Studio e ottimizzazione del processo di fabbricazione additiva (SLM) per applicazioni in ambito biomedicale: produzione di protesi e strutture reticolari

Il progetto di dottorato che verrà presentato in questa tesi è focalizzato sullo sviluppo di un metodo sperimentale per la produzione di protesi personalizzate utilizzando il processo di fabbricazione additiva di Selective Laser Melting (SLM). L’obiettivo è quello di definire una condizione di processo ottimizzata per applicazioni in ambito chirurgico che possa essere generalizzabile, ovvero che ne garantisca la riproducibilità al variare dell’anatomia del paziente e che rappresenti la base per estendere il metodo ad altre componenti protesiche. Il lavoro si è sviluppato lungo due linee principali, la cui convergenza ha permesso di realizzare prototipi di protesi complete utilizzando un solo processo: da una parte la produzione di componenti a massima densità per il raggiungimento di elevate resistenze meccaniche, buona resistenza ad usura e corrosione e controllo di tensioni residue e deformazione delle parti stampate. Dall’altra si sono studiate strutture reticolari a geometria e porosità controllata per favorire l’osteointegrazione della componente protesica post impianto. In questo studio sono stati messe a confronto le possibili combinazioni tra parametri di processo e sono state individuate le correlazioni con le proprietà finali dei componenti stampati. Partendo da queste relazioni si sono sviluppate le strategie tecnologiche per la progettazione e la produzione dei componenti. I test sperimentali svolti e i risultati ottenuti hanno dimostrato la fattibilità dell’utilizzo del processo SLM per la produzione di protesi personalizzate e sono stati fabbricati i primi prototipi funzionali. La fabbricazione di protesi personalizzate richiede, però, anche la progettazione e la produzione di strumentario chirurgico ad hoc. Per questo motivo, parallelamente allo studio della lega di Cromo Cobalto, sono stati eseguiti i test anche su campioni in INOX 316L. Anche in questo caso è stato possibile individuare una finestra operativa di processo che garantisse proprietà meccaniche comparabili, e in alcuni casi superiori, a quelle ottenute con processi convenzionali.

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.

Advanced voxel-based CAD modelling for FSI simulations for automotive structures design

Additive Manufacturing (AM) is nowadays considered an important alternative to traditional manufacturing processes. AM technology shows several advantages in literature as design flexibility, and its use increases in automotive, aerospace and biomedical applications. As a systematic literature review suggests, AM is sometimes coupled with voxelization, mainly for representation and simulation purposes. Voxelization can be defined as a volumetric representation technique based on the model’s discretization with hexahedral elements, as occurs with pixels in the 2D image. Voxels are used to simplify geometric representation, store intricated details of the interior and speed-up geometric and algebraic manipulation. Compared to boundary representation used in common CAD software, voxel’s inherent advantages are magnified in specific applications such as lattice or topologically structures for visualization or simulation purposes. Those structures can only be manufactured with AM employment due to their complex topology. After an accurate review of the existent literature, this project aims to exploit the potential of the voxelization algorithm to develop optimized Design for Additive Manufacturing (DfAM) tools. The final aim is to manipulate and support mechanical simulations of lightweight and optimized structures that should be ready to be manufactured with AM with particular attention to automotive applications. A voxel-based methodology is developed for efficient structural simulation of lattice structures. Moreover, thanks to an optimized smoothing algorithm specific for voxel-based geometries, a topological optimized and voxelized structure can be transformed into a surface triangulated mesh file ready for the AM process. Moreover, a modified panel code is developed for simple CFD simulations using the voxels as a discretization unit to understand the fluid-dynamics performances of industrial components for preliminary aerodynamic performance evaluation. The developed design tools and methodologies perfectly fit the automotive industry’s needs to accelerate and increase the efficiency of the design workflow from the conceptual idea to the final product.

Optimization of an innovative T6 heat treatment for the AlSi10Mg alloy processed by Laser-based Powder Bed Fusion: effect on microstructure, mechanical properties, and tribological behavior

Laser-based Powder Bed Fusion (L-PBF) technology is one of the most commonly used metal Additive Manufacturing (AM) techniques to produce highly customized and value-added parts. The AlSi10Mg alloy has received more attention in the L-PBF process due to its good printability, high strength/weight ratio, corrosion resistance, and relatively low cost. However, a deep understanding of the effect of heat treatments on this alloy's metastable microstructure is still required for developing tailored heat treatments for the L-PBF AlSi10Mg alloy to overcome the limits of the as-built condition. Several authors have already investigated the effects of conventional heat treatment on the microstructure and mechanical behavior of the L-PBF AlSi10Mg alloy but often overlooked the peculiarities of the starting supersatured and ultrafine microstructure induced by rapid solidification. For this reason, the effects of innovative T6 heat treatment (T6R) on the microstructure and mechanical behavior of the L-PBF AlSi10Mg alloy were assessed. The short solution soaking time (10 min) and the relatively low temperature (510 °C) reduced the typical porosity growth at high temperatures and led to a homogeneous distribution of fine globular Si particles in the Al matrix. In addition, it increased the amount of Mg and Si in the solid solution available for precipitation hardening during the aging step. The mechanical (at room temperature and 200 °C) and tribological properties of the T6R alloy were evaluated and compared with other solutions, especially with an optimized direct-aged alloy (T5 alloy). Results showed that the innovative T6R alloy exhibits the best mechanical trade-off between strength and ductility, the highest fatigue strength among the analyzed conditions, and interesting tribological behavior. Furthermore, the high-temperature mechanical performances of the heat-treated L-PBF AlSi10Mg alloy make it suitable for structural components operating in mild service conditions at 200 °C.

Numerical simulation of the flow and performance evaluation of an aerospike engine

The main focus of this work is to define a numerical methodology to simulate an aerospike engine and then to analyse the performance of DemoP1, which is a small aerospike demonstrator built by Pangea Aerospace. The aerospike is a promising solution to build more efficient engine than the actual one. Its main advantage is the expansion adaptation that allows to reach the optimal expansion in a wide range of ambient pressures delivering more thrust than an equivalent bell-shaped nozzle. The main drawbacks are the cooling system design and the spike manufacturing but nowadays, these issues seem to be overcome with the use of the additive manufacturing method. The simulations are performed with dbnsTurbFoam which is a solver of OpenFOAM. It has been designed to simulate a supersonic compressible turbulent flow. This work is divided in four chapters. The first one is a short introduction. The second one shows a brief summary of the theoretical performance of the aerospike. The third one introduces the numerical methodology to simulate a compressible supersonic flow. In the fourth chapter, the solver has been verified with an experiment found in literature. And in the fifth chapter, the simulations on DemoP1 engine are illustrated.

Dragonlifter - Un lifter da p-code a C

L'analisi di codice compilato è un'attività sempre più richiesta e necessaria, critica per la sicurezza e stabilità delle infrastrutture informatiche utilizzate in tutto il mondo. Le tipologie di file binari da analizzare sono numerose e in costante evoluzione, si può passare da applicativi desktop o mobile a firmware di router o baseband. Scopo della tesi è progettare e realizzare Dragonlifter, un convertitore da codice compilato a C che sia estendibile e in grado di supportare un numero elevato di architetture, sistemi operativi e formati file. Questo rende possibile eseguire programmi compilati per altre architetture, tracciare la loro esecuzione e modificarli per mitigare vulnerabilità o cambiarne il comportamento.

Progetto preliminare e modellazione CAD di UAV ad ala rotante per impieghi agricoli

In questa tesi viene descritto uno studio preliminare su un velivolo ad ala rotante UAV (Unmanned Aerial Veichle) per supportare l'agricoltura di precisione. E' stato implementato in ambiente Matlab un semplice modello matematico per stimare la trazione del rotore principale in un elicottero. Successivamente, è stata presa in considerazone una meccanica commerciale per modellismo che potrebbe essere adottata per sveltire i tempi di sviluppo di questo UAV: la Graupner UNI-Mechanics 2000. E' stato, quindi, modellato al CAD un prototipo di struttura da realizzare tramite tecniche di Additive Manufacturing: questa parte è stata concepita per essere collegata alla meccanica dell'elicottero e può ospitare due taniche contenenti le sostanze da irrorare sulle colture. A livello di sviluppo futuro, si propone di applicare tecniche di ottimizzazione topologica alla struttura di collegamento per ottenere uno sfruttamento ottimale del materiale e ridurre le masse di questo componente.

Studio del comportamento meccanico e tribologico della lega AlSi10Mg prodotta mediante Laser-based Powder Bed Fusion sottoposta ad un ciclo tecnologico ottimizzato

AlSi10Mg alloy is one of the most widely used alloys for producing structural components by Laser-based Powder Fusion (L-PBF) technology due to the high mechanical and technological properties. The present work aims to characterize mechanically and tribologically the L-PBF AlSi10Mg alloy subjected to both heat treatment and surface modification cycles. Specifically, the effects of three heat treatments on the tribological and mechanical properties of the alloy were analyzed: T5 (artificial aging at 160 °C for 4 h), T6 rapid solution heat treatment (solution heat treatment at 510 °C for 1h and aging at 160 °C for 6 h), and T6 benchmark (solution heat treatment at 540 °C for 1h and aging at 160 °C for 4 h), the latter used as a benchmark. The study highlighted how the better balance between strength and ductility properties induced by the introduction of heat treatments leads to lower wear resistance and not significant variations in the friction coefficient of the alloy. The tribological and mechanical behavior of the alloy coated with two different coating structures, consisting of (i) chemical Ni (Ni-P) and (ii) Ni-P + DLC, was also evaluated. The goal was the identification of a deposition cycle such as to guarantee the optimization of the mechanical and tribological behavior of the alloy. The Ni-P coating provided good wear resistance but an increase in the coefficient of friction. In contrast, using the DLC top coating resulted in excellent tribological performance in wear resistance and friction coefficient. The samples characterized by the Ni-P + DLC multilayer coating were subsequently subjected to mechanical characterization. The results obtained highlighted problems of adhesion and incipient breaking of the material due to the different mechanical behavior of the coating, considerably reducing the mechanical performance of the alloy coated with Ni-P+DLC multilayer solution compared to the specimens in the un-coated condition.

Caratterizzazione e simulazione di un generatore eolico di piccole dimensioni

Durante gli ultimi anni sta avendo sempre più rilevanza il problema del cambiamento climatico, dovuto principalmente all’emissione in atmosfera di gas serra. Una delle soluzioni da adottare è una transizione energetica verso fonti di energia rinnovabili e una progressiva elettrificazione di tutte le tecnologie che utilizzano ancora combustibili fossili. L’obiettivo di questa tesi di Laurea è analizzare e implementare un semplice modello in MATLAB/Simulink di una turbina eolica, conoscendo solo i dati di targa del generatore, la curva di potenza della turbina e avendo a disposizione dei dati reali di velocità del vento, potenza prodotta e velocità di rotore. Il progetto quindi consiste in un lavoro di reverse engineering in cui, partendo dai componenti reali, si cerca di ricavare, in maniera empirica e sperimentale, i parametri che ne caratterizzano il modello matematico. Successivamente è stato implementato un modello su Simulink, partendo da un modello già esistente, in cui si è simulato il comportamento della macchina, ottenendo una stima della potenza prodotta.

ricerca di vulnerabilità in applicazioni apple su dispositivi mobile

Le app mobile sono sempre più pervasive nella vita quotidiana delle persone: gli smartphone hanno rivoluzionato il modo di interagire degli utenti con le varie organizzazioni. Che sia per l'accesso al proprio conto corrente, per la visualizzazione delle notizie quotidiane o per il semplice svago, gli utenti usano sempre più il mondo mobile come canale privilegiato per la fruizione dei contenuti digitali. Il sempre maggior successo delle applicazioni mobile ha sempre più spostato l'attenzione dei malintenzionati sugli smartphone, che sono diventati così uno degli obiettivi più popolari per i cyberattacchi: ciò comporta nuove sfide per le organizzazioni al fine di garantire la sicurezza di dati e sistemi. Risulta fondamentale per un organizzazione in particolare mantenere un controllo sulle proprie applicazioni mobile: configurazioni errate, errori di programmazione, inclusione di librerie software vulnerabili o malevoli e la presenza di credenziali cablate nel codice o nelle configurazioni rappresentano un notevole rischio per la confidenzialità, l'integrità e disponibilità di dati e sistemi. Se risulta fondamentale nello sviluppo un approccio che utilizzi i principi della Security by Design, risulta ancora più importante un presidio costante sulle applicazioni e la costruzione di un ciclo di vita del software sicuro (SSDLC). A tal fine la proposta del progetto di tesi riguarda l'analisi delle principali minacce e vulnerabilità delle applicazioni mobile e lo sviluppo di uno strumento di analisi dei pacchetti mobile (su piattaforma Android o iOS) al fine di identificare possibili rischi prima della pubblicazione dei pacchetti sugli store ufficiali.

Toughened ZrO2 ceramics sintered with a La2O3-rich glass as additive

In this study, the influence of the glass addition and sintering parameters on the densification and mechanical properties of tetragonal zirconia polycrystals (3Y-TZP) ceramics were evaluated. High-purity tetragonal ZrO2 powder and La2O3-rich glass were used as starting powders. Two compositions based on ZrO2 and containing 5wt.% and 10wt.% of La2O3-rich glass were studied in this work. The starting powders were mixed/milled by planetary milling, dried at 90 degrees C for 24 h, sieved through a 60 mesh screen and uniaxially cold pressed under 80 MPa. The samples were sintered in air at 1200 degrees C, 1300 degrees C, 1400 degrees C for 60 min and at 1450 degrees C for 120 min, with heating and cooling rates of 10 degrees C/min. Sintered samples were characterized by relative density, X-ray diffraction (XRD) and scanningelectron microscopy (SEM). Hardness and fracture toughness were obtained by Vickers indentation method. Dense sintered samples were obtained for all conditions. Furthermore, only tetragonal-ZrO2 was identified as crystalline phase in sintered samples, independently of the conditions studied. Samples sintered at 1300 degrees C for 60 min presented the optimal mechanical properties with hardness and fracture toughness values near to 12 GPa and 8.5 MPa m(1/2) respectively. (c) 2007 Elsevier B.V, All rights reserved.

The role of automatic shape and position recognitionin streamlining manufacturing

The main features of most components consist of simple basic functional geometries: planes, cylinders, spheres and cones. Shape and position recognition of these geometries is essential for dimensional characterization of components, and represent an important contribution in the life cycle of the product, concerning in particular the manufacturing and inspection processes of the final product. This work aims to establish an algorithm to automatically recognize such geometries, without operator intervention. Using differential geometry large volumes of data can be treated and the basic functional geometries to be dealt recognized. The original data can be obtained by rapid acquisition methods, such as 3D survey or photography, and then converted into Cartesian coordinates. The satisfaction of intrinsic decision conditions allows different geometries to be fast identified, without operator intervention. Since inspection is generally a time consuming task, this method reduces operator intervention in the process. The algorithm was first tested using geometric data generated in MATLAB and then through a set of data points acquired by measuring with a coordinate measuring machine and a 3D scan on real physical surfaces. Comparison time spent in measuring is presented to show the advantage of the method. The results validated the suitability and potential of the algorithm hereby proposed

Development of procedures for the design, optimization and manufacturing of customized orthopaedic and trauma implants: Geometrical/anatomical modelling from 3D medical imaging

Tese de Doutoramento (Programa Doutoral em Engenharia Biomédica)

Tuotteen suunnitteluketjun tehostaminen 3D-ympäristössä

Tämä diplomityö on tehty Andritz Oy:lle Washers & Filters tuoteryhmään. Työ on osa 3D-suunnittelujärjestelmän käyttöönottoprojektia. Tavoitteena on arvioida uuden laitesuunnittelujärjestelmän vaikutuksia yrityksen tietojärjestelmiin ja toimintatapoihin sekä etsiä potentiaalisia tulevaisuuden kehityskohteita. Suunnittelutietoa hyödyntäviä sidosryhmien edustajia haastattelemalla selvitettiin järjestelmille ja ohjelmistoille asetettavia vaatimuksia. Ohjelmistoihin tutustumalla saatiin käsitys niiden nykytilasta ja kehityssuunnista. 3D-geometrian hyödyntämiseen perustuvilla järjestelmillä voidaan poistaa päällekäistä työtä sekä lyhentää läpimenoaikoja suunnittelussa ja valmistuksessa sijoittamalla työvaiheita rinnakkain. Suurimmat 3D-suunnittelun edut saavutetaan tuotekehitysvaiheessa, tuotemuutoksia tehtäessä sekä valmistusprosesseja suunniteltaessa. Ongelmallisimmat osa-alueet tietojärjestelmien kehittämisessä ovat ensi-sijaisesti tiedonsiirto ohjelmistojen välillä, työntekijöiden muutosvastarinta sekä laadukkaiden järjestelmien korkea hinta. Laajojen tietojärjestelmä-projektien läpivienti on hyvin haastavaa ja onnistuminen vaatii kaikkien sidosryhmien mukana olemista ja tarkkaa projektin koordinointia.

Fabrication additive ou Impression 3D. Aperçus sur une variation terminographique

Materiaalia lisäävä valmistus eli 3D-tulostus on valmistusmenetelmä, jossa kappale tehdään 3D-mallin pohjalta materiaalikerroksia lisäämällä, käyttäen useita tekniikoita ja materiaaleja. Menetelmää sovelletaan useilla teollisuuden aloilla. Lisääviä valmistustekniikoita on kehitetty 1990-luvun alkupuolelta lähtien, ja ne monipuolistuvat jatkuvasti. Tässä pro gradu -tutkielmassa tutkitaan sovellusalan terminologian kehitystä vertailevilla menetelmillä ja luodaan kolmikielinen sanasto alan asiantuntijoille, joita edustaa Suomessa FIRPA ry. Sanaston kielet ovat englanti, ranska ja suomi. Terminologian tutkimus on perinteisesti keskittynyt sanastotyöhön ja käsiteanalyysiin, sen sijaan termihistorian tutkimus on ollut vähäisempää. Tässä työssä on tehty vertailevaa termitutkimusta sekä sanastotyön että termihistorian näkökulmista. Vertailutasoja ovat termien merkityksen muuttuminen, vertailu pivot-kielen suhteen ja kielikohtaisten ominaisuuksien tarkastelu termien muotoutumisessa. Tutkittavia asioita ovat sanastokäsitteiden väliset suhteet, synonyymien, varianttien ja uudissanojen moninaisuus, ja termien yleiskielistyminen. Samalla pohditaan muita termien muuttumiseen vaikuttavia syita. Tärkeimpänä lähteenä käytetään Wohlersin vuosiraportteja, jotka kuvaavat kattavasti koko teollisuudenalaa. Koska englannin pivot-vaikutus on voimakasta teknisillä aloilla, omankielisen terminologian kehittyminen vaatii tietoista terminologiatyötä ja aktiivista omankielisten termien käyttöä. Terminologian vakiintumista voidaan arvioida termivarianttien ja uudissanojen määristä, sekä termien yleiskielistymisestä. Terminologia muuttuu jatkuvasti toimialan kehittyessä ja vaatii säännöllistä päivittämistä. Termihistorian tunteminen tukee sanastotyön termivalintoja. Alan asiantuntijat ovat vastuussa omasta terminologiastaan, ja heidän aktiivisuutensa on tärkeää sen kehittämisessä. Toteutettu sanasto on tämän pro gradu -tutkielman liitteenä ja se julkaistaan myös FIRPA ry:n Internet-sivustolla. Suomenkielinen osio sanastosta on ensimmäinen laaja suomeksi julkaistu materiaalia lisäävän valmistuksen sanasto.