Additive manufacturing: studio delle non conformità geometriche e dimensionali in componenti realizzati mediante tecnica fused deposition modelling

La fabbricazione additiva è una classe di metodi di fabbricazione in cui il componente viene costruito aggiungendo strati di materiale l’uno sull’altro, sino alla completa realizzazione dello stesso. Si tratta di un principio di fabbricazione sostanzialmente differente da quelli tradizionali attualmente utilizzati, che si avvalgono di utensili per sottrarre materiale da un semilavorato, sino a conferire all’oggetto la forma desiderata, mentre i processi additivi non richiedono l’utilizzo di utensili. Il termine più comunemente utilizzato per la fabbricazione additiva è prototipazione rapida. Il termine “prototipazione”’ viene utilizzato in quanto i processi additivi sono stati utilizzati inizialmente solo per la produzione di prototipi, tuttavia con l’evoluzione delle tecnologie additive questi processi sono sempre più in grado di realizzare componenti di elevata complessità risultando competitivi anche per volumi di produzione medio-alti. Il termine “rapida” viene invece utilizzato in quanto i processi additivi vengono eseguiti molto più velocemente rispetto ai processi di produzione convenzionali. La fabbricazione additiva offre diversi vantaggi dal punto di vista di: • velocità: questi processi “rapidi” hanno brevi tempi di fabbricazione. • realizzazione di parti complesse: con i processi additivi, la complessità del componente ha uno scarso effetto sui tempi di costruzione, contrariamente a quanto avviene nei processi tradizionali dove la realizzazione di parti complesse può richiedere anche settimane. • materiali: la fabbricazione additiva è caratterizzata dalla vasta gamma di materiali che può utilizzare per la costruzione di pezzi. Inoltre, in alcuni processi si possono costruire pezzi le cui parti sono di materiali diversi. • produzioni a basso volume: molti processi tradizionali non sono convenienti per le produzioni a basso volume a causa degli alti costi iniziali dovuti alla lavorazione con utensili e tempi di setup lunghi.

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".

Caratterizzazione microstrutturale e frattografica di componenti in acciaio 316L prodotti tramite Selective Laser Melting

Il Selective Laser Melting è un processo di additive manufacturing che consiste nella realizzazione di componenti metallici tridimensionali, sovrapponendo strati di polvere, che viene via via fusa mediante una sorgente controllata di energia (laser). È una tecnica produttiva che viene utilizzata da più di 20 anni ma solo ora sta assumendo un ruolo rilevante nell’industria. È un processo versatile ma complesso che ad oggi permette di processare solo un numero limitato di leghe. Il presente lavoro di tesi riguarda in particolare lo studio, dal punto di vista microstrutturale, di componenti in acciaio inossidabile austenitico AISI-316L processato mediante Selective Laser Melting, attività svolta in collaborazione con il Gruppo di Tecnologia – Laser del Dipartimento di Ingegneria Industriale. Alla base dell’attività sperimentale è stata svolta anche un’ampia ricerca bibliografica per chiarire lo stato dell’arte sul processo e sulla lega in questione, la microstruttura, i difetti, le proprietà meccaniche e l’effetto dei parametri di processo sul componente finito. Le attività sperimentali hanno previsto una prima fase di caratterizzazione delle polveri di 316L, successivamente la caratterizzazione dei campioni prodotti tramite selective laser melting, in termini di microstruttura e difetti correlati al processo. Le analisi hanno rivelato la presenza di una microstruttura “gerarchica” costituita da melt pool, grani e celle submicrometriche. I difetti rinvenuti sono pori, delaminazione degli strati, particelle di polvere non fuse. Infine è stata eseguita la caratterizzazione frattografica dei campioni sottoposti a prove di trazione e di fatica a flessione rotante (attività condotte dal gruppo Laser) per identificare la morfologia di frattura e i siti di innesco della cricca di fatica.

Ottimizzazione mediante codici di calcolo open source di componenti per il settore aerospaziale

Lo scopo della presente tesi è sviluppare un ambiente per l'ottimizzazione strutturale di componenti per applicazione aerospaziale utilizzando codici open-source. In particolare, il codice Salome viene utilizzato per il disegno automatico delle strutture, il programma Code Aster permette di effettuare l'analisi agli elementi finiti del componente, mentre Octave viene utilizzato per svolgere l'ottimizzazione basata su un algoritmo euristico e per integrare fra di loro i differenti codici. Le tecniche di ottimizzazione dei componenti stanno rivestendo sempre più importanza visto che le moderne tecniche di Additive Manufacturing permettono di realizzare strutture molto complesse che un tempo non era conveniente (o possibile) realizzare con asportazione di materiale. Nella prima parte della tesi si descrivono gli strumenti software utilizzati e la loro integrazione al fine di parametrizzare la generazione di geometrie ed effettuare in modo automatico analisi strutturali. Successivamente si descrivono tre casi di studio in cui la metodologia è stata sperimentata: un primo caso di validazione in cui si è applicato il metodo alla definizione della geometria di minimo peso per una trave a sbalzo con carico concentrato, un secondo test di ottimizzazione di un longherone per aeromobile, un terzo caso applicativo legato alla ottimizzazione di un serbatoio per fluidi in pressione da utilizzare su un satellite.