“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.

Progetto preliminare e modellazione CAD di UAV ad ala rotante per impieghi agricoli

In questa tesi viene descritto uno studio preliminare su un velivolo ad ala rotante UAV (Unmanned Aerial Veichle) per supportare l'agricoltura di precisione. E' stato implementato in ambiente Matlab un semplice modello matematico per stimare la trazione del rotore principale in un elicottero. Successivamente, è stata presa in considerazone una meccanica commerciale per modellismo che potrebbe essere adottata per sveltire i tempi di sviluppo di questo UAV: la Graupner UNI-Mechanics 2000. E' stato, quindi, modellato al CAD un prototipo di struttura da realizzare tramite tecniche di Additive Manufacturing: questa parte è stata concepita per essere collegata alla meccanica dell'elicottero e può ospitare due taniche contenenti le sostanze da irrorare sulle colture. A livello di sviluppo futuro, si propone di applicare tecniche di ottimizzazione topologica alla struttura di collegamento per ottenere uno sfruttamento ottimale del materiale e ridurre le masse di questo componente.

Collection and real-time analysis of images from aircraft to support civil protection operational activities

This report describes the realization of a system, in which an object detection model will be implemented, whose aim is to detect the presence of people in images. This system could be used for several applications: for example, it could be carried on board an aircraft or a drone. In this case, the system is designed in such a way that it can be mounted on light/medium weight helicopters, helping the operator to find people in emergency situations. In the first chapter the use of helicopters for civil protection is analysed and applications similar to this case study are listed. The second chapter describes the choice of the hardware devices that have been used to implement a prototype of a system to collect, analyse and display images. At first, the PC necessary to process the images was chosen, based on the characteristics of the algorithms that are necessary to run the analysis. In the further, a camera that could be compatible with the PC was selected. Finally, the battery pack was chosen taking into account the electrical consumption of the devices. The third chapter illustrates the algorithms used for image analysis. In the fourth, some of the requirements listed in the regulations that must be taken into account for carrying on board all the devices have been briefly analysed. In the fifth chapter the activity of design and modelling, with the CAD Solidworks, the devices and a prototype of a case that will house them is described. The sixth chapter discusses the additive manufacturing, since the case was printed exploiting this technology. In the seventh chapter, part of the tests that must be carried out on the equipment to certificate it have been analysed, and some simulations have been carried out. In the eighth chapter the results obtained once loaded the object detection model on a hardware for image analyses were showed. In the ninth chapter, conclusions and future applications were discussed.

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.

Studio del comportamento meccanico e tribologico della lega AlSi10Mg prodotta mediante Laser-based Powder Bed Fusion sottoposta ad un ciclo tecnologico ottimizzato

AlSi10Mg alloy is one of the most widely used alloys for producing structural components by Laser-based Powder Fusion (L-PBF) technology due to the high mechanical and technological properties. The present work aims to characterize mechanically and tribologically the L-PBF AlSi10Mg alloy subjected to both heat treatment and surface modification cycles. Specifically, the effects of three heat treatments on the tribological and mechanical properties of the alloy were analyzed: T5 (artificial aging at 160 °C for 4 h), T6 rapid solution heat treatment (solution heat treatment at 510 °C for 1h and aging at 160 °C for 6 h), and T6 benchmark (solution heat treatment at 540 °C for 1h and aging at 160 °C for 4 h), the latter used as a benchmark. The study highlighted how the better balance between strength and ductility properties induced by the introduction of heat treatments leads to lower wear resistance and not significant variations in the friction coefficient of the alloy. The tribological and mechanical behavior of the alloy coated with two different coating structures, consisting of (i) chemical Ni (Ni-P) and (ii) Ni-P + DLC, was also evaluated. The goal was the identification of a deposition cycle such as to guarantee the optimization of the mechanical and tribological behavior of the alloy. The Ni-P coating provided good wear resistance but an increase in the coefficient of friction. In contrast, using the DLC top coating resulted in excellent tribological performance in wear resistance and friction coefficient. The samples characterized by the Ni-P + DLC multilayer coating were subsequently subjected to mechanical characterization. The results obtained highlighted problems of adhesion and incipient breaking of the material due to the different mechanical behavior of the coating, considerably reducing the mechanical performance of the alloy coated with Ni-P+DLC multilayer solution compared to the specimens in the un-coated condition.

Caratterizzazione meccanica ad alta temperatura dell'acciaio inossidabile AISI 316L prodotto con processo additivo

Analisi meccanica e microstrutturale a temperatura ambiente e alta temperatura (400 °C) dell'acciaio inossidabile AISI 316L prodotto tramite additive manufacturing (Laser Powder Bed Fusion) e rivestito con un sistema multistrato composto da nichelatura al fosforo e diamond like carbon. Il materiale è stato testato meccanicamente tramite prove di trazione, fatica a basso numero di cicli e durezza. Queste hanno dimostrato come il rivestimento non modifica significativamente le proprietà a trazione del materiale (sia a 20°C che a 400 °C) mentre allunga notevolmente la vita a fatica del provino a temperatura ambiente. Le analisi di durezza hanno evidenziato il diverso comportamento del rivestimento a temperatura ambiente e a 400 °C in quanto, alla temperatura di 300 °C, subisce una ricristallizzazione che ne determina un indurimento. L'analisi microstrutturale ha previsto l'osservazione del materiale al microscopio ottico ed elettronico a scansione FEG-SEM, la quale ha permesso di identificare i melt pool, grani colonnari e struttura cellulare che compongono il materiale. La struttura cellulare scompare a 400 °C mentre i melt pool ed i grani colonnari restano invariati. Oltre a queste analisi sono state svolte anche delle osservazioni per quanto riguarda le superfici di frattura del materiale le quali hanno mostrato una tipologia di frattura duttile nei provini di trazione mentre i campioni a fatica presentano una tipica frattura a fatica, ovvero che comprende un innesco, una zona di propagazione della cricca ed una zona di rottura di schianto. I campioni rivestiti presentavano l'innesco nella zona interfacciale tra substrato e rivestimento a causa delle tensioni residue, nonostante l'adesione del rivestimento con l'acciaio fosse ottimale.

Development of a novel heat treatment for high performances L-PBF Ti6Al4V alloy: microstructural and mechanical characterization

This work presents the experimental development of a novel heat treatment for a high performance Laser Powder Bed Fusion Ti6Al4V alloy. Additive manufacturing production processes for titanium alloys are particularly of interest in cutting-edge engineering fields, however, high frequency laser induced thermal cycles generate a brittle as built microstructure. For this reason, heat treatments compliant with near net shape components are needed before their homologation and usage. The experimental campaign focused on the development of a multi-step heat treatment leading to a bilamellar microstructure. In fact, according to literature, such a microstructure should be promising in terms of mechanical properties both under static and cyclic loads. The heat treatment development has asked for the preliminary analyses of samples annealed and aged in laboratory, implementing several cycles, differing for what concerns temperatures, times and cooling rates. Such a characterization has been carried out through optical and electron microscopy analyses, image analyses, hardness and tensile tests. As a result, the most suitable thermal cycle has been selected and performed using industrial equipment on mini bending fatigue samples with different surface conditions. The same tests have been performed on a batch of traditionally treated samples, to provide with a comparison. This master thesis activity has finally led to the definition of a heat treatment resulting into a bilamellar microstructure, promising in terms of fatigue performances with respect to the traditionally treated alloy ones. The industrial implementation of such a heat treatment will require further improvements, particularly for what concerns the post annealing water quench, in order to prevent any surface alteration potentially responsible for the fatigue performances drop. Further development of the research may also include push-pull fatigue tests, crack grow propagation and residual stresses analyses.

Effetto della sabbiatura sul comportamento a fatica della lega AlSi10Mg prodotta con Laser Powder Bed Fusion e trattata termicamente

La tesi in oggetto ha lo scopo di determinare l’effetto della sabbiatura sul comportamento a fatica della lega AlSi10Mg prodotta mediante Laser Powder Bed Fusion e trattata termicamente. I parametri di processo e di trattamento termico (T5 e T6) sono stati precedentemente ottimizzati. Al fine di determinare l’effetto della sabbiatura su topografia superficiale e microstruttura dei campioni, si sono condotte molteplici analisi avvalendosi di strumenti quali profilometria, microscopia ottica ed in scansione, analisi di tensioni residue con diffrazione a raggi X e prove di durezza. Attraverso prove di fatica per flessione rotante, eseguite secondo il metodo Stair-Case per la determinazione della resistenza a fatica, e successiva caratterizzazione delle superfici di frattura si vuole correlare il difetto killer, ossia quello responsabile del cedimento per fatica, alle caratteristiche morfologiche e microstrutturali. Il difetto killer viene caratterizzato in termini di dimensione e distanza dalla superficie e per mostrare la relazione fra la dimensione del difetto killer e la resistenza a fatica si adotta il diagramma di Kitagawa-Takahashi con modellazione di Murakami ed EL Haddad. Si è evidenziato che tutti i difetti killer sono riconducibili a lack-of-fusion con dimensione superiore ai 100 μm ad una profondità compresa fra i 150 e i 200 μm, indipendentemente dal trattamento termico o meccanico applicato. In termini di fatica si osserva che il trattamento T6 conferisce al materiale migliori proprietà rispetto a quello T5. Il processo di sabbiatura, confrontato con quello di lucidatura superficiale, ha portato a miglioramenti in termini di durezza e tensioni residue di compressione, ma si è rivelato quasi ininfluente sulla resistenza a fatica. Sulla base di quanto sopra, si conferma la possibilità di applicazione della sabbiatura in ambito industriale a componenti meccanici, anche in sostituzione della lucidatura, ottenendo un beneficio anche economico.

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.

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.

Cure Induced Residual Stresses on Thick Composite Components Manufactured by Additive Process

This study investigates the effect of an additive process in manufacturing of thick composites. Airstone 780 E epoxy resin and 785H Hardener system is used in the analysis since it is widely used wind turbine blade, namely thick components. As a fiber, fabric by SAERTEX (812 g/m2) with a 0-90 degrees layup direction is used. Temperature overshoot is a major issue during the manufacturing of thick composites. A high temperature overshoot leads to an increase in residual stresses. These residual stresses are causing warping, delamination, dimensional instability, and undesired distortion of composite structures. A coupled thermo-mechanical model capable of predicting cure induced residual stresses have been built using the commercial FE software Abaqus®. The possibility of building thick composite components by means of adding a finite number of sub-laminates has been investigated. The results have been compared against components manufactured following a standard route. The influence of pre-curing of the sub-laminates has also been addressed and results compared with standard practice. As a result of the study, it is found that introducing additive process can prevent temperature overshoot to occur and benefits the residual stresses generation during the curing process. However, the process time required increases by 50%, therefore increasing the manufacturing costs. An optimized cure cycle is required to minimize process time and cure induced defects simultaneously.

Proposta di dichiarazione ambientale EMAS di gruppo per la Edison Stoccaggio S.p.A.

Con il presente lavoro di tesi mi sono proposto di realizzare la Dichiarazione Ambientale EMAS di gruppo per la EDISON Stoccaggio S.p.A. Nell’affrontare questa tematica, ho avuto modo di comprendere a pieno la crescente importanza strategica che lo stoccaggio di gas naturale sta sempre più assumendo nei confronti della politica energetica nazionale ed internazionale. Il sistema degli stoccaggi, infatti, ha una duplice valenza: di riserva strategica, ai fini della sicurezza di approvvigionamento per il sistema energetico nazionale, e di riserva di modulazione, al fine di compensare fluttuazioni di domanda sia stagionali che di breve termine. Esso rappresenta quindi un fondamentale strumento di flessibilità per il sistema energetico nazionale. La mia attività è stata svolta giornalmente presso la Base Operativa di Edison Stoccaggio S.p.A situata nel comune di S. Giovanni Teatino (CH) dove si svolgono attività di gestione integrata ed ottimizzata dei Siti Operativi del settore Stoccaggio Gas Naturale. Visite periodiche, al fine di raccogliere dati operativi necessari al mio lavoro, sono state effettuate presso i due siti di EDISON Stoccaggio S.p.A. nei quali si svolgono attività di Stoccaggio e Produzione Gas Naturale: Centrale Gas di Cellino Attanasio (TE) e Centrale Gas di Collalto situata nel comune di Susegana (TV). La tesi è strutturata in una prima parte nella quale viene presentata una rapida panoramica sull’evoluzione e situazione europea attuale riguardante lo strumento di natura volontaria di Eco-gestione e sistema d’audit noto come regolamento EMAS; in particolare mi sono soffermato sullo studio delle fasi da compiere per ottenere la registrazione EMAS, con particolare attenzione alla Dichiarazione Ambientale, fulcro dell’iter di registrazione, e oggetto principale del mio lavoro. Particolarmente laborioso è stato infatti lo studio che è stato necessario per produrre una Dichiarazione Ambientale che contenesse tutti i dati operativi dettagliati e aggiornati dell’intera azienda Edison Stoccaggio S.p.A. Nella seconda parte dell’elaborato vengono descritte quelle che sono le caratteristiche di una centrale di stoccaggio gas, al fine di poter comprendere a pieno le tipologie di attività svolte con i loro relativi impatti ambientali e consumo di risorse, aspetti che, vengono trattati in modo dettagliato e risultano basilari nella Dichiarazione Ambientale. Nella parte riguardante la Dichiarazione Ambientale vengono esposte le linee guida e la struttura da seguire al fine di ottenere un documento completo e funzionale in modo che sia fruibile da tutti gli svariati interlocutori. A seguire viene presentata la “Proposta di Dichiarazione Ambientale” da me elaborata nel corso della esperienza avuta presso Edison Stoccaggio S.p.A. Gran parte del lavoro è stato volto all’analisi dei dati operativi dell’Organizzazione Edison Stoccaggio S.p.A. al fine di produrre una Dichiarazione Ambientale più dettagliata e particolareggiata possibile e che al contempo fornisca una chiara visione d’insieme di quelle che sono le attività e gli aspetti ambientali riguardanti i siti dell’Azienda. Sono stati esaminati nel dettaglio gli aspetti ambientali diretti e indiretti connessi all’utilizzo di risorse ed a potenziali influenze per l’ambiente esterno, formulando infine un programma ambientale contenente obbiettivi di miglioramento e conseguenti interventi da attuare allo scopo di ottenere i risultati prefissati. A conclusione del lavoro è stato inoltre presentato uno studio di fattibilità che prevede un analisi dei tempi necessari per l’ottenimento della certificazione e comprende i costi e gli interventi tecnici ritenuti necessari a seguito della visione dei documenti tecnico impiantistici, della conformità legislativa nonché dello stato attuale degli impianti.