Ottimizzazione di un sistema di calcolo Voxel dosimetry e implementazione di grandezze radiobiologiche per MRT

Il presente lavoro di tesi nasce in seguito all’esperienza di tirocinio svolta presso l’Arcispedale Santa Maria Nuova di Reggio Emilia. Fulcro di questo lavoro è lo sviluppo di un sistema di pianificazione della dose per il trattamento dei pazienti sottoposti a Molecular Radionuclide Therapy (MRT). Presso tale struttura ospedaliera è già stato sviluppato uno strumento che si appoggia all’ambiente di lavoro Matlab per il calcolo dosimetrico. Tale programma è chiamato VoxelMed. Si tratta di uno strumento di calcolo che lavora al così detto voxel-level, tecnica di sviluppo recente che permette il calcolo della dose assorbita all’interno di un paziente in modo più dettagliato rispetto ai metodi di calcolo basati unicamente sulla stima media per organo, tipicamente impiegati in dosimetria tradizionale. Parte del lavoro di tesi consiste nell’implementare nuove modalità di calcolo ed aggiungere ulteriori accorgimenti all’attuale versione di VoxelMed. In VoxelMed è stata poi integrata ex-novo una componente di calcolo di misure radiobiologiche, in particolare della BED. La dose assorbita non è infatti un parametro sufficiente per valutare gli effetti della radiazione sui tessuti, a parità di tipo ed energia della radiazione gli effetti possono essere molto variabili. La BED è il parametro che tiene conto della risposta del tessuto sano o cancerogeno alla radiazione. Parte del lavoro è stato svolto sperimentalmente, tramite misure con fantocci acquisiti o preparati ad hoc. In particolare si sono utilizzati diverse tipologie di fantocci, per effettuare protocolli di calibrazione dei sistemi di acquisizione, misure di curve di effetto di volume parziale e test finali di verifica. Per un ulteriore verifica delle prestazioni di calcolo si sono effettuate misurazioni su un gruppo di pazienti e si sono confrontati i risultati con quelli ottenuti dal software maggiormente utilizzato nella pratica clinica, OLINDA/EXM.

Ottimizzazione dei flussi dei materiali e delle persone all'interno di un impianto di produzione. Il caso Galletti spa.

La tesi in oggetto è stata svolta presso la Galletti spa. L'obiettivo iniziale era quello di studiare un percorso all'interno dello stabilimento produttivo al fine di enfatizzare le peculiarità della produzione tenendo conto dei fattori riguardanti la sicurezza. E' stata inoltre realizzata, con l'aiuto di una agenzia di comunicazione, una piattaforma di comunicazione. Analizzando il processo produttivo è emersa un'ulteriore problematica: l'elevata quantità di work in progress stoccati a bordo linea. In particolare, in questa tesi è stata fatta un'analisi preliminare circa una linea di produzione. Sono stati analizzati, in termini di quantità, i prodotti che vengono assemblati in essa, e i codici dei semilavorati utili. In seguito sono state studiate le operazioni che vengono svolte in ogni postazione di lavoro e, in funzione del ciclo di lavoro gli sono stati assegnati i codici dei semilavorati. L'analisi si è conclusa studiando i consumi medi. Le prossime fasi dell'analisi prevedono lo studio dei volumi dei codici e di conseguenza la definizione delle aree di stoccaggio e lo studio dei lotti di produzione.

Progettazione, ottimizzazione e sviluppo di un sistema WOPI (Water Out Pressure In) per airbox

Un airbox deve fornire al motore sia aria pura, ovvero priva di particelle estranee (motivo per cui al suo interno viene collocato un elemento filtrante), che priva di gocce d’acqua, la cui presenza è possibile sia a causa della condensazione dell’umidità dell’aria aspirata, sia, in volume anche maggiore, in caso di pioggia, aspetto su cui si focalizzerà questo elaborato. Attualmente, per eliminare la presenza di queste particelle d’acqua, vengono praticati fori, più o meno grandi, sulla parete dell’airbox. Questa semplice tecnica, permette di eliminarla, ma causa anche una depressurizzazione. Per contrastare questo fenomeno, è già noto l’utilizzo di condotti elastici, normalmente chiusi o semichiusi, che, nel frattempo, permettono la lenta discesa gravitazionale dell’acqua. Questo sistema, però, non è in grado di sigillare il foro di scolo, provocando quindi anch’esso un calo della pressurizzazione del box. Inoltre, esso potrebbe intasarsi, rendendo inefficace lo scolo. In più, nel tempo, potrebbe sopraggiungere una perdita di elasticità, causando un peggioramento della funzionalità. Scopo del WOPI è eliminare tutti i precedenti inconvenienti nel modo più efficiente possibile.

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).

Ottimizzazione della gestione dei ricambi e del costo delle politiche di manutenzione per una macchina astucciatrice continua

Nella tesi viene descritto un metodo per creare una lista ricambi basata su un'analisi statistica. In seguito, utilizzando anche i risultati ottenuti, viene calcolato il Total Cost of Ownership per un gruppo di macchine.

Nanofibre contenenti grafene per la modifica di compositi laminati: ottimizzazione del processo di elettrofilatura

I compositi laminati, specialmente i Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRPs), possiedono ottime proprietà meccaniche ed un peso contenuto rispetto i materiali metallici. Uno dei problemi più importanti che i laminati presentano è il cedimento per delaminazione, ovvero il distaccamento delle lamine che costituiscono il composito, in seguito a sollecitazioni esterne e/o alla presenza di difetti formati durante il processo di lavorazione. Per poter minimizzare tale fenomeno sono stati studiati vari metodi; fra questi vi è l’utilizzo di tessuti nanofibrosi che, intercalati fra le lamine, riescono ad ostacolare efficacemente la propagazione della cricca. Nel presente lavoro di tesi sono stati prodotti, mediante elettrofilatura, tessuti nanofibrosi polimerici additivati con grafene, da impiegare per la modifica strutturale di compositi laminati. In particolare, è stata svolta l’ottimizzazione delle soluzioni (concentrazione polimero, sistema solvente) e dei parametri di processo (potenziale, portata, distanza ago-collettore) per diversi materiali polimerici. Per effettuare un’efficiente dispersione del grafene sono stati effettuati vari cicli di sonicazione. Le membrane sono state caratterizzate morfologicamente mediante microscopia elettronica (SEM) e termicamente mediante calorimetria differenziale a scansione (DSC). Infine, sono stati prodotti tessuti di grandi dimensioni adatti ad essere integrati, prossimamente, in compositi laminati per verificarne l’efficacia contro la delaminazione.

Ottimizzazione dell'utilizzo di Yarrowia lipolytica come co-starter per la produzione di formaggi

Il formaggio è un alimento dalle origini antiche e rappresenta una delle prime trasformazioni biotecnologiche adoperate dall'uomo. È il risultato di una serie di processi tecnologici (attività enzimatica, microbica e maturazione) che vanno a definire il processo finale. La maturazione dei formaggi va a caratterizzare aroma, texture e corpo del prodotto finale, questi parametri sono il risultato di una cascata di eventi biochimici e microbiologici, mediati dal metabolismo di starter, co-starter e microrganismi ambientali in sinergia con enzimi del latte e del caglio. È un processo lento, complesso, ed economicamente oneroso, pertanto, risulta importante trovare strategie volte a velocizzare il tempo di maturazione, riducendo anche i costi di produzione, senza impattare sugli attributi sensoriali dei formaggi. In questo elaborato è stata valutata l’aggiunta di co-starter all’esterno del formaggio, favorendo una maturazione superficiale. Le prove effettuate hanno riguardato Yarrowia lipolytica, un lievito non convenzionale, dalle caratteristiche industrialmente molto interessanti. Inizialmente sono state ottimizzate le condizioni di inoculo superficiale (tempo e modalità) della biomassa microbica sui formaggi. Successivamente è stata valutata l’influenza di un covering (E201+E235) sulla crescita di diversi ceppi di Y. lipolytica. Il campionamento microbico ha permesso poi di identificare la migliore modalità di inoculo, ovvero l’immersione rapida del formaggio nel terreno contenente il lievito e, in base ai dati ottenuti, si è effettuata una prima prova preliminare in azienda dove si è andati a valutare carica microbica, profilo volatile e acidi grassi generati. Y. lipolytica ha dimostrato, nei campioni trattati, di inibire la crescita dei lieviti indigeni e di modificare positivamente la composizione della sostanza grassa del formaggio in superficie, favorendo il rilascio di acidi grassi liberi insaturi e composti volatili, capaci di modulare l’aroma del prodotto.

Sviluppo di metodologie di simulazione avanzate per la progettazione fluidodinamica di condotti di motori endotermici alternativi

L’attuale panorama motoristico, fortemente guidato dalle normative, prevede l’implementazione di diverse tecnologie che hanno lo scopo di migliorare l’efficienza del motore e ridurre le emissioni di inquinanti e per le quali risulta necessario una corretta progettazione dei condotti di aspirazione. Lo sviluppo ottimale dei condotti risulta un compromesso tra obiettivi contrastanti e in termini matematici si tratta di un’ottimizzazione multiobiettivo. Le simulazioni CFD e gli algoritmi genetici sono stati applicati con successo allo studio di questi problemi, ma la combinazione di questi elementi risulta notevolmente dispendiosa in termini di tempo, in quanto sarebbero necessarie un alto numero di simulazioni. Per ridurre i tempi di calcolo, un set di simulazioni CFD pu`o essere pi`u convenientemente utilizzato per istruire una rete neurale, che una volta opportunamente istruita pu`o essere usata per prevedere gli output delle simulazioni in funzione dei parametri di progetto durante l’ottimizzazione con l’algoritmo genetico, operando quella che viene chiamata una ottimizzazione virtuale. In questa tesi, viene mostrata una metodologia numerica per l’ottimizzazione multi-obiettivo dei condotti di aspirazione, basata su un modello CAD a geometria variabile, le simulazioni fluidodinamiche tridimensionali e una rete neurale combinata con un algoritmo genetico.

Ottimizzazione della crotilborazione asimmetrica di dialchil-azodicarbossilati

A differenza di allil- e crotilborazioni realizzate su aldeidi e chetoni, la crotilborazione di azodicarbossilati rappresenta un terreno ancora inesplorato in sintesi asimmetrica. Per sviluppare un processo catalitico ed enantioselettivo è stato pertanto necessario valutare singolarmente l’effetto di ciascuno dei fattori in grado di influenzare l’andamento della reazione, ovvero: catalizzatore, quantità relative di reagenti, temperatura, alcoli ausiliari, additivi, solventi e composizione della miscela di reazione. Dopo aver ottimizzato le condizioni operative affinché si raggiungesse la massima enantioselettività possibile, è stato effettuato uno studio del meccanismo di reazione tramite spettroscopia 1H NMR. L’indagine ha permesso di individuare le specie cataliticamente attive ed avere maggiori informazioni sulla cinetica della crotilborazione. Rispetto alla fase iniziale di sviluppo della reazione, l’ottimizzazione delle condizioni operative ha consentito di aumentare notevolmente sia la resa che l’eccesso enantiomerico. Le informazioni ricavate nel corso del progetto hanno inoltre portato a una maggiore comprensione del processo catalitico, che potrà essere sfruttata per incrementare ulteriormente l’efficienza e la selettività della reazione di crotilborazione in esame.

Definizione di metodi di modellazione e trattamento dati per l'ottimizzazione di modelli per motori da competizione

Trattamento dati, modellazione e calibrazione di un motore da competizione

Ottimizzazione e validazione sperimentale di una nuova procedura per chirurgia stereotassica

Gli interventi in campo neurologico richiedono un’elevata accuratezza e si basano generalmente su sistemi invasivi. Lo scopo della seguente trattazione è quello di presentare e validare sistemi innovativi per interventi di chirurgia stereotassica caratterizzati da una bassa invasività e una elevata accuratezza. Lo studio, partito dall’analisi dello stato dell’arte, pone la sua attenzione su nuove proposte e le ottimizza, ne ricava dei protocolli attuabili e li valida sperimentalmente. Due sono i punti salienti dell’elaborato: descrivere la procedura innovativa di intervento e i risultati in termini di affidabilità dello stesso. Gli elementi di novità si concentrano sull’ideazione e la realizzazione del sistema di fissaggio al cranio del paziente, elemento fondamentale per un accurato inserimento dell’utensile chirurgico, e sul metodo di verifica dell’accuratezza del sistema proposto. La qualità di tale sistema viene infine decretata dai risultati dei test sperimentali.

Studio e realizzazione di un supporto distanziale per ottimizzazione di operazioni di tempra laser

Studio e progettazione di una soluzione tecnologica da fissare a una testa di focalizzazione laser movimentata da un braccio robotico. Il fine dello strumento creato è migliorare l'efficienza e l'ergonomia della fase di setting dell'impianto e abbassare il tempo impiegato per misurare la distanza del laser dal pezzo. Nel corpo della tesi sono state analizzate varie opzioni realizzative con i relativi pro e contro e infine vengono mostrate le diverse fasi di prototipazione del prodotto scelto.

Ottimizzazione impiantistica di servizi di climatizzazione e acqua calda con produzione di energia da fotovoltaico: il caso studio del progetto "e-SAFE"

In questa tesi si è approfondito dal punto di vista impiantistico ed energetico il primo progetto pilota “e-SAFE”, relativo ad un condominio di edilizia popolare sito a Catania. Il progetto europeo “e-SAFE” mira alla riqualificazione “globale” del patrimonio edilizio UE, con obiettivi quali la decarbonizzazione, tramite raggiungimento di edifici nZEB, e la sicurezza sismica, includendo finalità sociali. È stata svolta la progettazione degli impianti tecnici relativi ai servizi di climatizzazione (riscaldamento e raffrescamento) e produzione acqua calda sanitaria (ACS), tramite adozione di sistema a pompa di calore abbinato ad impianto fotovoltaico provvisto di batterie di accumulo, al fine di massimizzare l’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili. Una soluzione innovativa è stata prevista per il sistema ACS tramite bollitori decentralizzati che permettono l’eliminazione della rete di ricircolo e dotano il servizio centralizzato di una certa “individualità”, con adozione di logiche di controllo che consentono di sfruttare al massimo l’energia da fotovoltaico. Sono state quindi svolte analisi energetiche, relative a tre casi impiantistici (senza PV, con PV e con batterie d’accumulo), con modellazione del sistema edificio-impianto adottando una procedura di calcolo orario, per poi confrontare i consumi elettrici, le emissioni e i principali indicatori energetici al fine di dimostrare la bontà delle scelte progettuali effettuate. Si è dimostrato come l’impiego dell’impianto fotovoltaico, abbinato ad un corretto dimensionamento delle batterie di accumulo, consente di ottimizzare la contemporaneità di produzione e consumo di energia. Nonché permette di minimizzare il prelievo di energia elettrica dalla rete nazionale, consumando e stoccando in loco l’elettricità autoprodotta da fonti energetiche totalmente rinnovabili.

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.

Analisi delle prestazioni di un sistema di accumulo termico

Analisi termofluidodinamica di un accumulatore di calore che utilizza materiali a cambiamento di fase (PCM). I campi di velocità, di temperatura e di titolo, in regime termico non stazionario, relativi al singolo canale, vengono calcolati con un programma basato sul metodo dei volumi finiti, scritto in ambiente di lavoro Matlab. Vengono proposte diverse ottimizzazioni delle performance di accumulo termico, basate su un algoritmo genetico. Le ottimizzazioni sono fatte sia con differenti tipi di parametri di valutazione, sia con differenti gradi del polinomio che descrive la parete del canale; per ogni ottimizzazione l’algoritmo genetico è stato, quindi, utilizzato per determinare i parametri geometrici del canale ottimali. A partire dai risultati ottenuti dalle ottimizzazioni, vengono poi analizzate le prestazioni di canali della stessa geometria, ai quali viene aggiunta un’intelaiatura metallica. Vengono, infine, mostrati i risultati delle simulazioni numeriche fatte.