecniche semplici e low-cost per combinare i dati termici e i dati antropometrici. Buoni risultati si riescono ad ottenere utilizzando un Kinect come scanner e un software open-source per il texture mapping. I termogrammi 3D ricreati costituiscono un ottimo strumento di valutazione, per medici e tecnici ortopedici, circa il design dell’invasatura.

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.

Computer vision in aseptic pharmaceutical manufacturing: a deep learning-based approach to vial inspection and pack formation during a lyophilizer loading cycle

Vision systems are powerful tools playing an increasingly important role in modern industry, to detect errors and maintain product standards. With the enlarged availability of affordable industrial cameras, computer vision algorithms have been increasingly applied in industrial manufacturing processes monitoring. Until a few years ago, industrial computer vision applications relied only on ad-hoc algorithms designed for the specific object and acquisition setup being monitored, with a strong focus on co-designing the acquisition and processing pipeline. Deep learning has overcome these limits providing greater flexibility and faster re-configuration. In this work, the process to be inspected consists in vials’ pack formation entering a freeze-dryer, which is a common scenario in pharmaceutical active ingredient packaging lines. To ensure that the machine produces proper packs, a vision system is installed at the entrance of the freeze-dryer to detect eventual anomalies with execution times compatible with the production specifications. Other constraints come from sterility and safety standards required in pharmaceutical manufacturing. This work presents an overview about the production line, with particular focus on the vision system designed, and about all trials conducted to obtain the final performance. Transfer learning, alleviating the requirement for a large number of training data, combined with data augmentation methods, consisting in the generation of synthetic images, were used to effectively increase the performances while reducing the cost of data acquisition and annotation. The proposed vision algorithm is composed by two main subtasks, designed respectively to vials counting and discrepancy detection. The first one was trained on more than 23k vials (about 300 images) and tested on 5k more (about 75 images), whereas 60 training images and 52 testing images were used for the second one.

“Study of Electro-thermal Effects on PLA Materials Fed with AC Currents”

Given the rise in the emergence of new composite materials, their multifunctional properties, and possible applications in simple and complex structural components, there has been a need to unravel the characterization of these materials. The possibility of printing these conductive composite materials has opened a new area in the design of structural components which can conduct, transmit, and modulate electric signals with no limitation from complex geometry. Although several works have researched the behaviour of polymeric composites due to the immediate growth, however, the electrothermal behaviour of the material when subjected to varying AC applied voltage (Joule’s effect) has not been thoroughly researched. This study presents the characterization of the electrothermal behaviour of conductive composites of a polylactic acid matrix reinforced with conductive carbon black particles (CB-PLA). An understanding of this behaviour would contribute to the improved work in additive manufacturing of functional electro-mechanical conductive materials with potential application in energy systems, bioelectronics, etc. In this study, the electrothermal interplay is monitored under applied AC voltage, varying lengths, and filament printing orientations (longitudinal, oblique, and transverse). Each sample was printed using the fused deposition modeling technique such that each specimen has three different lengths (1L, 2L, 2.75L). To this end, deductions were made on properties that affect composite’s efficiency and life expectancy. The result of this study shows a great influence of printing orientation on material properties of 3D printed conductive composites of CB-PLA. The result also identifies the contribution of AC applied voltage to composites' stabilization time. This knowledge is important to provide experimental background for components' electrothermal interplay, estimate possible degradation and operating limits of composite structures when used in applications.