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.

Game Design & Programming: progettazione e sviluppo di un videogioco 3D con Unity

Questa Tesi prende in esame tutte le fasi che portano alla realizzazione di un generico videogioco applicandole per creare, dal principio, un gioco 3D con Unity. Se ne analizzerà l'ideazione, la progettazione degli ambienti ma anche degli algoritmi implementati, la produzione e quindi la scrittura del codice per poi terminare con i test effettuati.

Development and application of a thermo-hydraulic model supporting the design and the deterministic safety analysis in a sodium cooled fast reactor

Il CP-ESFR è un progetto integrato di cooperazione europeo sui reattori a sodio SFR realizzato sotto il programma quadro EURATOM 7, che unisce il contributo di venticinque partner europei. Il CP-ESFR ha l'ambizione di contribuire all'istituzione di una "solida base scientifica e tecnica per il reattore veloce refrigerato a sodio, al fine di accelerare gli sviluppi pratici per la gestione sicura dei rifiuti radioattivi a lunga vita, per migliorare le prestazioni di sicurezza, l'efficienza delle risorse e il costo-efficacia di energia nucleare al fine di garantire un sistema solido e socialmente accettabile di protezione della popolazione e dell'ambiente contro gli effetti delle radiazioni ionizzanti. " La presente tesi di laurea è un contributo allo sviluppo di modelli e metodi, basati sull’uso di codici termo-idraulici di sistema, per l’ analisi di sicurezza di reattori di IV Generazione refrigerati a metallo liquido. L'attività è stata svolta nell'ambito del progetto FP-7 PELGRIMM ed in sinergia con l’Accordo di Programma MSE-ENEA(PAR-2013). Il progetto FP7 PELGRIMM ha come obbiettivo lo sviluppo di combustibili contenenti attinidi minori 1. attraverso lo studio di due diverse forme: pellet (oggetto della presente tesi) e spherepac 2. valutandone l’impatto sul progetto del reattore CP-ESFR. La tesi propone lo sviluppo di un modello termoidraulico di sistema dei circuiti primario e intermedio del reattore con il codice RELAP5-3D© (INL, US). Tale codice, qualificato per il licenziamento dei reattori nucleari ad acqua, è stato utilizzato per valutare come variano i parametri del core del reattore rilevanti per la sicurezza (es. temperatura di camicia e di centro combustibile, temperatura del fluido refrigerante, etc.), quando il combustibile venga impiegato per “bruciare” gli attinidi minori (isotopi radioattivi a lunga vita contenuti nelle scorie nucleari). Questo ha comportato, una fase di training sul codice, sui suoi modelli e sulle sue capacità. Successivamente, lo sviluppo della nodalizzazione dell’impianto CP-ESFR, la sua qualifica, e l’analisi dei risultati ottenuti al variare della configurazione del core, del bruciamento e del tipo di combustibile impiegato (i.e. diverso arricchimento di attinidi minori). Il testo è suddiviso in sei sezioni. La prima fornisce un’introduzione allo sviluppo tecnologico dei reattori veloci, evidenzia l’ambito in cui è stata svolta questa tesi e ne definisce obbiettivi e struttura. Nella seconda sezione, viene descritto l’impianto del CP-ESFR con attenzione alla configurazione del nocciolo e al sistema primario. La terza sezione introduce il codice di sistema termico-idraulico utilizzato per le analisi e il modello sviluppato per riprodurre l’impianto. Nella sezione quattro vengono descritti: i test e le verifiche effettuate per valutare le prestazioni del modello, la qualifica della nodalizzazione, i principali modelli e le correlazioni più rilevanti per la simulazione e le configurazioni del core considerate per l’analisi dei risultati. I risultati ottenuti relativamente ai parametri di sicurezza del nocciolo in condizioni di normale funzionamento e per un transitorio selezionato sono descritti nella quinta sezione. Infine, sono riportate le conclusioni dell’attività.

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".

Energy harvesting from piezoelectric devices embedded in a 3D printed wing

This thesis work has been carried out at Clarkson University in Potsdam NY, USA and involved the design of a low elongation wing, consisting of parts made by polylactide (PLA) using the fused deposition model (FDM) technology of Rapid Prototyping, then assembled together in a thin aluminum spar. The aim of the research is to evaluate the feasibility of collecting electrical energy by converting mechanical energy from the vibration of the wing flutter. With this aim piezoelectric stripes were glued in the inner part of the wing, as well as on the aluminum spar, as monomorphic configuration. During the phases of the project, particular attention was given to the geometry and the materials used, in order to trigger the flutter for low flow velocity. The CAD software SolidWorks® was used for the design of the wing and then the drawings were sent to the Clarkson machine shop in order to to produce the parts required by the wing assembly. FEM simulations were performed, using software MSC NASTRAN/PATRAN®, to evaluate the stiffness of the whole wing as well as the natural vibration modes of the structure. These data, in a first approximation, were used to predict the flutter speed. Finally, experimental tests in the Clarkson wind tunnel facility were carried out in order to validate the results obtained from FEM analysis. The power collected by the piezoelectrics under flutter condition was addressed by tuning the resistors downstream the electronic circuit of the piezoelectrics.

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

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

Il Vestibolo di Piazza d'Oro - Rilievi per la modellazione 3D ed il texturing

Il caso studio del vestibolo ottagonale di Villa Adriana ha dato la possibilità di applicare ad un edificio di notevole valore storico e artistico tecniche di restituzione digitale e di modellazione tridimensionale basate su applicativi di modellazione geometrica, con lo scopo di generarne il modello 3D digitale fotorealistico e polifunzionale. Nel caso specifico del vestibolo, un modello tridimensionale di questo tipo risulta utile a fini documentativi, a sostegno di ipotesi costruttive e come strumento per la valutazione di interventi di restauro. Il percorso intrapreso ha permesso di valutare le criticità nelle tecniche di acquisizione, modellazione e foto-modellazione tridimensionale applicate in ambito archeologico, tecniche usate abitualmente anche in settori quali l’architettura, il design industriale ma anche nel cinema (effetti speciali e film d’animazione) e in ambito videoludico, con obiettivi differenti: nel settore del design e della progettazione industriale il Reverse Modeling viene impiegato per eseguire controlli di qualità e rispetto delle tolleranze sul prodotto finale, mentre in ambito cinematografico e videoludico (in combinazione con altri software) permette la creazione di modelli realistici da inserire all’interno di film o videogiochi, (modelli non solo di oggetti ma anche di persone). La generazione di un modello tridimensionale ottenuto tramite Reverse Modeling è frutto di un processo opposto alla progettazione e può avvenire secondo diverse strategie, ognuna delle quali presenta vantaggi e svantaggi specifici che la rendono più indicata in alcuni casi piuttosto che in altri. In questo studio sono state analizzate acquisizioni tridimensionali effettuate tramite Laser Scan e tramite applicazioni Structure from Motion/Dense Stereo View.

What Bees Want: Algorithm-Aided Design di un'arnia progettata per le api e realizzata in Additive Manufacturing

L’importanza delle api per la vita sulla Terra ed il rischio alle quali sono sottoposte per via dell’azione dell’uomo sono ormai un dato di fatto. La concezione antropocentrica della natura e l’allevamento al solo fine produttivo di questi piccoli insetti, ha da sempre danneggiato il loro habitat e interferito con i loro cicli biologici. L’apicoltura, nata come un rapporto mutualistico in cui l’uomo offriva un rifugio alle api e loro in cambio provvedevano al suo nutrimento, si è trasformato in una dannosa dipendenza ed in un assoggettamento di questi insetti ai ritmi artificiali e tutt’altro che naturali della produzione rapida e seriale volta all’ottenimento di un profitto. Un’evidente prova di questa condizione, sono i rifugi per le api, le arnie. Ci siamo mai chiesti perché le arnie hanno questa forma? È quella che preferiscono le api, o quella che rende più pratici e veloci processi di costruzione, gestione e produzione? In natura le api colonizzano cavità quali tronchi cavi di alberi, forme lontane, per non dire diametralmente opposte a quelle in cui le vediamo vivere negli allevamenti. In questa ottica, il design e le nuove tecnologie, poste al servizio della Natura, conducono ad un punto di incontro tra le esigenze umane e quelle degli altri esseri viventi, delle api in questo caso. I concetti di Additive Manufacturing e Design Computazionale, permettono processi di produzione simili a quelli evolutivi naturali e trovano per questa motivazione un’applicazione ideale per progetti che si pongono come fine quello di discostarsi da una visione troppo artificiale, per riavvicinarsi alla perfezione e all’armonia delle leggi della Natura.

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

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

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.

Computational design of a new type of sandwich cross-section for a defined solution of a tree-like column produced by wire-and-arc additive manufacturing

When it comes to designing a structure, architects and engineers want to join forces in order to create and build the most beautiful and efficient building. From finding new shapes and forms to optimizing the stability and the resistance, there is a constant link to be made between both professions. In architecture, there has always been a particular interest in creating new shapes and types of a structure inspired by many different fields, one of them being nature itself. In engineering, the selection of optimum has always dictated the way of thinking and designing structures. This mindset led through studies to the current best practices in construction. However, both disciplines were limited by the traditional manufacturing constraints at a certain point. Over the last decades, much progress was made from a technological point of view, allowing to go beyond today's manufacturing constraints. With the emergence of Wire-and-Arc Additive Manufacturing (WAAM) combined with Algorithmic-Aided Design (AAD), architects and engineers are offered new opportunities to merge architectural beauty and structural efficiency. Both technologies allow for exploring and building unusual and complex structural shapes in addition to a reduction of costs and environmental impacts. Through this study, the author wants to make use of previously mentioned technologies and assess their potential, first to design an aesthetically appreciated tree-like column with the idea of secondly proposing a new type of standardized and optimized sandwich cross-section to the construction industry. Parametric algorithms to model the dendriform column and the new sandwich cross-section are developed and presented in detail. A catalog draft of the latter and methods to establish it are then proposed and discussed. Finally, the buckling behavior of this latter is assessed considering standard steel and WAAM material properties.

Design e produzione mediante tecniche additive di un tutore ortopedico per aumentare comfort e sicurezza durante il trattamento oncoematologico

Il progetto si presenta come un miglioramento di una particolare terapia sanitaria, dove la maggior parte dei pazienti, soprattutto quelli in un’età delicata, possono avvertire determinati problemi fisici o psicologici. La terapia in questione è la Chemioterapia, che consiste nella somministrazione di una o più sostanze capaci di aggredire le cellule tumorali che si moltiplicano grazie a una fleboclisi, ovvero una procedura che è in grado di somministrare via endovenosa una sostanza come il trattamento appena citato, sfruttando alcune vene solide del braccio come la Basilica. Grazie a un’esperienza personale, pareri (dottoressa Antonella Sau) e coinvolgimenti di altri pazienti dell’associazione AGBE che hanno avuto un problema simile, è stato possibile progettare e inventare un tutore polimerico ad alta compatibilità dermatologica, in grado di immobilizzare l’arto usato nella terapia regalando una maggiore comodità e stabilità sia della fleboclisi che del braccio stesso. Inizialmente il tutore sarà ideato prendendo specifiche misure dell’avambraccio/gomito del singolo paziente, per poi stamparlo in 3D e portarlo ad effettuare i cicli somministrati per combattere la malattia. A fine di tutto, il paziente avrà sostenuto una cura delicata come la Chemioterapia con un maggiore comfort, maggiore stabilità psicologica e soprattutto meno complicanze come stravaso, infezioni varie, fuoriuscite di sostante chemioterapeutiche, gonfiori, depressione e irritazioni endovenose.

Design, fabrication and mechanical characterization of a structural node made using Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) technology

Additive Manufacturing (AM), also known as “3D printing”, is a recent production technique that allows the creation of three-dimensional elements by depositing multiple layers of material. This technology is widely used in various industrial sectors, such as automotive, aerospace and aviation. With AM, it is possible to produce particularly complex elements for which traditional techniques cannot be used. These technologies are not yet widespread in the civil engineering sector, which is slowly changing thanks to the advantages of AM, such as the possibility of realizing elements without geometric restrictions, with less material usage and a higher efficiency, in particular employing Wire-and-Arc Additive Manufacturing (WAAM) technology. Buildings that benefit most from AM are all those structures designed using form-finding and free-form techniques. These include gridshells, where joints are the most critical and difficult elements to design, as the overall behaviour of the structure depends on them. It must also be considered that, during the design, the engineer must try to minimize the structure's own weight. Self-weight reductions can be achieved by Topological Optimization (TO) of the joint itself, which generates complex geometries that could not be made using traditional techniques. To sum up, weight reductions through TO combined with AM allow for several potential benefits, including economic ones. In this thesis, the roof of the British Museum is considered as a case study, analysing the gridshell structure of which a joint will be chosen to be designed and manufactured, using TO and WAAM techniques. Then, the designed joint will be studied in order to understand its structural behaviour in terms of stiffness and strength. Finally, a printing test will be performed to assess the production feasibility using WAAM technology. The computational design and fabrication stages were carried out at Technische Universität Braunschweig in Germany.

Calibration of design strength values of Wire and Arc Additive Manufacturing inclined bars and intersections

Although being studied only for few years, Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) will become the predominant way of producing stainless-steel elements in a near-like future. The analysis and study of such elements has yet to be defined in a proper way, but the projects regarding this subject are innovating more and more thanks to the findings discovered by the latter. This thesis is focused on an initial stage on the analysis of mechanical and geometrical properties of such stainless-steel elements produced by MX3D laboratories in Amsterdam, and to perform a calibration of the design strength values by means of Annex D of Eurocode 0, which talks about the analysis of the semi-probabilistic safety factors, hence the definition of characteristic values. Moreover, after testing the stainless-steel specimens by means of strain gauges and after obtaining mechanical and geometrical properties, a statistical analysis of such properties and an evaluation of characteristic values is performed. After this, there is to execute the calibration of design strength values of WAAM inclined bars and intersections.

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.