Studio di fattibilità di una protesi di piede realizzata con fibra di carbonio a basso costo

Il mondo dei materiali compositi è in continua espansione, e sono sempre di più le aziende che richiedono componenti prodotti con questi materiali, uno dei quali è la fibra di carbonio. Tali aziende producono inevitabilmente scarti di lavorazione derivanti dal taglio di sagome dai fogli di fibra di carbonio; questi ritagli rappresentano ancora una buona materia prima, che, se ben conservata, può essere utilizzata per la fabbricazione di prodotti secondari. Così facendo sarà possibile ridurre il costo di smaltimento della fibra, e, al contempo, ottenere manufatti in fibra di carbonio a basso costo. È in questo contesto che rientra il lavoro e la ricerca di questo elaborato il cui obbiettivo è riutilizzare gli sfridi di lavorazione per realizzare protesi di piede a basso costo in fibra di carbonio. Un ulteriore attenzione è stata posta al metodo di fabbricazione della protesi, il quale deve risultare semplice da realizzare. Per questa ragione si è deciso che la pressione durante la cottura fosse da applicare per via meccanica, attraverso la presenza di uno stampo e di un controstampo, serrati tramite collegamenti bullonati. Nell’elaborato sarà descritto il lavoro svolto per l’ottenimento della forma e della disposizione degli strati di fibra di carbonio, basato su simulazione di modelli ad elementi finiti, che ha condotto alle migliori sagome e al miglior orientamento delle fibre negli strati di materiale composito. Sarà inoltre illustrato il metodo utilizzato per ottenere lo stampo, e le procedure da seguire per la realizzazione del prototipo di protesi. Saranno infine illustrati i risultati ottenuti dalle prove di caratterizzazione di due prototipi differenti, uno ottenuto con fibre intere, e uno realizzato con fibre corte.

Caratterizzazione tribologica e microstrutturale di acciai sottoposti a trattamenti duplex (trattamenti termochimici di diffusione seguiti da deposizione di rivestimenti in carbonio amorfo DLC)

Lo studio condotto in questa tesi ha lo scopo di esplorare possibili soluzioni alternative per aumentare la vita in esercizio di componenti per un contatto tribologico da strisciamento in motori idraulici. In particolare, per limitare l’usura e ridurre l’attrito fra i corpi a contatto, è stata presa in considerazione la deposizione di rivestimenti in carbonio amorfo idrogenato, appartenenti alla famiglia dei rivestimenti DLC (Diamond-Like Carbon), prodotti con tecnologia PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition), grazie alla collaborazione con la ditta STS srl presso la quale sono state prodotte ed in parte caratterizzate diverse tipologie di strati sottili a base carbonio-carbonio. Questa scelta è stata motivata dal fatto che i rivestimenti DLC combinano basso attrito ed alta resistenza ad usura, dato che l’elevata durezza (e resistenza ad usura) è data dalla presenza di un’elevata frazione di C ibridati sp3 (con struttura simil-diamante) fra loro interconnessi, mentre la tendenza al basso attrito contro la maggior parte degli antagonisti deriva dalla struttura lamellare (quindi a basso sforzo di taglio), tipica del C sp2 (simil-grafite), che permette lo scorrimento fra i piani basali. Nel corso del presente lavoro sono quindi stati presi in esame due gruppi di rivestimenti DLC, differenziati in base alla tipologia di interstrato impiegato per moderare le tensioni residue e migliorare l’adesione (CrN singolo strato o WC/C multistrato), depositati su acciaio 20MnV6 sottoposto preliminarmente a cementazione gassosa per ottenere una adeguata capacità di supporto del carico. Gli strati in esame sono stati caratterizzati dal punto di vista microstrutturale e meccanico (con prove sia di adesione e con prove di nanoindentazione). Successivamente, i materiali rivestiti sono stati sottoposti a prove tribologiche di laboratorio (block-on-ring) in condizioni di strisciamento non lubrificato, per effettuare una valutazione comparativa fra i rivestimenti ed identificare i meccanismi di usura prevalenti nelle diverse coppie tribologiche.

Studio dell'effetto di diverse condizioni di tostatura sulle proprieta fisico-chimiche e biochimiche di nocciole polacche (coryllus avellana l. Var. Katalonski)

In questo lavoro di tesi è stata valutata l’influenza della tostatura a diverse condizioni di tempo e temperatura sulle principali caratteristiche qualitative di nocciole polacche (Coryllus avellana L.) di varietà Kataloński. In particolare, le prove di tostatura sono state condotte a due differenti temperature, 130 e 160 °C, ognuna delle quali applicata rispettivamente per tre diversi tempi: 40, 50, 60 e 20, 25, 30 minuti. Al fine di definire le condizioni ottimali di tostatura, i campioni ottenuti sono stati sottoposti ad analisi colorimetrica (L*,a*,b*), dell’attività dell’acqua e del contenuto in acqua (%). Inoltre, per ottenere un quadro completo della qualità delle diverse nocciole tostate, è stato valutato anche il loro contenuto in composti bioattivi per mezzo della determinazione del contenuto in fenoli totali (metodo del Folin-Ciocalteu), dei singoli composti fenolici (HPLC-MS) e dell’attività antiossidante (metodo dell’ABTS·+). In seguito ad estrazione della frazione lipidica, è stato determinato anche il contenuto in tocoferoli (HPLC-FLD) e lo stato ossidativo delle nocciole tostate per mezzo dell’analisi del numero di perossidi. Infine è stato studiato anche l’effetto della tostatura sullo sviluppo di composti volatili (GC-MS), caratteristici dell’aroma tipico delle nocciole tostate. Questo studio rappresenta un importante screening di valutazione delle nocciole tostate a diversi tempi e temperature e mostra come la temperatura sia un parametro molto importante, con una forte influenza sulle caratteristiche compositive e sensoriali del prodotto finito. Sulla varietà Kataloński non sono presenti lavori in letteratura, questo studio quindi rappresenta una novità per quanto riguarda questa specifica varietà. Le numerose analisi svolte, poi, consentono un ampio quadro dei fenomeni che si verificano durante la tostatura.

Mammografia digitale: confronto tra qualità immagine in relazione alle curve di acquisizione dosimetriche

Il presente lavoro è stato svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria dell’Azienda USL della Romagna, Presidio Ospedaliero di Ravenna e consiste nella validazione del dato dosimetrico visualizzato su due apparecchiature per mammografia digitale e nel confronto tra qualità immagine di diverse curve di acquisizione in funzione della dose e della post-elaborazione. Presupposto per l’acquisizione delle immagini è stata la validazione del dato dosimetrico visualizzato sui mammografi, tramite misura diretta della dose in ingresso con strumentazione idonea, secondo protocolli standard e linee guida europee. A seguire, sono state effettuate prove di acquisizione delle immagini radiografiche su due diversi fantocci, contenenti inserti a diverso contrasto e risoluzione, ottenute in corrispondenza di tre curve dosimetriche e in funzione dei due livelli di post-elaborazione delle immagini grezze. Una volta verificati i vari passaggi si è proceduto con l’analisi qualitativa e quantitativa sulle immagini prodotte: la prima valutazione è stata eseguita su monitor di refertazione mammografica, mentre la seconda è stata effettuata calcolando il contrasto in relazione alla dose ghiandolare media. In particolare è stato studiato l’andamento del contrasto cambiando le modalità del software Premium View e lo spessore interposto tra la sorgente di raggi X ed il fantoccio, in modo da simulare mammelle con grandezze differenti.

Misura di adesione di film polimerici su tappi di sughero

L’industria enologica oggigiorno propone numerosi modi per sigillare le bottiglie in alternativa ai tappi di sughero: tappi sintetici, tappi a vite, tappi a corona. Tuttavia si conosce la preferenza del consumatore medio per il sughero. I motivi sono molteplici: il sughero restituisce un'immagine di qualità del vino, esprime la tradizione ed è un materiale vivo e naturale, così come il vino. La naturalità del sughero però comporta dei rischi. Ad esempio si stima in 10 miliardi di dollari a livello mondiale la perdita economica dovuta al "sentore di tappo" o "cork taint". Recenti ricerche attribuiscono la responsabilità di tale difetto a composti chimici che migrano dal sughero al vino. Innovazione e tradizione si sono incontrate nell'ideazione della "tecnologia a membrana" o "membrane technology". Essa consiste nell'isolare le teste dei tappi con delle pellicole multistrato per non far diffondere nel vino alcun tipo di agente contaminante. In questo studio si espone in dettaglio un metodo per misurare l'adesione di film multistrato polimerici – strato esterno in polietilene – su tappi di sughero monopezzo. I tappi già rivestiti sono stati forniti da un'azienda del settore senza alcuna specifica di fabbricazione. In particolare la fase di trazione è stata ideata in analogia alla prova meccanica nota come pull-off test, usata nell'ambito dell'ingegneria edile. La bontà dell'adesione è indagata dal punto di vista della fisica dei materiali. Per le misurazioni si è utilizzato il Dynamic Mechanical Analyser (DMA), modello Q800, che si trova presso il laboratorio CIRI-MAM ospitato dal Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna.

Studio di fattibilità di un ausilio di manipolazione per persone con deficit all'arto superiore

Partendo da uno studio preliminare riguardante le specifiche di progetto, è stato sviluppato un dispositivo di supporto statico atto all’ausilio di persone con deficit all’arto superiore. Il dispositivo è stato pensato per permettere il bloccaggio (sul piano o nello spazio) di una determinata categoria di oggetti, in modo da rendere possibile ai soggetti ai quali è indirizzato tutta una serie di mansioni, per loro altrimenti impossibili o comunque molto difficili da svolgere. Il dispositivo, completo di ogni sua parte, è stato disegnato al CAD, ne è stato spiegato il funzionamento qualitativo ed è stato sviluppato un modello matematico grazie al quale è possibile il calcolo di alcune variabili in gioco, in particolare del valore delle costanti elastiche delle molle presenti.

Sviluppo di nuovi combustibili mediante pirolisi catalitica di biomassa

Questa tesi ha riguardato lo studio di potenziali combustibili dalla pirolisi catalitica di varie tipologie di biomasse. Durante l’attività di laboratorio sono state condotte pirolisi intermedie e con zeolite di campioni di Arthrospira platensis (microalghe), residui della pesca, Ulva lactuca (macroalghe) e segatura di pino (Pinus sylvestris). Il cracking termico è stato condotto a 460 °C, con un reattore pirolitico da banco, e i vapori sono condensati in trappole fredde al termine del sistema. Nella pirolisi catalitica, i vapori prodotti nelle stesse condizioni sperimentali attraversano uno strato di catalizzatore (H-ZSM-5) dove subiscono il cracking. L’obiettivo principale di questo studio è la valutazione del processo di upgrading dei vapori di pirolisi per ottenere bio-oli arricchiti in idrocarburi. Dalle prove di pirolisi, catalitica e non, sono state raccolte frazioni solide e liquide, di cui sono state determinate le rese: biochar (solido), frazione liquida organica e acquosa e, nel caso delle pirolisi catalitiche, coke e una frazione volatile solubile in eptano. Delle frazioni organiche ed eptanica è stata caratterizzata la composizione elementare e mediante analisi GC-MS. Per le biomasse di partenza sono state effettuate analisi elementari, prossimali e degli acidi grassi totali. I risultati mostrano differenze sostanziali tra le frazioni organiche delle pirolisi e pirolisi catalitiche. Microalghe, macroalghe e residui della pesca contengono proteine che producono oli ricchi in composti azotati, mentre la segatura di pino produce oli ricchi in composti ossigenati derivati dalla lignina. In seguito al cracking catalitico si ha una diminuzione dei composti azotati e ossigenati e gli oli sono costituiti per la maggior parte da idrocarburi aromatici. L’olio da cracking catalitico ha una composizione simile a quella dei combustibili tradizionali, ma una migliore qualità di composizione del bio-olio comporta rese più basse. Il processo può presentare potenzialità solo per la trasformazione di biomasse di scarto.

Valutazione del comportamento di materiali compositi sottoposti ad impatti "near-edge"

I materiali compositi sono largamente utilizzati nel moderno campo ingegneristico e garantiscono una notevole riduzione di peso rispetto ai materiali classici, a parità di caratteristiche meccaniche. Le conoscenze su di essi tuttavia presentano ancora delle lacune: in particolare un aspetto critico di tali materiali è rappresentato dal loro comportamento successivo ad un impatto. Obiettivo della presente tesi è indagare tale problematica mediante la realizzazione di una campagna sperimentale innovativa. Verrà presentata una introduzione generale sui materiali compositi e sulla problematica dei danni da impatto e verrà descritta l'attrezzatura utilizzata per la realizzazione degli impatti, analizzando le problematiche riscontrate e le soluzioni trovate. Dopo un accenno ai Controlli Non Distruttivi effettuabili sui materiali compositi, verrà mostrata l'attrezzatura per la realizzazione di prove a compressione, analizzando le problematiche riscontrate e le soluzioni trovate. Saranno elencati i dati acquisiti durante le prove di impatto e di compressione e, infine, saranno illustrate le conclusioni del lavoro e i possibili sviluppi futuri.

Studio dell'innesco di frane rapide in un'area campione dell'Appennino Bolognese

Il lavoro di tesi ha preso spunto da un fenomeno franoso avvenuto a Porretta Terme (provincia di Bologna), nell’autunno 2008, a causa di abbondanti precipitazioni, in tale occasione si innescò una colata rapida di detriti che invase la strada statale n. 64 e lambì la ferrovia che collega l’Emilia Romagna e la Toscana. I detriti colpirono anche un’abitazione, senza per fortuna causare perdite umane ne danni ingenti, ma l’evento riscosse numerose attenzioni da parte della popolazione locale, preoccupata che fenomeni del genere potessero ripetersi anche in altre zone e senza alcun preavviso. L’evento allertò anche la Protezione Civile regionale che da subito si interessò all’applicazione di metodi in grado di prevedere la suscettività areale da frane di questo tipo. Metodi previsionali per colate rapide sono stati sviluppati negli ultimi anni in diverse università sia in Europa sia negli Stati Uniti d’America. Lo scopo è quello di prevedere le possibili zone di innesco e individuare le soglie di precipitazione critica in modo da realizzare carte di suscettività a scopo di pianificazione territoriale e mitigazione del rischio. Il lavoro, durato diversi mesi, è passato attraverso diverse fasi. In primis si è proceduto a sopralluoghi di campo al fine di inquadrare l’area oggetto di studio dal punto di vista geologico e geomorfologico. Successivamente è stata svolta una fase di campionamento sul terreno; tramite una trivella manuale sono stati effettuati numerosi carotaggi (circa 60) sparsi sull’intero versante oggetto di studio, al fine di ricavare un dato relativo allo spessore del suolo. Inoltre sono stati raccolti dei campioni di terreno, analizzati successivamente in laboratorio al fine di ricavarne le curve granulometriche e alcuni dati caratterizzanti. Terminata la fase sul terreno, si è provveduto ad effettuare le prove di laboratorio (curve granulometriche, limiti di Attemberg, etc). Grazie ai dati raccolti, è stato possibile applicare un modello previsionale di stabilità superficiale, TRIGRS 2.0 basato sull’infiltrazione in un mezzo non saturo di una precipitazione di durata finita. Particolare attenzione è stata rivolta ai metodi per la previsione dello spessore del suolo (Z Model, S Model, Sexp Model) e alla loro influenza nella suscettività da frana superficiale.

Caratterizzazione geologico tecnica di terreni limoso sabbiosi soggetti a colate detritiche.

Le frane superficiali sono degli eventi franosi che si innescano nelle maggior parte dei casi a causa delle forti pioggie. Se la coltre di terreno è costituita prevalentemente da terreni granulari la frana può involvere in colata di detrito. Per conoscere il meccanismo bisogna conoscere le caratteristiche del terreno coinvolto. Sono state effettuate prove di taglio e prove triassiali su un materiale prelevato da un versante soggetto a colate detritiche per investigare il comportamento che provaca questi eventi franosi.

Prove a fatica su provini differentemente accresciuti a partire da polvere d'acciaio

Lo scopo della prototipazione rapida è la realizzazione di prototipi destinati alle osservazioni al fine di migliorare il progetto in via di sviluppo. Tuttavia, negli ultimi anni si sta cercando di ottenere prototipi che siano già di per sé funzionali e quindi oggetti pronti all'uso. Soprattutto per i materiali metallici, si stanno sviluppando tecniche di prototipazione che tendono a diventare veri e propri processi tecnologici di produzione: una di queste è il processo DMLS (Direct Metal Laser Sintering). La tecnologia di Sinterizzazione Laser Selettiva dei Metalli (DMLS) si realizza attraverso un processo per addizione stratificata, in cui l’utilizzo di un laser ad alta densità di energia permette di fondere metalli in polvere, creando il modello o il prototipo tridimensionale. La tecnologia DMLS risulta estremamente innovativa ed offre la possibilità di sviluppare componenti con un grado di precisione elevato e un livello di dettaglio accurato. I vantaggi di questa tecnologia sono diversi, ma il più importante è l'estrema flessibilità di progetto in quanto si eliminano i vincoli di fabbricazione dettati dalle tecniche di produzione convenzionali basate sull'asportazione di truciolo, dando così piena libertà di design al progettista. Un esempio di applicazione di questa tecnologia è la costruzione di stampi per lo stampaggio ad iniezione: per poter migliorare il ciclo di produzione (in termini di tempo e quindi di denaro) è possibile creare canali di raffreddamento interni ottimizzati con forme e traiettorie diverse dalle tradizionali rettilinee ottenute per foratura. Dunque, associando questa tecnologia con i diversi materiali disponibili in commercio, è possibile costruire manufatti altamente customizzati e performanti a seconda delle varie esigenze. L’obiettivo di questo lavoro è stato quello di stimare e confrontare il limite di fatica per vita infinita di tre serie di provini, ottenuti mediante il processo innovativo DMLS, accresciuti secondo la direzione verticale, orizzontale ed inclinata a 45°; in particolare si è voluto osservare il comportamento dei provini in quest’ultimo caso, non essendoci informazioni precise in letteratura. La polvere di metallo utilizzata per la fabbricazione dei provini è il Maraging Steel, un acciaio dalle caratteristiche meccaniche eccezionali utilizzato soprattutto nel campo aereonautico.

Valutazione sperimentale della resistenza a taglio in temperatura di un adesivo epossidico

Questo lavoro ha lo scopo di definire l’influenza del rapporto di aspetto (ovvero il rapporto tra lunghezza del giunto e diametro di accoppiamento) sulla resistenza statica di un adesivo epossidico in temperatura. Sono state eseguite, dunque, prove di accoppiamento e di disaccoppiamento su "pin and collar" fabbricati secondo la norma ISO 10123. Il materiale scelto è l’acciaio con quattro diversi livelli di rapporto di aspetto. La tesi fornisce dettagli sulla procedura sperimentale e sulla metodologia di elaborazione dei risultati, che sono stati analizzati con metodi statistici. Lo studio mira ad evidenziare se il rapporto di aspetto ha un effetto significativo sulla resistenza a taglio dell’adesivo alla temperatura di 80°C e, in caso affermativo, a recuperare la relazione tra il rapporto di aspetto e la forza adesiva.

Valutazione sperimentale dell'influenza del rapporto lunghezza/diametro sulla resistenza di giunti incollati tramite adesivo anaerobico

I giunti ibridi sono impiegati in molte applicazioni meccaniche, avendo molti vantaggi, tra i quali quello di aumentare il carico trasferibile. Ci sono state ricerche in merito, le quali hanno valutato la dipendenza della resistenza a taglio di questi giunti rispetto a numerose variabili. Abbiamo poche informazioni, però, sulla dipendenza rispetto all'ER (Engagement Ratio, rapporto tra lunghezza e diametro di accoppiamento). Con questo lavoro la si vuole studiare nel caso di accoppiamenti con gioco in presenza di adesivo, considerando quattro livelli di ER. Per questo sono state effettuate prove di spiantaggio su pin e collar, dalle quali è risultata la presenza di una possibile dipendenza tra le due grandezze, seppur minima.

Modellazione di mesh tramite operatori booleani

Nella computer grafica, nell’ambito della modellazione geometrica, si fa uso delle operazioni booleane tra solidi per la manipolazione e la creazione di nuovi oggetti. Queste operazioni, quali unione, intersezione e differenza, vengono applicate alle superfici degli oggetti 3D esattamente come si fa su altri insiemi. In questo modo si riescono ad ottenere nuove forme complesse come combinazione delle altre, che sono in genere più semplici. Ciò che è stato realizzato in questo lavoro di tesi si colloca all’interno di un progetto preesistente, realizzato per consentire la manipolazione di modelli tridimensionali mediante l’utilizzo di operatori booleani: Mesh Glue. In questo lavoro, si è estesa la logica dell’applicazione degli operatori booleani, presente in Mesh Glue, per poter gestire anche scenari con mesh che presentano facce in tangenza. Inoltre, si è inserito Mesh Glue all’interno di un progetto più grande: Mesh Craft. Mesh Craft è un progetto che consiste in un ambiente di modellazione che utilizza come sistema di input il Leap Motion Controller, un dispositivo capace di identificare le dita di una mano e seguirne i movimenti con alta precisione.

Sviluppo di un nuovo prodotto per il coronamento e la chiusura di canalette di scolo

Sviluppo di una griglia di coronamento e chiusura di canalette di scolo carrabile, in conformità con la normativa europea di riferimento. Le metodologie utilizzate nel corso dello studio affrontato riguardano la comprensione delle regolamentazioni da rispettare, la scelta delle attrezzature adatte e la valutazione comparativa delle idee sviluppate con i prodotti che hanno motivato la tesi. Per ottenere una soluzione valida si è affrontato uno studio della normativa europea UNI EN 1433 che regola le certificazioni di questi particolari prodotti. Le griglie con classe di carico C 250 sono dedicate alla posizione bordo strada e devono superare severe prove di resistenza al carico per poter essere classificate in conformità con la norma europea. In un primo momento lo studio della normativa è servito dunque per comprendere le modalità con cui un prodotto viene testato. Per poter determinare la classe di carico il prodotto deve resistere ad un carico minimo calcolato in base alle dimensioni della superficie libera. Successivamente si è affrontata la scelta del materiale migliore da utilizzare in relazione a resistenza al carico, stampabilità e resa estetica. Questa fase ha visto impegnato il laboratorio qualità interno all’azienda. In questo ambiente diverse campionature di materiale sono state testate in base ai criteri esposti per giungere ad una scelta ottimale per lo scopo finale. Infine la parte principale dello studio ha riguardato l'analisi delle griglie della concorrenza e lo sviluppo di una struttura che risultasse migliorativa rispetto ai prodotti presentati dalle aziende concorrenti. In conclusione, tutti gli studi del presente elaborato sono volti alla ricerca di soluzioni innovative da produrre e immettere sul mercato con l’obiettivo di costituire un prodotto di punta nel settore di competenza.