Design and prototyping of electronic PCBs for the study of the atmosphere in harsh environmental conditions

Progettazione, test e creazione di schede elettroniche per lo studio dell'atmosfera in condizioni ambientali difficili.

Modellazione CAD e ricostruzione virtuale di autobus pubblicitario d'epoca

L’oggetto della presente tesi è sviluppare la ricostruzione virtuale di un autobus pubblicitario progettato negli anni 50, un simbolo del design italiano legato allo sviluppo industriale del secondo dopoguerra. La tesi si sviluppa inizialmente con un’attività di ricerca e documentazione legata all'autobus, con particolare attenzione alla raccolta di immagini e disegni progettuali d’epoca, punto di partenza per la ricostruzione virtuale del mezzo. Si procede quindi alla modellazione CAD della carrozzeria cercando di replicare in modo quanto più dettagliato l’originale. Dal modello ottenuto, sono stati ricavati due prototipi di diverse dimensioni e materiali: un primo di dimensioni ridotte, realizzato tramite la tecnica del rapid prototyping, ed un secondo di dimensioni maggiori, in ureol fresato. Successivamente si procede ad uno studio preliminare di ricostruzione del mezzo con lo scopo di analizzare le principali problematiche di un’eventuale futura costruzione e messa in strada del mezzo. Tale studio parte dalla normativa vigente sulla costruzione e sulle norme di circolazione degli autobus, comprendente sia le leggi italiane sia comunitarie, riguardanti le caratteristiche dimensionali, prestazionali e di sicurezza che qualsiasi autobus con licenza di circolazione deve rispettare. Quindi verrà compiuta la scelta del telaio base da utilizzare tra quelli proposti dai maggiori costruttori europei e verrà realizzato il modello CAD anche del telaio con l’obiettivo di collegarlo alla carrozzeria e ottenere così il modello completo in tutte le sue parti. Per realizzare la scocca, verranno prese in esame le soluzioni costruttive più utilizzate dai progettisti di autobus, e viene svolto un breve studio riguardo i materiali utilizzabili a tale scopo. Sulla base di tali considerazioni si procederà alla modellazione della stessa. In ultimo si procede ad un preliminare studio fluidodinamico attraverso l’analisi CFD, e ad un preliminare studio del comportamento meccanico della struttura reticolare che sostiene la carrozzeria.

Magnetic actuators for nanosatellite attitude control

The research and the activities presented in the following thesis report have been led at the California Polytechnic State University (US) under the supervision of Prof. Jordi Puig Suari. The objective of the research has been the study of magnetic actuators for nanosatellite attitude control, called magnetorquer. Theese actuators are generally divided in three different kinds: air core torquer, embedded coil and torquerod. In a first phase of the activity, each technology has been analyzed, defining advantages and disadvantages, determining manufacturing procedures and creating mathematical model and designing equation. Dimensioning tools have been then implemented in numerical software to create an instrument that permits to determine the optimal configuration for defined requirements and constraints. In a second phase of the activities the models created have been validated exploiting prototypes and proper instruments for measurements. The instruments and the material exploited for experiments and prototyping have been provided by the PolySat and CubeSat laboratories. The results obtained led to the definition of a complete designing tool and procedure for nanosatellite magnetic actuators, introducing a cost analysis for each kind of solution. The models and the tools have been maintained fully parametric in order to offer a universal re-scalable instrument for satellite of different dimension class.

Sviluppo di un sistema RCP per il controllo della combustione diesel basato sull'analisi real-time del rumore di combustione

Lavoro sviluppato attraverso un’attività sperimentale svolta su un motore Diesel 1.3 Multijet, presente al banco nei laboratori hangar della Scuola di Ingegneria e Architettura, sede di Forlì. L’attività è stata incentrata sullo sviluppo di un sistema RCP (Rapid Control Prototyping) per il controllo del pattern di iniezione del motore, basato sull’analisi in tempo reale di un opportuno indice di rumore, calcolato in real time attraverso il processamento del segnale proveniente da un microfono da laboratorio affacciato al blocco motore.

Virtual sensing technology applied to a swarm of autonomous robots.

This thesis proposes a novel technology in the field of swarm robotics that allows a swarm of robots to sense a virtual environment through virtual sensors. Virtual sensing is a desirable and helpful technology in swarm robotics research activity, because it allows the researchers to efficiently and quickly perform experiments otherwise more expensive and time consuming, or even impossible. In particular, we envision two useful applications for virtual sensing technology. On the one hand, it is possible to prototype and foresee the effects of a new sensor on a robot swarm, before producing it. On the other hand, thanks to this technology it is possible to study the behaviour of robots operating in environments that are not easily reproducible inside a lab for safety reasons or just because physically infeasible. The use of virtual sensing technology for sensor prototyping aims to foresee the behaviour of the swarm enhanced with new or more powerful sensors, without producing the hardware. Sensor prototyping can be used to tune a new sensor or perform performance comparison tests between alternative types of sensors. This kind of prototyping experiments can be performed through the presented tool, that allows to rapidly develop and test software virtual sensors of different typologies and quality, emulating the behaviour of several hardware real sensors. By investigating on which sensors is better to invest, a researcher can minimize the sensors’ production cost while achieving a given swarm performance. Through augmented reality, it is possible to test the performance of the swarm in a desired virtual environment that cannot be set into the lab for physical, logistic or economical reasons. The virtual environment is sensed by the robots through properly designed virtual sensors. Virtual sensing technology allows a researcher to quickly carry out real robots experiment in challenging scenarios without all the required hardware and environment.

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.

Comparazione strutturale di componenti realizzati a terra e nello spazio mediante tecniche additive

Questo lavoro di tesi mira ad indagare, a livello preliminare, quali siano i vantaggi e gli svantaggi a livello strutturale legati alla possibilità di realizzare componenti per mezzi spaziali con tecnologie di Rapid Prototyping direttamente nello spazio: questa possibilità verrà confrontata con il caso in cui gli stessi componenti siano realizzati a terra e poi inviati nello spazio con un lanciatore. Nonostante si siano riscontrati dei limiti derivanti dalla carenza di dati tecnici sulle caratteristiche meccaniche dei materiali, è stata sviluppata una metodologia che ha fornito l’opportunità, seppur con grandi approssimazioni, di valutare il problema. Il punto di partenza dell’attività è stato quello di visionare figure ed immagini di mezzi spaziali e di scegliere alcuni componenti che possano essere oggetto di manutenzione o sostituzione in volo. Sei componenti sono stati poi modellati al CAD, ed è stata condotta un’analisi ad elementi finiti (FEM) mediante il software MSC Patran/Nastran, con lo scopo di simulare la risposta strutturale nelle diverse condizioni di carico prese in considerazione. Seppur a livello qualitativo e del tutto preliminare, sono stati svolti dei confronti in termini di massa e tensioni per valutare in quali casi sembra sia conveniente realizzare un componente a terra con tecnologie tradizionali, e in quali sembra sia vantaggioso utilizzare nuove tecnologie di prototipazione rapida stampando direttamente il componente nello spazio.