Stabilità ad alta temperatura delle leghe ad alta entropia: effetti della tecnologia di produzione

Dando continuità all’attività di ricerca intrapresa durante il mio precedente tirocinio presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale DIN di Bologna, lo scopo della mia tesi è stato quello di chiarire i meccanismi di stabilità di fase della lega ad alta entropia CoCrFeMnNi ed esplorare la sua natura metastabile alle medio-alte temperature (tra i 450-1150°C). Nell’ottica di possibili future applicazioni industriali, è stato inoltre valutato l’effetto che la produzione via Additive Manufacturing può avere su proprietà e comportamenti delle leghe ad alta entropia. Sperimentalmente sono state fatte importanti osservazioni, a volte in contrasto con la letteratura precedente, che aprono la strada ad ulteriori e più specifiche indagini verso la comprensione dei complessi meccanismi che recentemente hanno reso queste leghe così interessanti per la ricerca a livello mondiale.

Progetto e realizzazione di riferimenti in tensione simmetrici in tecnologia CMOS

La tesi tratta del progetto e della realizzazione di un riferimento in tensione simmetrico e stabile in temperatura, realizzato in tecnologia CMOS. Nella progettazione analogica ad alta precisione ha assunto sempre più importanza il problema della realizzazione di riferimenti in tensione stabili in temperatura. Nella maggior parte dei casi vengono presentati Bandgap, ovvero riferimenti in tensione che sfruttano l'andamento in temperatura dell'energy gap del silicio al fine di ottenere una tensione costante in un ampio range di temperatura. Tale architettura risulta utile nei sistemi ad alimentazione singola compresa fra 0 e Vdd essendo in grado di generare una singola tensione di riferimento del valore tipico di 1.2V. Nella tesi viene presentato un riferimento in tensione in grado di offrire le stesse prestazioni di un Bandgap per quanto riguarda la variazione in temperatura ma in grado di lavorare sia in sistemi ad alimentazione singola che ad alimentazione duale. Il circuito proposto e' in grado di generare due tensioni, simmetriche rispetto a un riferimento dato, del valore nominale di ±450mV. All'interno della tesi viene descritto il progetto di due diverse architetture, entrambe in grado di generare le tensioni con le specifiche richieste. Le due architetture sono poi state confrontate analizzando in particolare la stabilità in temperatura, la potenza dissipata, il PSRR (Power Supply Rejection Ratio) e la simmetria delle tensioni generate. Al termine dell'analisi è stato poi implementato su silicio il circuito che garantiva le prestazioni migliori. In sede di disegno del layout su silicio sono stati affrontati i problemi derivanti dall'adattamento dei componenti al fine di ottenere una maggiore insensibilità del circuito stesso alle incertezze legate al processo di realizzazione. Infine sono state effettuate le misurazioni attraverso una probe station a 4 sonde per verificare il corretto funzionamento del circuito e le sue prestazioni.

Sviluppo di un sistema di sovralimentazione assistito elettricamente per un motore diesel 3.0L V6 ad alta potenza specifica

Questa tesi di laurea nasce dall’esperienza maturata presso l’azienda FCA Italy (Fiat Chrysler Automobiles S.p.A., ex VM Motori) nello stabilimento situato a Cento in provincia di Ferrara, in particolare all’interno dell’ufficio di Ricerca Avanzata CRM (Centro Ricerca Motori), divisione del reparto R&D (Research and Development). Tale esperienza viene riassunta (in piccola parte) in questo elaborato di Tesi, che tratta tematiche inerenti allo sviluppo di un sistema di sovralimentazione assistito elettricamente, applicato ad un propulsore Diesel 3.0L V6 destinato ai segmenti “Premium” del mercato. Il sistema utilizzato, che ha come componente principale un compressore attuato da una macchina elettrica, appartiene all’insieme delle tecnologie cosiddette di e-boosting. Questo tipo di tecnologia, fortemente innovativa e ad oggi non ancora presente sul mercato, ha le potenzialità per rappresentare un significativo passo avanti nel processo di riduzione delle emissioni, dei consumi e del miglioramento delle performance dei moderni motori endotermici alternativi, al punto che un numero crescente di costruttori di motori sta oggi studiando soluzioni come quella oggetto di questo elaborato. L’obiettivo è stato quindi quello di definire, applicare e gestire il sistema di e-boost a banco motore e, successivamente, caratterizzarlo dal punto di vista energetico e testarne le effettive potenzialità. Le fasi in cui ho apportato il mio contributo sono state, in particolare, quelle di definizione e integrazione dei nuovi componenti all’interno del layout motore preesistente, di realizzazione e implementazione delle strategie di controllo in un sistema dedicato in grado di gestire efficacemente i componenti, e di sperimentazione al banco prova. I risultati conseguiti al termine dell’attività sono quindi inerenti allo sviluppo e validazione del sistema di controllo, alla valutazione delle performance del propulsore risultante e alla caratterizzazione e analisi critica del sistema di e-boost dal punto di vista energetico.

Metodi di valutazione diretta ed indiretta della conducibilità idraulica verticale dei terreni sciolti Esempi applicativi nella Alta e Bassa Pianura Friulana

Nel corso del tempo, nell’ambito dell’idrogeologia sono state sviluppate diverse tecniche per la determinazione conducibilità idraulica (K). Negli ultimi decenni sempre maggiori sforzi sono stati compiuti per integrare le tecniche geofisiche a questo specifico settore di ricerca; in particolare le metodologie geoelettriche sono state fonte di molteplici studi per la determinazione indiretta di K. Su questa idea è stato impostato il lavoro presentato in questo elaborato di tesi. Ciò che questo propone è infatti l’esecuzione di test in campo che prevedono il monitoraggio time lapse con tecnologia ERT (Electrical Resistivity Tomography) di un tracciante salino iniettato nel terreno. Il fine ultimo è quello di poter sviluppare una tecnica indiretta per la stima della conducibilità idraulica verticale dei terreni sciolti. Le immagini tomografiche, realizzate in sequenza nel tempo, premettono la visualizzazione l’avanzamento del plume basso resistivo in movimento nel terreno (causato dalla salamoia iniettata). Un successivo confronto grafico fra queste permette di quantificare lo spostamento nel tempo, in modo da calcolare in seguito la velocità di infiltrazione del tracciante, e in ultimo stimare la K del terreno in analisi. I risultati ottenuti con tale metodologia sperimentale, opportunamente elaborati tramite specifici software, sono stati confrontati, dove possibile, con i valori forniti dall’impiego di altre tecniche più tradizionali, in modo da poter valutare la bontà del dato ottenuto. Le aree studio individuate per condurre tali sperimentazioni ricadono all’interno del territorio regionale del Friuli Venezia Giulia, in particolare nell’area di Alta e Bassa pianura friulana. La strumentazione (resistivimetro multicanale VHR X612-EM della MAE-Molisana Apparecchiature Elettroniche) e il software (Res2dinv) per la raccolta e l’elaborazione delle immagini tomografiche sono stati gentilmente messi a disposizione dalla società Geomok s.r.l. del Dott. Geol. Mocchiutti (Udine) con la cui collaborazione è stato realizzato questo elaborato di tesi.

Progetto di Sistemi di Regolazione dell'Alimentazione ad Alta Affidabilità per Processori Multi-Core

Quasi tutti i componenti del FIVR (regolatore di tensione Buck che fornisce l'alimentazione ai microprocessori multi-core) sono implementati sul die del SoC e quindi soffrono di problemi di affidabilità associati allo scaling della tecnologia microelettronica. In particolare, la variazione dei parametri di processo durante la fabbricazione e i guasti nei dispostivi di switching (circuiti aperti o cortocircuiti). Questa tesi si svolge in ambito di un progetto di ricerca in collaborazione con Intel Corporation, ed è stato sviluppato in due parti: Inizialmente è stato arricchito il lavoro di analisi dei guasti su FIVR, svolgendo un accurato studio su quelli che sono i principali effetti dell’invecchiamento sulle uscite dei regolatori di tensione integrati su chip. Successivamente è stato sviluppato uno schema di monitoraggio a basso costo in grado di rilevare gli effetti dei guasti più probabili del FIVR sul campo. Inoltre, lo schema sviluppato è in grado di rilevare, durante il tempo di vita del FIVR, gli effetti di invecchiamento che inducono un incorretto funzionamento del FIVR. Lo schema di monitoraggio è stato progettato in maniera tale che risulti self-checking nei confronti dei suoi guasti interni, questo per evitare che tali errori possano compromettere la corretta segnalazione di guasti sul FIVR.

Valutazione della applicazione del ciclo Miller a motori a benzina ad iniezione diretta ad alta potenza specifica

Negli ultimi decenni nuove e sempre più restrittive normative antiinquinamento son state introdotte nei paesi maggiormente industrializzati dettando un aumento degli sforzi progettuali imposti all’industria automobilistica per cercare di contenere l’impatto ambientale esercitato dai motori a combustione interna. E’ evidente quindi l’importanza di possedere una profonda conoscenza dei fenomeni fisici e chimici che influenzano i processi di combustione così come avere a disposizione modelli quanto più accurati per la loro corretta rappresentazione tramite CFD. Per i motori ad accensione comandata gli studi si sono focalizzati sulla ricerca dell’efficienza evitando di incorrere in rischi di detonazione. Numerose sono le tecnologie che permettono di assolvere alle funzioni richieste, tra le più affermate vi sono i sistemi a fasatura variabile, in particolare le strategie che prendono il nome di ciclo Miller. Tale sistema, implementabile facilmente senza l’utilizzo di alcun sistema aggiuntivo, permette di ridurre sensibilmente temperature e pressioni in camera. Il seguente lavoro di tesi studierà, attraverso simulazione numerica tridimensionale condotta con software CONVERGE®, gli aspetti fisici e fluidodinamici indotti dalle diverse strategie REF, EIVC e LIVC applicate ad un motore GDI con tecnologia downsizing e turbocharging (modellato in ambiente CAD, tramite PTC CREO®). Successivamente, allo stesso motore, saranno apportate modifiche progettuali con lo scopo di comprendere in che modo un aumento di un punto del rapporto di compressione, che equivale a spostarsi verso zone a prestazioni più elevate, impatti sull’entità di pressione, temperatura e comportamento fluidodinamico e fisico a pari condizioni operative e di alzata. L’analisi ed il confronto con gli altri casi sancirà se questa nuova configurazione possa essere accettabile o rischiosa ai fini della detonazione.

Studio di fattibilità ed implementazione della tecnologia MBR per l'impianto di depurazione acque presso Caviro-Extra (Faenza-RA)

Caviro Extra è un’azienda con sede a Faenza, impegnata nella lavorazione dei sottoprodotti derivanti dalla vinificazione e nella produzione di energia sostenibile ottenuta sia dai propri scarti di lavorazione che da rifiuti agroalimentari di aziende terze. Lo stabilimento svolge autonomamente il trattamento dei reflui abbattendo le sostanze inquinanti e permettendo così lo scarico in pubblica fognatura. Lo scopo della tesi è quello di studiare la fattibilità, tramite lo studio bibliografico, dell’implementazione di un bioreattore aerobico a membrana (MBR) come soluzione impiantistica atta a fronteggiare l’alto carico idraulico ed ammoniacale gestito durante il periodo della campagna di vinificazione. In un’ottica di sostenibilità ambientale si è presentato un secondo scopo , cioè quello di andare a recuperare le acque reflue tramite osmosi inversa. Dallo studio di letteratura scientifica riguardo la capacità di nitrificazione del bioreattore a membrana si hanno risultati favorevoli. Indicando tale sistema come una soluzione efficiente e stabile che può essere applicata nella nitrificazione di acque reflue contenenti un’alta concentrazione di azoto ammoniacale. L’integrazione di un sistema MBR con un’osmosi inversa ha, altresì, dimostrato miglioramenti ulteriori della qualità dell'acqua trattata; dimostrando di fornire un’alta reiezione di nitrato come di cloruri e di solfati ad alta concentrazione iniziale come nel caso in esame e di poter essere la soluzione impiantistica per alleggerire il carico ammoniacale al settore biologico e allo stesso tempo recuperare acqua riducendo la necessità di emungimento da pozzi artesiani. L’azienda verificherà mediante l’attività di testing la reale fattibilità in termini di potenziale miglioramento di depurazione, costi operativi e semplicità di gestione attraverso l’implementazione di impianti pilota sia sulla tecnologia analizzata (MBR+RO) sia su un processo MBBR di tipo ibrido fango attivo/biomassa adesa.

Design e simulazione di un convertitore DC-DC per applicazioni automotive implementato mediante tecnologia GaN

L’obiettivo dell’elaborato è quello di presentare una soluzione di collegamento ed interfacciamento tra il supercondensatore (SC) dell’HESS (sistema ibrido di accumulo dell’energia situato all’interno di un veicolo elettrico) e il DC-link (bus che fornisce la potenza necessaria all’inverter che pilota il motore elettrico) attraverso un convertitore DC-DC ad alta efficienza che utilizzi tecnologie di potenza al nitruro di gallio (GaN). Il convertitore presentato è un convertitore DC-DC bidirezionale in configurazione Half-Bridge, esso dovrà funzionare in modalità Boost, ogni qualvolta il motore richieda energia extra dal SC, in modalità Buck per ricaricare il SC durante la frenata rigenerativa. In seguito ad un’introduzione ai veicoli elettrici, alla loro architettura e al perché il SC è così fondamentale, verrà presentata una breve introduzione ai convertitori di potenza (Capitolo 1). Si passerà poi alla presentazione delle tecnologie GaN mostrando come esse rappresentino il futuro dell’elettronica di potenza grazie ai loro numerosi vantaggi (Capitolo 2). Nel capitolo 3 si entrerà nel vivo della progettazione, è qui che sarà progettata ed implementata la soluzione proposta. Verrà effettuata una prima simulazione del circuito, tenendo conto degli effetti parassiti dei soli componenti, attraverso l’ausilio del software LTSpice. Il Capitolo 4 prevede una breve introduzione alle tecniche di layout, utili nella costruzione del circuito stampato presentata all’interno del medesimo capitolo. Il PCB sarà modellato mediante un secondo software denominato KiCAD. Infine, nel Capitolo 5, si procederà con la simulazione elettromagnetica del circuito stampato, essa permetterà di individuare gli effetti parassiti dovuti alle non idealità del layout e di mostrare l’effettiva differenza di efficienza tra un caso semi-ideale e un caso semi-reale.

Convertitori elettronici di potenza ad alta frequenza di commutazione con isolamento galvanico

L’importanza sempre crescente dell’elettronica è accompagnata da una crescente necessità di compattezza ed efficienza energetica. Una parte sostanziale del costo e delle dimensioni dei moderni dispositivi elettronici è legata ai sistemi di conversione di potenza, il cui volume è dominato dai passivi. Per poter affrontare la miniaturizzazione dei circuiti elettronici di potenza sono dunque necessari metodi di design e tecnologie che permettano di ridurre i requisiti di immagazzinamento di energia. Un possibile approccio è aumentare la frequenza di commutazione nel range delle decine di MHz facendo in modo che l’efficienza non venga penalizzata dall’aumento delle perdite in commutazione. Ciò è reso possibile dall’impiego di topologie di convertitori risonanti che implementano la condizione ZVS. Oltre all’impiego di convertitori risonanti, l’aumento della frequenza operativa, mantenendo elevata l’efficienza, è abilitato dall’impiego di dispositivi a semiconduttore a largo band-gap come il nitruro di gallio (GaN), i quali mostrano performance superiori al silicio in termini di temperature operative, frequenze di funzionamento e densità di potenza. Inoltre, ad elevate frequenze di commutazione, l’utilizzo di magnetici coreless diventa una valida alterativa ai magnetici tradizionali, con vantaggi in termini di costo, ingombro e di efficienza. Il focus di questa tesi è il progetto di un convertitore DC-DC risonante con isolamento coreless ad alta efficienza e ad alta frequenza in tecnologia GaN a 650 V pensato per applicazioni wall-adapter. A seguito dello studio di alcune topologie di inverter risonanti e dei rispettivi rettificatori, si è scelta la topologia phi2 per il design del convertitore DC-DC double phi2 isolato (simulato con LTspice). È stato poi effettuato il design di un trasformatore coreless su PCB tramite simulatore elettromagnetico (ADS Keysight Momentum). Il convertitore complessivo presenta un’efficienza del 95,8% con una efficienza del link del 98%.