Studio e Realizzazione del Modello RVE (Representative Volume Element) per componenti polimerici realizzati in stampa 3D FDM

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Gli attuali metodi di analisi agli elementi finiti (FEM) e le tecnologie CAE (Computer-Aided Engineering) non sono in grado di studiare modelli 3D di componenti stampati, dal momento che il risultato finale dipende dai parametri di processo e ambientali. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito della meso struttura del componente stampato per estendere l’analisi FEM anche a questa tipologia di componenti. Lo scopo del lavoro proposto è di creare un elemento omogeneo che rappresenti accuratamente il comportamento di un componente realizzato in stampa 3D FDM, questo avviene attraverso la definizione e l’analisi di un volume rappresentativo (RVE). Attraverso la tecnica dell’omogeneizzazione, il volume definito riassume le principali caratteristiche meccaniche della struttura stampata, permettendo nuove analisi e ottimizzazioni. Questo approccio permette di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predire le proprietà meccaniche dei componenti a partire da determinati parametri di stampa, permettendo così alla tecnologia FDM di diventare sempre di più uno dei principali processi industriali a basso costo.

Studio e analisi termo-strutturale di modelli stampati 3D FDM per materiali polimerici

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Le tempistiche e le richieste industriali obbligano sempre di più i progettisti ad uno studio predittivo delle problematiche che si possono incontrare in fare produttiva. In ambito strutturale questo è già da diversi anni la norma per componenti realizzati con tecnologia tradizionale. In ambito termico, invece, si procede ancora troppo spesso per tentativi seguendo l’esperienza del singolo. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito e un metodo per caratterizzare i transitori termici. Per fare ciò è necessario introdurre un modello semplificativo attraverso l’uso su un provino cilindrico. Questa semplice geometria permette di mettere in relazione la soluzione analitica, la soluzione approssimata agli elementi finiti e la soluzione sperimentale. Una volta ottenuti questi risultati sarà poi possibile, mantenendo invariati il ciclo termico e le caratteristiche termo-strutturali del materiale, modificare a piacimento la geometria per analizzare un qualsiasi componente. Questo approccio permette quindi di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predirne i gradienti termici e le deformazioni a partire dalle caratteristiche del materiale, della geometria e del ciclo termico a cui sono sottoposti. Permettendo così di valutare in modo preventivo e predittivo problematiche di stabilità geometrica e strutturale.

Studio e design di una molla elicoidale in materiale composito utilizzando tecnologie FDM

Al giorno d'oggi le molle in commercio più utilizzate sono sicuramente quelle in acciaio, ciò è dovuto al fatto che la loro realizzazione è sicuramente la più semplice, in quanto si può automatizzare, ed economica. In applicazioni speciali però non ci si limita al solo utilizzo di molle in acciaio ma da tempo si sono trovate soluzioni alternative quali per esempio le molle in titanio che permettono di avere una riduzione di peso notevole a parità di caratteristiche meccaniche con il particolare svantaggio del costo molto elevato che richiedono per la loro realizzazione. Negli ultimi anni però, sopratutto nell'ambito dei veicoli leggeri, si è cercato di creare molle ancora più leggere utilizzando materiali composito: ciò si è reso necessario, ad esempio nel caso dell'automotive, in quanto la riduzione di peso dei componenti utilizzati genera un effetto benefico sui consumi delle vetture e quindi anche sulle loro emissioni, fattore che sta diventando sempre più importante in virtù delle politiche addottate atte alla riduzione di inquinanti emessi in atmosfera. Le molle in composito più utilizzate sono sicuramente quelle in fibra di vetro, più semplici da realizzare ma diversi studi dimostrano come la fibra di carbonio sia più efficiente dal punto di vista delle proprietà meccaniche. In questo elaborato quindi si va a studiare una soluzione alternativa alle molle in acciaio tradizionali e alle molle in titanio andando a studiare una molla in composito con fibra di carbonio, partendo dal dimensionamento della stessa fino a proporre un metodo di realizzazione della stessa.

Analisi di industrializzazione e incremento prestazionale di un magazzino utensili automatico per macchine per lavorazioni del legno

La presenza di un magazzino utensili automatico è, al giorno d’oggi, un “must” per qualsiasi centro di lavoro a controllo numerico, in qualunque settore di applicazione, compreso il mondo delle macchine per la lavorazione del legno. Tali dispositivi influenzano in modo importante la produttività e la flessibilità delle macchine su cui vengono installati. In un mercato altamente competitivo e costantemente alla ricerca dell’eccellenza prestazionale, risulta fondamentale offrire soluzioni sempre aggiornate e innovative, senza perdere di vista il target di costo prefissato. Obiettivo di questa tesi è analizzare in ogni suo aspetto un processo di sviluppo di un magazzino utensili automatico a catena di nuova concezione di produzione del Gruppo SCM, destinato a centri di lavoro CNC per la lavorazione del legno. Tale sviluppo è finalizzato a ottenere un prodotto che vada ad ampliare l’offerta e ad incrementare le prestazioni rispetto alle soluzioni attualmente in listino. L’intera trattazione è frutto della collaborazione con l’ufficio tecnico SCM con sede a Rimini. Inizialmente sono descritte la tipologia e la gamma delle macchine su cui viene installato il magazzino, oggetto di questa tesi. Segue una descrizione dell’analisi concettuale da cui nascono i parametri e i principi guida dell’intero sviluppo. Nel terzo capitolo è presentata l’attuale soluzione proposta da SCM, in termini di struttura e di prestazioni, e nel quarto è esposta l’analisi funzionale dei costi dell’attuale soluzione e il raggiungimento del costo obiettivo della soluzione ridotta. Nel quinto capitolo è presentata la caratterizzazione dello stato dell’arte della pinza d’afferraggio utensili e il processo di sviluppo d’incremento prestazionale.

Analisi della correlazione tra i parametri di processo e le prestazioni dei materiali polimerici ottenuti tramite fused deposition modeling

Questa tesi si propone di realizzare una caratterizzazione del polimero ABS ottenuto con tecnica Fused Deposition Modeling in modo da ottenere dati utili alla realizzazione di parti strutturali tramite rapid prototyping.

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.

Preparazione e caratterizzazione di nuovi nanocompositi elastomerici mediante stampa 3D

Il presente lavoro di tesi si è incentrato sulla preparazione e caratterizzazione di manufatti elastomerici mediante Additive Manufacturing, sfruttabili per l'abbigliamento sportivo. Sono stati studiati diversi parametri di stampa, tra cui la geometria di riempimento, angoli di deposizione, infill e velocità di stampa, al fine di ottenere prestazioni ottimizzate confrontabili con materiali convenzionali. Inoltre sono state utilizzate per lo scopo diverse matrici elastomeriche caratterizzate da differente durezza Shore A. Le proprietà termiche dei manufatti stampati sono state studiate attraverso analisi TGA e DSC. Invece, le prestazioni meccaniche sono state analizzate attraverso DMA, prove di trazione e prove di compressione/espansione. Infine, è stato sviluppato un materiale innovativo nanocomposito al fine di ampliare il campo di utilizzo della FDM. Il materiale è stato caratterizzato tramite le classiche tecniche di analisi termiche e meccaniche.

Produzione di un filamento a base di acido polilattico additivato con rinforzo di origine naturale per additive manufacturing

Scopo dell'elaborato è stato la produzione di un materiale bio-composito formato da PLA ed un rinforzo di origine naturale derivante dal settore agricolo, nell'ottica di diminuire i costi dei manufatti costituiti da tale materiale, riducendo il contenuto di PLA, e rivalorizzare lo scarto di farine in applicazioni di stampa 3D. Inizialmente le farine sono state studiate mediante analisi spettroscopiche (FT-ATR), osservazioni al microscopio ottico e analisi TGA. Dopodiché sono stati prodotti filamenti per stampa 3D di materiale composito al 10% e caratterizzati termicamente (DSC, TGA, Cp) e meccanicamente (DMA). Successivamente alla stampa 3D di questi filamenti, sono stati analizzati comportamenti termici (CTE, DSC) e meccanici (prove di trazione, DMA) dei provini stampati. Si è infine valutata l'influenza del trattamento termico di ricottura sui provini stampati mediante analisi DSC e DMA.

Studio di compositi per stampa 3D a matrice termoplastica rinforzati con fibre di carbonio riciclate

In questo lavoro di tirocinio si sono caratterizzati compositi a matrice termoplastica rinforzati con fibre di carbonio. Le fibre di carbonio impiegate per le differenti formulazioni sono fibre vergini e fibre ottenute tramite un processo di piro-gassificazione di compositi di scarto, quindi riciclate. Questo progetto di ricerca ha come obiettivo quello di validare l’utilizzo delle fibre di carbonio riciclate, per l’ottenimento di compositi per stampa 3D, andando a confrontare le proprietà dei compositi con fibre vergini. Come matrici termoplastiche si è scelto di utilizzare l’acido polilattico (PLA) che è uno dei materiali più comunemente impiegati per la stampa 3D, e polipropilene (PP) che essendo facilmente riciclabile potrebbe portare alla formulazione di un materiale composito interamente da riciclo. Le proprietà termiche sono state determinate mediante analisi DSC e TGA ed è stato determinato il CTE dei materiali. Le proprietà meccaniche sono state analizzate attraverso DMA e prove di trazione.

Vibro-acoustic analysis of additively manufactured acoustic metamaterials

In the last decade it emerged the interest in new types of acoustic insulating materials, called acoustic metamaterials. These materials are composed by a host and inclusions and are arranged periodically or non-periodically in sub-wavelength elements called meta-atoms. Their inclusions and internal geometries can be manipulated to tailor the acoustic properties, reducing weight, and increasing at the same time their efficiency. Thanks to the high absorbing characteristics that they can achieve, their usage is of particularly interest as material of the core in sandwich panels of aerospace structures to reduce vibrations and noise inside passengers aircraft’s cabin. In addition, since the low frequency signals are difficult to be damped with conventional materials, their usage can guarantee a high transmission loss at low frequencies, obtaining a positive benefit on passengers’ comfort. The performances and efficiency of these materials are enhanced thanks to the new additive manufacturing techniques opposed to the conventional ones uncapable to pro- duce such complex internal geometries. The aim of this work is to study, produce and redesign micro-perforated sandwich panels of a literature case study to achieve high performances in the low frequency range, e.g., below 2000 Hz. Some geometrical parameters, such as perforation ratio and diameter of holes, were considered to realize different models and see the differences in the sound transmission loss. The models were produced by means of Fused Deposition Modelling using an Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS Plus p430) material on a commercial additive manufacturing system. Finally, the frequency response analysis was carried out with Mul2 software, based on the Carrera’s Unified Formulation (CUF) to understand the acoustic and structural properties of the material employed, analyzing the plates’ displacements and the TL results.

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.

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.

Benchmarking di sistemi di additive manufacturing in termini di precisione di forma con ispirazione al sistema GD&T

Questo studio si pone come obiettivo lo sviluppo e la sperimentazione di un metodo per eseguire un benchmarking di due diversi sistemi di Additive Manufacturing mediante macchina di misura a coordinate Renishaw Cyclone. In particolare sono valutate le prestazioni in termini di precisione di forma di un sistema di tipo FDM e di uno di tipo PolyJet al fine di ottenere dati indicanti le potenzialità di queste due tecnologie per parti di piccole dimensioni. Dopo un’introduzione generale sull’Additive Manufacturing, si scende nei dettagli delle due tecniche oggetto dello studio e si discute di come strutturare il piano sperimentale in funzione degli obiettivi dell’attività e dei metodi scelti per l’acquisizione e la valutazione dei dati. Si parte, infatti, con la fabbricazione di un modello di benchmark, le cui geometrie vengono poi rilevate tramite una macchina di misura a coordinate per ottenere i valori di precisione di forma, che sono presentati come tolleranze geometriche del sistema GD&T. Successivamente, si descrivono tutte le fasi dell’attività sperimentale, iniziando con l’ideazione del modello di benchmark e proseguendo con i processi di fabbricazione e misurazione, per poi arrivare alla deduzione dei valori di precisione di forma tramite un post-processing dei dati. Infine, si presentano i valori di tolleranza ottenuti e si traggono le conclusioni riguardo la riuscita dell’attività sperimentale e il confronto tra le due tecnologie di Additive Manufacturing.

Jeans modeling of massive early-type galaxies with observed stellar kinematic profiles up to 2-3 effective radii

A recent integral-field spectroscopic (IFS) survey, the MASSIVE survey (Ma et al. 2014), observed the 116 most massive (MK < −25.3 mag, stellar mass M∗ > 10^11.6 M⊙) early-type galaxies (ETGs) within 108 Mpc, out to radii as large as 40 kpc, that correspond to ∼ 2 − 3 effective radii (Re). One of the major findings of the MASSIVE survey is that the galaxy sample is split nearly equally among three groups showing three different velocity dispersion profiles σ(R) outer of a radius ∼ 5 kpc (falling, flat and rising with radius). The purpose of this thesis is to model the kinematic profiles of six ETGs included in the MASSIVE survey and representative of the three observed σ(R) shapes, with the aim of investigating their dynamical structure. Models for the chosen galaxies are built using the numerical code JASMINE (Posacki, Pellegrini, and Ciotti 2013). The code produces models of axisymmetric galaxies, based on the solution of the Jeans equations for a multicomponent gravitational potential (supermassive black hole, stars and dark matter halo). With the aim of having a good agreement between the kinematics obtained from the Jeans equations, and the observed σ and rotation velocity V of MASSIVE (Veale et al. 2016, 2018), I derived constraints on the dark matter distribution and orbital anisotropy. This work suggests a trend of the dark matter amount and distribution with the shape of the velocity dispersion profiles in the outer regions: the models of galaxies with flat or rising velocity dispersion profiles show higher dark matter fractions fDM both within 1 Re and 5 Re. Orbital anisotropy alone cannot account for the different observed trends of σ(R) and has a minor effect compared to variations of the mass profile. Galaxies with similar stellar mass M∗ that show different velocity dispersion profiles (from falling to rising) are successfully modelled with a variation of the halo mass Mh.