Valutazione degli effetti dei parametri operativi nel processo di laser ablation su materiali compositi CFRP a matrice epossidica

L’attività sperimentale presentata in questo elaborato riguarda lo studio di una particolare applicazione che impiega la tecnologia laser per la lavorazione di materiali compositi ed è stata interamente svolta, in particolar modo nella sua parte operativa, presso i laboratori della Facoltà di Ingegneria a Bologna. Il lavoro di tesi ha come obiettivo fondamentale la valutazione degli effetti che i parametri di processo possono avere sulla qualità risultante nel procedimento di ablazione per i materiali compositi. Per questa indagine sono stati utilizzati campioni piani (tutti identici tra loro) con rinforzo in fibra di carbonio e matrice in resina epossidica, i quali sono stati lavorati con un laser Nd:YAG (λ = 1064 nm) funzionante in regime continuo. L’idea alla base dell’intera attività sperimentale è stata quella di realizzare una ablazione ottimale, rimuovendo dai campioni esclusivamente la resina (in maniera locale) e tentando, allo stesso tempo, di ottenere il minimo danneggiamento possibile per le fibre. Le prove effettuate non costituiscono naturalmente un punto di arrivo, bensì rappresentano piuttosto un punto di partenza per acquisire informazioni preliminari che potranno consentire, nel prossimo futuro, di proseguire con il perfezionamento del processo e la messa a punto dei parametri, al fine di conseguire una lavorazione che dia risultati effettivamente ottimali ed interessanti per l’eventuale applicazione industriale.

Studio del decadimento delle proprietà meccaniche di compositi CFRP sottoposti a invecchiamento termico

I componenti del carbonio in ambito strutturale (aeronautico, navale, automobilistico) sono soggetti a deterioramenti ambientali di difficile determinazione, in particolare alla temperatura e all'umidità. Scopo di questa tesi è determinare i danneggiamenti dei materiali compositi CFRP in funzione di un invecchiamento a diverse percentuali della temperatura di transizione vetrosa Tg. In particolare si vuole studiare e approfondire il processo di reazione della matrice e del carbonio. Per meglio descrivere il procedimento di deterioramento e reazione del materiale composito dovuto ad alti livelli di temperatura, mi sono avvalso del supporto pratico dell’azienda “Riba Composites” di Faenza che in particolare si occupa della prototipazione e produzione di componenti strutturali in materiali compositi avanzati e che si è dimostrata leader nel settore dei compositi CFRP. Pochi studi sono stati condotti su tale argomento. Da qui il mio interesse specifico nel volere studiare e dimostrare come questo processo possa ulteriormente apportare un aiuto agli studi in ambito strutturale già effettuati e pubblicati precedentemente. La dimostrazione pratica della seguente tesi è avvenuta, con l’aiuto dell’Ing. Paolo Proli, nel laboratorio di MaSTeR Lab dell’Università di Bologna, dove si è deciso di eseguire vari invecchiamenti termici a diverse temperature per constatare i livelli di deterioramento e influenza delle variazioni di temperatura sulla matrice del composito preso in analisi. Gli effetti di tale studi sono stati sostenuti anche grazie alla guida del Professore Lorenzo Donati, e verranno dettagliatamente evidenziati nello specifico con spiegazioni in ambito teorico e dimostrazioni pratiche affiancate da schemi dimostrativi e supporto grafico.

Applicazione di reticoli di Bragg "chirped" per il monitoraggio strutturale di laminati CFRP

L’uso dei materiali compositi è andato aumentando negli ultimi decenni per la loro elevata rigidezza, la resistenza specifica e il possibile risparmio, notevole in termini di peso dell’intera struttura. Tali materiali introducono però nuove problematiche riguardanti le modalità di danneggiamento e il comportamento a fatica. Mentre questi fenomeni sono relativamente ben compresi nei materiali metallici, per una struttura in composito non esistono ancora modelli in grado di predire con sufficiente affidabilità l’evoluzione del danneggiamento. Negli ultimi anni la ricerca si è focalizzata sullo sviluppo di sistemi in grado di rilevare la presenza e l’evoluzione del danno, definiti Structural Health Monitoring Systems, ovvero sistemi di monitoraggio strutturale. Il danneggiamento strutturale può così essere individuato e identificato per mezzo di sensori distribuiti integrati nella struttura stessa, aventi la possibilità di trasmettere queste informazioni a un sistema di analisi esterno permettendo di valutare lo stato di degrado della struttura in tempo reale. In questo contesto si inseriscono le attività di ricerca sulle strutture intelligenti che, inglobando al loro interno opportune tipologie di sensori e attuatori, sono in grado di monitorare l’ambiente fisico operativo, raccoglierne e interpretarne le informazioni per poi rispondere ai cambiamenti della struttura in modo appropriato attraverso gli attuatori. L’impiego di sensori e attuatori inglobati nelle strutture offre molteplici vantaggi rispetto ai sistemi di trasduzione e attuazione convenzionali. L’attività di ricerca condotta in questa tesi è rivolta all’indagine di tecniche di SHM per mezzo di sensori a fibra ottica. Essi presentano molteplici peculiarità che li rendono i candidati ideali per queste applicazioni. Esistono diversi tipi di sensori che utilizzano le fibre ottiche. Nel presente lavoro si sono utilizzati sensori di deformazione basati sui reticoli di Bragg (FBG) chirped. Questi sensori sono costituiti da un reticolo inscritto all’interno della fibra, che ha l’effetto di riflettere solo alcune lunghezze d’onda della luce incidente. Se le proprietà geometriche del reticolo cambiano per effetto di una deformazione, cambia anche la forma dello spettro riflesso. Inoltre, con il tipo di sensore usato, è possibile correlare lo spettro con la posizione di eventuali danneggiamenti interni al materiale. Gli obbiettivi di questa ricerca sono di verificare gli effetti della presenza di una fibra ottica sulle caratteristiche meccaniche di un laminato e di trovare un legame tra la risposta in frequenza del sensore FBG e lo stato tensionale e il grado di danneggiamento di un componente in composito.

Analisi di sensibilità della grammatura sulla vita a fatica di un laminato in CFRP

In letteratura sono presenti numerosi studi che descrivono i fattori che influenzano la vita a fatica di un laminato in CFRP e le modalità di propagazione ed accrescimento a fatica di un difetto. Tuttavia non sono presenti studi approfonditi che leghino l’effetto che può avere la grammatura, sulla vita a fatica del laminato. Il lavoro sperimentale oggetto di questa tesi vuole intendersi un lavoro preliminare, a carattere esplorativo, sullo studio della sensibilità della grammatura sulla resistenza a fatica di laminati in CFRP, attraverso test di flessione a fatica su due configurazioni di provini di grammature differenti (600 e 800 gr/m^2), con e senza inserimento di un difetto artificiale rappresentato da un intaglio sugli ultimi strati del laminato e test di flessione eseguito in accordo allo standard ASTM D2344/D2344M. I test a fatica hanno evidenziato una sensibile riduzione della vita per i provini senza difetto realizzati con l’800 gr/m^2 rispetto a quelli realizzati con il 600 gr/m^2. Per quanto concerne la tolleranza al danno, i provini realizzati con 600 gr/m^2 hanno evidenziato una sensibilità maggiore all’effetto di intaglio, pur avendo un comportamento migliore rispetto a quelli realizzati con l’800 gr/m^2.

Valutazione degli effetti di invecchiamento termico su laminati in CFRP

Valutazione degli effetti ambientali sulle caratteristiche meccaniche di materiali compositi avanzati. Laminati in fibra di carbonio e resina epossidica, sottoposti a cicli termici, sono stati analizzati per determinare le resistenze strutturali degli stessi. I valori ottenuti sono stati comparati con materiale non invecchiato.

Caratterizzazione meccanica di un incollaggio acciaio-CFRP per applicazione automotive

Nella tesi viene caratterizzato meccanicamente un giunto incollato acciaio-CFRP usato nella produzione di un componente automotive. In particolare viene analizzata l'influenza data da trattamenti termici di invecchiamento e sono messe a confronto diverse tipologie di adesivi.

Fine particulate matter measurements in Swiss restaurants, cafés and bars: what is the effect of spatial separation between smoking and non-smoking areas?

We performed 124 measurements of particulate matter (PM(2.5)) in 95 hospitality venues such as restaurants, bars, cafés, and a disco, which had differing smoking regulations. We evaluated the impact of spatial separation between smoking and non-smoking areas on mean PM(2.5) concentration, taking relevant characteristics of the venue, such as the type of ventilation or the presence of additional PM(2.5) sources, into account. We differentiated five smoking environments: (i) completely smoke-free location, (ii) non-smoking room spatially separated from a smoking room, (iii) non-smoking area with a smoking area located in the same room, (iv) smoking area with a non-smoking area located in the same room, and (v) smoking location which could be either a room where smoking was allowed that was spatially separated from non-smoking room or a hospitality venue without smoking restriction. In these five groups, the geometric mean PM(2.5) levels were (i) 20.4, (ii) 43.9, (iii) 71.9, (iv) 110.4, and (v) 110.3 microg/m(3), respectively. This study showed that even if non-smoking and smoking areas were spatially separated into two rooms, geometric mean PM(2.5) levels in non-smoking rooms were considerably higher than in completely smoke-free hospitality venues. PRACTICAL IMPLICATIONS: PM(2.5) levels are considerably increased in the non-smoking area if smoking is allowed anywhere in the same location. Even locating the smoking area in another room resulted in a more than doubling of the PM(2.5) levels in the non-smoking room compared with venues where smoking was not allowed at all. In practice, spatial separation of rooms where smoking is allowed does not prevent exposure to environmental tobacco smoke in nearby non-smoking areas.

Retention force of plastic clips on implant bars: a randomized controlled trial

Retention of overdentures is important for patients' satisfaction. The study tested whether the clinical performance of retentive clips made of poly-ether-ether-ketone (PEEK) is superior to those made of poly-oxy-methylene (POM).

Comparative study of anchorage strengths of epoxy coated hooked bars

Hooked reinforcing bars (rebar) are used frequently to carry the tension forces developed in beams and transferred to columns. Research into epoxy coated hooked bars has only been minimally performed and no research has been carried out incorporating the coating process found in ASTM A934. This research program compares hooked rebar that are uncoated, coated by ASTM A775, and coated by ASTM A934. In total, forty-two full size beam-column specimens were created, instrumented and tested to failure. The program was carried out in three phases. The first phase was used to refine the test setup and procedures. Phase two explored the spacing of column ties within the joint region. Phase three explored the three coating types found above. Each specimen included two hooked rebar which were loaded and measured independently for relative rebar slip. The load and displacement of the hooked rebar were analyzed, focusing on behavior at the levels of 30 ksi, 42 ksi and 60 ksi of rebar stress. Statistical and general comparisons were made using the coating types, tie spacing, and rebar stress level. Many of the parameters composing the rebar and concrete were also tested to characterize the components and specimens. All rebar tested met ASTM standards for tensile strength, but the newer ASTM A934 method seemed to produce slightly lower yield strengths. The A934 method also produced coating thicknesses that were very inconsistent and were higher than ASTM maximum limits in many locations. Continuity of coating surfaces was found to be less than 100% for both A775 and A934 rebar, but for different reasons. The many comparisons made did not always produce clear conclusions. The data suggests that the ACI Code (318-05) parameter of 1.2 for including epoxy coating on hooked rebar may need to be raised, possibly to 2.5, but more testing needs to be performed before such a large value change is set forth. This is particularly important as variables were identified which may have a larger influence on rebar capacity than the Development Length, of which the current 1.2 factor modifies. Many suggestions for future work are included throughout the thesis to help guide other researchers in carrying out successful and productive programs which will further the highly understudied topic of hooked rebar.

Expansion of mortar bars in the presence of potassium acetate deicer

Carboxylate-based deicing and anti-icing chemicals became widely used in the mid 1990s, replacing more environmentally burdensome chemicals. Within a few years of their adoption, distress of portland cement concrete runways was reported by a few airports using the new chemicals. Distress manifested characteristics identical to that of alkali silica reactivity (ASR), but onset occurred early in the pavement’s operating life and with pavements thought to contain innocuous aggregate. The carboxylate-based deicing chemicals were suspected of exacerbating ASR-like expansion. Innocuous, moderately, and highly reactive aggregates were tested using modified ASTM C1260 and ASTM C1567 procedures with soak solutions containing deicer solutions and sodium hydroxide or potassium hydroxide. ASR-like expansion is exacerbated in the presence of potassium acetate. The expansion rate produced by a given aggregate is also a function of the alkali hydroxide used. Petrographic analyses were performed on thin sections prepared from mortar bars used in the experiments. Expansion occurred via two mechanisms; rupture of aggregate grains and expansion of paste.

In vitro precision of fit of computer-aided design and computer-aided manufacturing titanium and zirconium dioxide bars

OBJECTIVES Optical scanners combined with computer-aided design and computer-aided manufacturing (CAD/CAM) technology provide high accuracy in the fabrication of titanium (TIT) and zirconium dioxide (ZrO) bars. The aim of this study was to compare the precision of fit of CAD/CAM TIT bars produced with a photogrammetric and a laser scanner. METHODS Twenty rigid CAD/CAM bars were fabricated on one single edentulous master cast with 6 implants in the positions of the second premolars, canines and central incisors. A photogrammetric scanner (P) provided digitized data for TIT-P (n=5) while a laser scanner (L) was used for TIT-L (n=5). The control groups consisted of soldered gold bars (gold, n=5) and ZrO-P with similar bar design. Median vertical distance between implant and bar platforms from non-tightened implants (one-screw test) was calculated from mesial, buccal and distal scanning electron microscope measurements. RESULTS Vertical microgaps were not significantly different between TIT-P (median 16μm; 95% CI 10-27μm) and TIT-L (25μm; 13-32μm). Gold (49μm; 12-69μm) had higher values than TIT-P (p=0.001) and TIT-L (p=0.008), while ZrO-P (35μm; 17-55μm) exhibited higher values than TIT-P (p=0.023). Misfit values increased in all groups from implant position 23 (3 units) to 15 (10 units), while in gold and TIT-P values decreased from implant 11 toward the most distal implant 15. SIGNIFICANCE CAD/CAM titanium bars showed high precision of fit using photogrammetric and laser scanners. In comparison, the misfit of ZrO bars (CAM/CAM, photogrammetric scanner) and soldered gold bars was statistically higher but values were clinically acceptable.

Complications with computer-aided designed/computer-assisted manufactured titanium and soldered gold bars for mandibular implant-overdentures: short-term observations

BACKGROUND Implant-overdentures supported by rigid bars provide stability in the edentulous atrophic mandible. However, fractures of solder joints and matrices, and loosening of screws and matrices were observed with soldered gold bars (G-bars). Computer-aided designed/computer-assisted manufactured (CAD/CAM) titanium bars (Ti-bars) may reduce technical complications due to enhanced material quality. PURPOSE To compare prosthetic-technical maintenance service of mandibular implant-overdentures supported by CAD/CAM Ti-bar and soldered G-bar. MATERIALS AND METHODS Edentulous patients were consecutively admitted for implant-prosthodontic treatment with a maxillary complete denture and a mandibular implant-overdenture connected to a rigid G-bar or Ti-bar. Maintenance service and problems with the implant-retention device complex and the prosthesis were recorded during minimally 3-4 years. Annual peri-implant crestal bone level changes (ΔBIC) were radiographically assessed. RESULTS Data of 213 edentulous patients (mean age 68 ± 10 years), who had received a total of 477 tapered implants, were available. Ti-bar and G-bar comprised 101 and 112 patients with 231 and 246 implants, respectively. Ti-bar mostly exhibited distal bar extensions (96%) compared to 34% of G-bar (p < .001). Fracture rate of bars extensions (4.7% vs 14.8%, p < .001) and matrices (1% vs 13%, p < .001) was lower for Ti-bar. Matrices activation was required 2.4× less often in Ti-bar. ΔBIC remained stable for both groups. CONCLUSIONS Implant overdentures supported by soldered gold bars or milled CAD/CAM Ti-bars are a successful treatment modality but require regular maintenance service. These short-term observations support the hypothesis that CAD/CAM Ti-bars reduce technical complications. Fracture location indicated that the titanium thickness around the screw-access hole should be increased.

(Table 1) Grain size parameters of intertidal channel sand bars near Sylt, North-Frisian Wadden Sea

The aim of the present study is to investigate directional asymmetric properties and internal structures of the bedforms on the intertidal sand bars in comparison with the migration problems of the sand bodies developed in the channel systems of the tidal basin off the west coast of Schleswig-Holstein. The tidal channel sand bodies studied have 'V'-shaped outlines and are asymmetric in cross-section. Based on such knowledge it was hoped to understand and find possible factors for application to recent and ancient tidal depositional environments. The V-shaped intertidal channel sand bodies developed in the tidal environments between Sylt and Föhr Island are constantly migrating sand bars. The migration directions are in good agreement with the resultant vector mean directions of internal cross-stratification structures of asymmetric sedimentary bedforms. Finally, it is shown that the orientation of the apex of V-shaped sand bar as an equilibrium form alone can not indicate the migration direction, but that the orientation of the resultant vector mean of internal structures of sedimentary bedforms does indicate the migration direction. Based on the analyses of textural parameters of the migrating intertidal bar sands, it seems that sands of typical intertidal sand bars are negatively skewed and well sorted. The high rounding of quarz sand grains of these tidal channel sand bars seems to be an additional characteristical criterion for tidal depositional environments, as also indicated by Balazs and Klein (1972).