Ottimizzazione di materiali e trattamenti per componenti critici destinati a motociclette da competizione

L’attività svolta durante il dottorato è stata incentrata su due tematiche riguardanti: (i) la modifica della composizione chimica delle classiche leghe di alluminio da fonderia per incrementarne la resistenza e stabilità termica; (ii) lo studio del comportamento a fatica di acciai innovativi alto-resistenziali, allo scopo di valutarne il loro utilizzo per la produzione di alberi motore e distribuzione in sostituzione dei tradizionali acciai utilizzati dopo bonifica e trattamento superficiale di nitrurazione. La messa a punto di una lega di alluminio da fonderia con elevata resistenza in temperatura ha richiesto, oltre all’individuazione della composizione chimica, l’ottimizzazione del trattamento termico e una completa caratterizzazione meccanica statica a fatica sia a temperatura ambiente sia a 200°C. L’attività ha permesso di sviluppare una lega, ottenuta aggiungendo 1,3% in peso di rame alla classica lega A357 (Al-Si-Mg), cha ha mostrato avere proprietà meccaniche superiori a quelle delle tradizionali leghe Al-Si-Mg-Cu quali la A354 e C355 sia a temperatura ambiente che a 200 °C dopo lunga esposizione in temperatura. Per quanto riguarda gli acciai innovativi, dopo una preliminare analisi di mercato per individuare quali acciai potessero essere oggetto di studio, è stato valutato come migliorarne le prestazioni a fatica, anche in presenza d’intaglio, attraverso la scelta del trattamento termico più opportuno e del processo di pallinatura. I risultati delle caratterizzazioni microstrutturale e meccanica svolte hanno permesso di individuare due acciai (nomi commerciali K890 e ASP2017) ottenuti per metallurgia delle polveri, ad oggi utilizzati solo per la produzione di stampi e/o utensili, in grado di sostituire gli acciai con cui vengono oggi realizzati i componenti, senza la necessità di eseguire il trattamento di nitrurazione

Ottimizzazione, Standardizzazione e Innovazione Tecnologica del ciclo produttivo mediante i principi del Lean Thinking

Obiettivo di questo elaborato è fornire alle aziende operanti sul mercato nella realtà industriale, una trattazione dei temi relativi alla standardizzazione e ottimizzazione dei processi di produzione, didatticamente semplice e fortemente orientata all’applicazione, centrata sui criteri di ricerca della massima efficienza tecnica ed economica del prodotto. La trattazione, corredata, ovunque possibile, di approcci quantitativi supportati da idonei strumenti matematici, vuole offrire per ogni tipo di azienda che operi sul mercato una traccia semplice e chiara in merito ad un tema estremamente attuale, relativo all'ottimizzazione e standardizzazione del processo produttivo, per salvaguardare il proprio vantaggio competitivo e aumentare la robustezza e capacità di far fronte a ogni tipo di minaccia esterna e/o interna potenzialmente verificabile in futuro. Infatti, il prodotto finale di tale attività di analisi, volta alla riduzione degli sprechi, mantenendo fisso il prezzo di vendita si tramuta quindi in un incremento dei margini di ricavo su ogni unità di vendita. Da ultimo, con la parte finale dell’elaborato è mia intenzione veicolare e far comprendere l’importanza e i vantaggi connessi all'introduzione ponderata dell’automazione anche all'interno di un contesto aziendale con lavorazioni altamente specifiche e variegate. È fondamentale per la sopravvivenza delle aziende nel contesto competitivo globale automatizzare le lavorazioni ripetitive a bassa creazione di valore aggiunto, realizzando in questo modo economie di scala. La manodopera specializzata deve essere razionalizzata e utilizzata esclusivamente per le lavorazioni complesse, distintive e rappresentative della grande competenza e affidabilità proprie dell’industria italiana.

Progettazione, ottimizzazione e sviluppo di un sistema WOPI (Water Out Pressure In) per airbox

Un airbox deve fornire al motore sia aria pura, ovvero priva di particelle estranee (motivo per cui al suo interno viene collocato un elemento filtrante), che priva di gocce d’acqua, la cui presenza è possibile sia a causa della condensazione dell’umidità dell’aria aspirata, sia, in volume anche maggiore, in caso di pioggia, aspetto su cui si focalizzerà questo elaborato. Attualmente, per eliminare la presenza di queste particelle d’acqua, vengono praticati fori, più o meno grandi, sulla parete dell’airbox. Questa semplice tecnica, permette di eliminarla, ma causa anche una depressurizzazione. Per contrastare questo fenomeno, è già noto l’utilizzo di condotti elastici, normalmente chiusi o semichiusi, che, nel frattempo, permettono la lenta discesa gravitazionale dell’acqua. Questo sistema, però, non è in grado di sigillare il foro di scolo, provocando quindi anch’esso un calo della pressurizzazione del box. Inoltre, esso potrebbe intasarsi, rendendo inefficace lo scolo. In più, nel tempo, potrebbe sopraggiungere una perdita di elasticità, causando un peggioramento della funzionalità. Scopo del WOPI è eliminare tutti i precedenti inconvenienti nel modo più efficiente possibile.

Additive manufacturing e ottimizzazione topologica: massimizzare le prestazioni di una pinza freno per applicazioni motorsport

I veicoli ad alte prestazioni sono soggetti ad elevati carichi per piccoli intervalli di tempo. Questo comporta diverse criticità sulle componenti che costituiscono la vettura: una di queste è la pinza freno. Al fine di renderla performante è necessario il possesso di due proprietà. In primo luogo, la pinza freno deve essere il più leggera possibile poiché essa conferisce un'inerzia nella risposta della sospensione del veicolo, procurando il distacco dello pneumatico dal suolo e causando perdita di aderenza. In secondo luogo, è necessario contenere le deformazioni della pinza freno garantendo un determinato feeling per il pilota. Il compito del progettista è ottimizzare questi due parametri che hanno effetti antitetici. Questa difficoltà porta il progettista a creare design molto complessi per raggiungere l’ottimale e non sempre le geometrie ottenute sono realizzabili con tecnologie convenzionali. Questo studio riguarda il miglioramento prestazionale di una pinza freno costruita con una lega di alluminio 7075-T6 e lavorato dal pieno. Gli obbiettivi sono quello di produrre il nuovo corpo in titanio TI6Al4V, dal momento che le temperature di esercizio portano a grandi decadute di caratteristiche meccaniche dell’alluminio, contenere il più possibile la massa a fronte dell’aumento di densità di materiale e ovviamente limitare le deformazioni. Al fine di ottenere gli obbiettivi prefissati sono utilizzati metodi agli elementi finiti in diverse fasi della progettazione: per acquisire una geometria di partenza (ottimizzazione topologica) e per la validazione delle geometrie ottenute. Le geometrie ricavate tramite l’ottimizzazione topologica devono essere ricostruite tramite software CAD affinché possano essere ingegnerizzate. Durante la modellazione è necessario valutare quale tecnologia è più vantaggiosa per produrre il componente. In questo caso studio si utilizza un processo di addizione di materiale, più specificatamente una tecnica Selective Laser Melting (SLM).

Ottimizzazione della gestione dei ricambi e del costo delle politiche di manutenzione per una macchina astucciatrice continua

Nella tesi viene descritto un metodo per creare una lista ricambi basata su un'analisi statistica. In seguito, utilizzando anche i risultati ottenuti, viene calcolato il Total Cost of Ownership per un gruppo di macchine.

Nanofibre contenenti grafene per la modifica di compositi laminati: ottimizzazione del processo di elettrofilatura

I compositi laminati, specialmente i Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRPs), possiedono ottime proprietà meccaniche ed un peso contenuto rispetto i materiali metallici. Uno dei problemi più importanti che i laminati presentano è il cedimento per delaminazione, ovvero il distaccamento delle lamine che costituiscono il composito, in seguito a sollecitazioni esterne e/o alla presenza di difetti formati durante il processo di lavorazione. Per poter minimizzare tale fenomeno sono stati studiati vari metodi; fra questi vi è l’utilizzo di tessuti nanofibrosi che, intercalati fra le lamine, riescono ad ostacolare efficacemente la propagazione della cricca. Nel presente lavoro di tesi sono stati prodotti, mediante elettrofilatura, tessuti nanofibrosi polimerici additivati con grafene, da impiegare per la modifica strutturale di compositi laminati. In particolare, è stata svolta l’ottimizzazione delle soluzioni (concentrazione polimero, sistema solvente) e dei parametri di processo (potenziale, portata, distanza ago-collettore) per diversi materiali polimerici. Per effettuare un’efficiente dispersione del grafene sono stati effettuati vari cicli di sonicazione. Le membrane sono state caratterizzate morfologicamente mediante microscopia elettronica (SEM) e termicamente mediante calorimetria differenziale a scansione (DSC). Infine, sono stati prodotti tessuti di grandi dimensioni adatti ad essere integrati, prossimamente, in compositi laminati per verificarne l’efficacia contro la delaminazione.

Ottimizzazione dell'utilizzo di Yarrowia lipolytica come co-starter per la produzione di formaggi

Il formaggio è un alimento dalle origini antiche e rappresenta una delle prime trasformazioni biotecnologiche adoperate dall'uomo. È il risultato di una serie di processi tecnologici (attività enzimatica, microbica e maturazione) che vanno a definire il processo finale. La maturazione dei formaggi va a caratterizzare aroma, texture e corpo del prodotto finale, questi parametri sono il risultato di una cascata di eventi biochimici e microbiologici, mediati dal metabolismo di starter, co-starter e microrganismi ambientali in sinergia con enzimi del latte e del caglio. È un processo lento, complesso, ed economicamente oneroso, pertanto, risulta importante trovare strategie volte a velocizzare il tempo di maturazione, riducendo anche i costi di produzione, senza impattare sugli attributi sensoriali dei formaggi. In questo elaborato è stata valutata l’aggiunta di co-starter all’esterno del formaggio, favorendo una maturazione superficiale. Le prove effettuate hanno riguardato Yarrowia lipolytica, un lievito non convenzionale, dalle caratteristiche industrialmente molto interessanti. Inizialmente sono state ottimizzate le condizioni di inoculo superficiale (tempo e modalità) della biomassa microbica sui formaggi. Successivamente è stata valutata l’influenza di un covering (E201+E235) sulla crescita di diversi ceppi di Y. lipolytica. Il campionamento microbico ha permesso poi di identificare la migliore modalità di inoculo, ovvero l’immersione rapida del formaggio nel terreno contenente il lievito e, in base ai dati ottenuti, si è effettuata una prima prova preliminare in azienda dove si è andati a valutare carica microbica, profilo volatile e acidi grassi generati. Y. lipolytica ha dimostrato, nei campioni trattati, di inibire la crescita dei lieviti indigeni e di modificare positivamente la composizione della sostanza grassa del formaggio in superficie, favorendo il rilascio di acidi grassi liberi insaturi e composti volatili, capaci di modulare l’aroma del prodotto.

Ottimizzazione della crotilborazione asimmetrica di dialchil-azodicarbossilati

A differenza di allil- e crotilborazioni realizzate su aldeidi e chetoni, la crotilborazione di azodicarbossilati rappresenta un terreno ancora inesplorato in sintesi asimmetrica. Per sviluppare un processo catalitico ed enantioselettivo è stato pertanto necessario valutare singolarmente l’effetto di ciascuno dei fattori in grado di influenzare l’andamento della reazione, ovvero: catalizzatore, quantità relative di reagenti, temperatura, alcoli ausiliari, additivi, solventi e composizione della miscela di reazione. Dopo aver ottimizzato le condizioni operative affinché si raggiungesse la massima enantioselettività possibile, è stato effettuato uno studio del meccanismo di reazione tramite spettroscopia 1H NMR. L’indagine ha permesso di individuare le specie cataliticamente attive ed avere maggiori informazioni sulla cinetica della crotilborazione. Rispetto alla fase iniziale di sviluppo della reazione, l’ottimizzazione delle condizioni operative ha consentito di aumentare notevolmente sia la resa che l’eccesso enantiomerico. Le informazioni ricavate nel corso del progetto hanno inoltre portato a una maggiore comprensione del processo catalitico, che potrà essere sfruttata per incrementare ulteriormente l’efficienza e la selettività della reazione di crotilborazione in esame.

Definizione di metodi di modellazione e trattamento dati per l'ottimizzazione di modelli per motori da competizione

Trattamento dati, modellazione e calibrazione di un motore da competizione

Ottimizzazione e validazione sperimentale di una nuova procedura per chirurgia stereotassica

Gli interventi in campo neurologico richiedono un’elevata accuratezza e si basano generalmente su sistemi invasivi. Lo scopo della seguente trattazione è quello di presentare e validare sistemi innovativi per interventi di chirurgia stereotassica caratterizzati da una bassa invasività e una elevata accuratezza. Lo studio, partito dall’analisi dello stato dell’arte, pone la sua attenzione su nuove proposte e le ottimizza, ne ricava dei protocolli attuabili e li valida sperimentalmente. Due sono i punti salienti dell’elaborato: descrivere la procedura innovativa di intervento e i risultati in termini di affidabilità dello stesso. Gli elementi di novità si concentrano sull’ideazione e la realizzazione del sistema di fissaggio al cranio del paziente, elemento fondamentale per un accurato inserimento dell’utensile chirurgico, e sul metodo di verifica dell’accuratezza del sistema proposto. La qualità di tale sistema viene infine decretata dai risultati dei test sperimentali.

Impatto dell'uso dell'Edmonton Symptom Assessment System all'interno di un ambulatorio integrato di radioterapia e cure palliative sull'ottimizzazione della qualita di cura

I pazienti affetti da patologie oncologiche avanzate hanno un'esperienza di sintomi multipli spesso concomitanti tra loro. Lo scopo di questo progetto è quello di valutare come, nel contesto di un’ambulatorio integrato di Radioterapia e Cure Palliative (rep), sia possibile descrivere e quantificare i sintomi riportati dal paziente attraverso uno strumento di analisi convalidato, nello specifico l’Edmonton Symptom Assessment System (ESAS) al fine di costruire una proposta terapeutica ottimizzata per il singolo paziente. Da aprile 2016 ad aprile 2020, sono stati analizzati gli accessi al rep per un totale di 519 accessi, quindi abbiamo selezionato solo le visite dei pazienti che avevano completato totalmente lo strumento ESAS per la valutazione dei sintomi. La popolazione in studio era quindi composta da 212 pazienti, di questi 120 erano uomini, 92 erano donne, l'età media era di 72 anni, del totale il 36% era stato sottoposto a radioterapia. I principali risultati ottenuti dall'analisi dei dati relativi alla popolazione in studio sono stati i seguenti: 1) il 25% dei pazienti muore entro 2,2 mesi, il 60% entro 6 mesi; 2) la popolazione maschile ha un rischio di morte più elevato rispetto alla popolazione femminile; 3) Esiste una chiara differenza negli indici di correlazione tra la popolazione femminile e quella maschile 4) I principali sintomi correlati sono: dolore, mancanza di appetito, ansia, sonnolenza; 5) Il sintomo del dolore non è associato ad un aumento del rischio di morte, mentre la mancanza di appetito e sonnolenza sono associati ad un aumento del rischio di morte. In conclusione, i dati a nostra disposizione hanno dimostrato che un'analisi approfondita dei sintomi attraverso lo strumento ESAS è fattibile e necessaria portando informazioni fondamentali per una gestione ottimale del paziente, dandoci la possibilità di muoverci verso l'opportunità di trattamenti sempre più personalizzati e individualizzati in base alle caratteristiche dei singoli pazienti.

Studio e realizzazione di un supporto distanziale per ottimizzazione di operazioni di tempra laser

Studio e progettazione di una soluzione tecnologica da fissare a una testa di focalizzazione laser movimentata da un braccio robotico. Il fine dello strumento creato è migliorare l'efficienza e l'ergonomia della fase di setting dell'impianto e abbassare il tempo impiegato per misurare la distanza del laser dal pezzo. Nel corpo della tesi sono state analizzate varie opzioni realizzative con i relativi pro e contro e infine vengono mostrate le diverse fasi di prototipazione del prodotto scelto.

Ottimizzazione impiantistica di servizi di climatizzazione e acqua calda con produzione di energia da fotovoltaico: il caso studio del progetto "e-SAFE"

In questa tesi si è approfondito dal punto di vista impiantistico ed energetico il primo progetto pilota “e-SAFE”, relativo ad un condominio di edilizia popolare sito a Catania. Il progetto europeo “e-SAFE” mira alla riqualificazione “globale” del patrimonio edilizio UE, con obiettivi quali la decarbonizzazione, tramite raggiungimento di edifici nZEB, e la sicurezza sismica, includendo finalità sociali. È stata svolta la progettazione degli impianti tecnici relativi ai servizi di climatizzazione (riscaldamento e raffrescamento) e produzione acqua calda sanitaria (ACS), tramite adozione di sistema a pompa di calore abbinato ad impianto fotovoltaico provvisto di batterie di accumulo, al fine di massimizzare l’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili. Una soluzione innovativa è stata prevista per il sistema ACS tramite bollitori decentralizzati che permettono l’eliminazione della rete di ricircolo e dotano il servizio centralizzato di una certa “individualità”, con adozione di logiche di controllo che consentono di sfruttare al massimo l’energia da fotovoltaico. Sono state quindi svolte analisi energetiche, relative a tre casi impiantistici (senza PV, con PV e con batterie d’accumulo), con modellazione del sistema edificio-impianto adottando una procedura di calcolo orario, per poi confrontare i consumi elettrici, le emissioni e i principali indicatori energetici al fine di dimostrare la bontà delle scelte progettuali effettuate. Si è dimostrato come l’impiego dell’impianto fotovoltaico, abbinato ad un corretto dimensionamento delle batterie di accumulo, consente di ottimizzare la contemporaneità di produzione e consumo di energia. Nonché permette di minimizzare il prelievo di energia elettrica dalla rete nazionale, consumando e stoccando in loco l’elettricità autoprodotta da fonti energetiche totalmente rinnovabili.

Recupero e riutilizzo di uno scarpone da sci a fine vita. Ottimizzazione del processo di Design for Recycling con simulazione agli elementi finiti validata tramite correlazione di immagini digitale

Il presente elaborato di tesi è parte di un ampio progetto finalizzato alla realizzazione di uno scarpone da sci ottenuto per il 90% di materiale da riciclo di scarponi da sci a fine vita. L’obiettivo è di realizzare la progettazione del nuovo scarpone, e caratterizzarne le proprietà flessionali avvalendosi ti tecniche di simulazione numerica FEM validata attraverso Correlazione di Immagini Digitale. La caratterizzazione flessionale è realizzata con la prova del Flex Test, che consiste nell’imporre una flessione dorsale ad una protesi di gamba. Le prime simulazioni FEM di questo complesso modello hanno evidenziato delle criticità. La presente ricerca, si pone l’obiettivo di risolvere singolarmente questi problemi. Inizialmente, si è realizzata la blend polimerica dei materiali dello scafo e del gambetto dello scarpone. Si è effettuata la caratterizzazione meccanica del materiale, confrontandolo con il materiale vergine. Si è poi ricercato il modello costitutivo più adeguato di materiale iperelastico per il FEM. Successivamente, si è ottenuto il modello CAD della scarpetta attraverso l’approccio reverse engineering, con la tecnica della scansione 3D, la quale ha consentito di ottenere il file. STEP da aggiungere al modello FEM. La conoscenza della geometria effettiva ha consentito di realizzare il design della nuova scarpetta ottenuta da materiale riciclato. Infine, si è utilizzata la Correlazione di Immagini Digitali per studiare la cinematica della chiusura dei ganci dello scafo, e per studiare lo stato di deformazione residua a chiusura effettuata. Si è valutata l’influenza del piede della protesi, e della scarpetta, durante la chiusura dei ganci. In seguito, si è confrontato quanto ottenuto dalle evidenze sperimentali della DIC, con la simulazione agli elementi finiti. Si tratta di un approccio innovativo, che vede per la prima volta implementata la Correlazione di Immagini Digitali per realizzare la caratterizzazione meccanica di uno scarpone da sci.

Applicazione di algoritmi di ottimizzazione al progetto concettuale dei velivoli dell'aviazione generale

L’obbiettivo di questo elaborato è descrivere l'implementazione, attraverso l’uso del programma di calcolo Matlab, di un metodo per ottenere una configurazione di un velivolo dell’aviazione generale che sia rispettosa delle specifiche di progetto e presenti un costo orario minimo. Il metodo utilizzato per progettare l’aeromobile preso come caso di studio è basato sui concetti della progettazione robusta. Con questo metodo di progettazione si cerca di rendere l’aereo il più insensibile possibile alle modifiche di alcuni dei parametri di progetto che possono variare in modo casuale; in particolare ci si è concentrati sul costo orario di una missione, andandone a calcolare la media e la sua deviazione standard. Considerando infine il rapporto segnale-rumore introdotto da Taguchi per la progettazione robusta, viene implementato un metodo di ottimizzazione basato su un algoritmo Particle Swarm Optimization (PSO), attraverso il quale si ottengono i valori più idonei dei parametri di progetto necessari per la realizzazione del futuro velivolo. In dettaglio, i parametri fissati in seguito all’applicazione dell’ottimizzatore sono l’allungamento alare, il carico alare e il rapporto potenza massima motori-peso. A conclusione del lavoro svolto, si può dire che l’ottimizzazione robusta può essere utile in tutti i casi in cui alcuni parametri di progetto non sono definiti in modo univoco, ma possono variare in un modo non prevedibile all’inizio della sviluppo del prodotto.