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.

Development of a Computer-Based methodology for tolerance selection and optimization applied to the automotive sector

The design optimization of industrial products has always been an essential activity to improve product quality while reducing time-to-market and production costs. Although cost management is very complex and comprises all phases of the product life cycle, the control of geometrical and dimensional variations, known as Dimensional Management (DM), allows compliance with product and process requirements. Hence, the tolerance-cost optimization becomes the main practice to provide an effective application of Design for Tolerancing (DfT) and Design to Cost (DtC) approaches by enabling a connection between product tolerances and associated manufacturing costs. However, despite the growing interest in this topic, a profitable application in the industry of these techniques is hampered by their complexity: the definition of a systematic framework is the key element to improving design optimization, enhancing the concurrent use of Computer-Aided tools and Model-Based Definition (MBD) practices. The present doctorate research aims to define and develop an integrated methodology for product/process design optimization, to better exploit the new capabilities of advanced simulations and tools. By implementing predictive models and multi-disciplinary optimization, a Computer-Aided Integrated framework for tolerance-cost optimization has been proposed to allow the integration of DfT and DtC approaches and their direct application for the design of automotive components. Several case studies have been considered, with the final application of the integrated framework on a high-performance V12 engine assembly, to achieve both functional targets and cost reduction. From a scientific point of view, the proposed methodology provides an improvement for the tolerance-cost optimization of industrial components. The integration of theoretical approaches and Computer-Aided tools allows to analyse the influence of tolerances on both product performance and manufacturing costs. The case studies proved the suitability of the methodology for its application in the industrial field, providing the identification of further areas for improvement and refinement.

PCM-based battery thermal management systems, energy saving materials and LCA strategy for automotive

This PhD work arises from the necessity to give a contribution to the energy saving field, regarding automotive applications. The aim was to produce a multidisciplinary work to show how much important is to consider different aspects of an electric car realization: from innovative materials to cutting-edge battery thermal management systems (BTMSs), also dealing with the life cycle assessment (LCA) of the battery packs (BPs). Regarding the materials, it has been chosen to focus on carbon fiber composites as their use allows realizing light products with great mechanical properties. Processes and methods to produce carbon fiber goods have been analysed with a special attention on the university solar car Emilia 4. The work proceeds dealing with the common BTMSs on the market (air-cooled, cooling plates, heat pipes) and then it deepens some of the most innovative systems such as the PCM-based BTMSs after a previous experimental campaign to characterize the PCMs. After that, a complex experimental campaign regarding the PCM-based BTMSs has been carried on, considering both uninsulated and insulated systems. About the first category the tested systems have been pure PCM-based and copper-foam-loaded-PCM-based BTMSs; the insulated tested systems have been pure PCM-based and copper-foam-loaded-PCM-based BTMSs and both of these systems equipped with a liquid cooling circuit. The choice of lighter building materials and the optimization of the BTMS are strategies which helps in reducing the energy consumption, considering both the energy required by the car to move and the BP state of health (SOH). Focusing on this last factor, a clear explanation regarding the importance of taking care about the SOH is given by the analysis of a BP production energy consumption. This is why a final dissertation about the life cycle assessment (LCA) of a BP unit has been presented in this thesis.

Development and application of a computer-based methodology for design for additive manufacturing of automotive components

The research project aims to improve the Design for Additive Manufacturing of metal components. Firstly, the scenario of Additive Manufacturing is depicted, describing its role in Industry 4.0 and in particular focusing on Metal Additive Manufacturing technologies and the Automotive sector applications. Secondly, the state of the art in Design for Additive Manufacturing is described, contextualizing the methodologies, and classifying guidelines, rules, and approaches. The key phases of product design and process design to achieve lightweight functional designs and reliable processes are deepened together with the Computer-Aided Technologies to support the approaches implementation. Therefore, a general Design for Additive Manufacturing workflow based on product and process optimization has been systematically defined. From the analysis of the state of the art, the use of a holistic approach has been considered fundamental and thus the use of integrated product-process design platforms has been evaluated as a key element for its development. Indeed, a computer-based methodology exploiting integrated tools and numerical simulations to drive the product and process optimization has been proposed. A validation of CAD platform-based approaches has been performed, as well as potentials offered by integrated tools have been evaluated. Concerning product optimization, systematic approaches to integrate topology optimization in the design have been proposed and validated through product optimization of an automotive case study. Concerning process optimization, the use of process simulation techniques to prevent manufacturing flaws related to the high thermal gradients of metal processes is developed, providing case studies to validate results compared to experimental data, and application to process optimization of an automotive case study. Finally, an example of the product and process design through the proposed simulation-driven integrated approach is provided to prove the method's suitability for effective redesigns of Additive Manufacturing based high-performance metal products. The results are then outlined, and further developments are discussed.

Laser cladding and its potential to reduce particulate matter emissions from the automotive and locomotive sector

Laser Cladding (LC) is an emerging technology which is used both for coating applications as well as near-net shape fabrication. Despite its significant advantages, such as low dilution and metallurgical bond with the substrate, it still faces issues such as process control and repeatability, which restricts the extension to its applications. The following thesis evaluates the LC technology and tests its potential to be applied to reduce particulate matter emissions from the automotive and locomotive sector. The evaluation of LC technology was carried out for the deposition of multi-layer and multi-track coatings. 316L stainless steel coatings were deposited to study the minimisation of geometric distortions in thin-walled samples. Laser power, as well as scan strategy, were the main variables to achieve this goal. The use of constant power, reduction at successive layers, a control loop control system, and two different scan strategies were studied. The closed-loop control system was found to be practical only when coupled with the correct scan strategy for the deposition of thin walls. Three overlapped layers of aluminium bronze were deposited onto a structural steel pipe for multitrack coatings. The effect of laser power, scan speed and hatch distance on the final geometry of coating were studied independently, and a combined parameter was established to effectively control each geometrical characteristic (clad width, clad height and percentage of dilution). LC was then applied to coat commercial GCI brake discs with tool steel. The optical micrography showed that even with preheating, the cracks that originated from the substrate towards the coating were still present. The commercial brake discs emitted airborne particles whose concentration and size depended on the test conditions used for simulation in the laboratory. The contact of LC cladded wheel with rail emitted significantly less ultra-fine particles while maintaining the acceptable values of coefficient of friction.

Power converters in WBG device technology for automotive applications and characterization setups for GaN power transistors

This PhD dissertation envisages the design of innovative power converters exploiting WBG devices to get state-of-the-art performance in products intended for industrial applications of automotive field. The collaborations with different specialized companies, provided the opportunity to access commercially-available state-of-the-art SiC and GaN technologies and the possibility to realize innovative converter prototypes. Concerning SiC technology, the complete design of a $350kW$ Battery Emulator instrument in collaboration with a company leader in the automotive testing sector, was carried out from scratch exploiting state-of-the-art SiC power-modules, planar magnetics and top-notch MCU technologies. Discrete high-voltage GaN switches were exploited in the Power Supplies design for automotive charger application to target improved performances compared to the market state-of-the-art. Specifically, two high-efficiency prototypes, an AC/DC converter and a DC/DC converter of $7.5kW$, have been realized for this purpose. To further investigate the characteristics of state-of-the-art GaN power devices two measurement set-ups have been designed. In particular, the trapping phenomenon causing the collapse of drain current during ON-state with a consequent degradation of ON-resistance has been analyzed.

IDeS methodology applied to automotive component re-engineering focused on lightweight and high-strength by additive manufacturing

The project aims to gather an understanding of additive manufacturing and other manufacturing 4.0 techniques with an eyesight for industrialization. First the internal material anisotropy of elements created with the most economically feasible FEM technique was established. An understanding of the main drivers for variability for AM was portrayed, with the focus on achieving material internal isotropy. Subsequently, a technique for deposition parameter optimization was presented, further procedure testing was performed following other polymeric materials and composites. A replicability assessment by means of the use of technology 4.0 was proposed, and subsequent industry findings gathered the ultimate need of developing a process that demonstrate how to re-engineer designs in order to show the best results with AM processing. The latest study aims to apply the Industrial Design and Structure Method (IDES) and applying all the knowledge previously stacked into fully reengineer a product with focus of applying tools from 4.0 era, from product feasibility studies, until CAE – FEM analysis and CAM – DfAM. These results would help in making AM and FDM processes a viable option to be combined with composites technologies to achieve a reliable, cost-effective manufacturing method that could also be used for mass market, industry applications.

Metodologie avanzate per l'ottimizzazione dell'assemblaggio di una pompa carburante per automotive

Il seguente elaborato è il frutto del lavoro di tirocinio svolto in Marelli. L'obiettivo del tirocinio è stato il miglioramento del processo di produzione della Pompa Tender. Questa è la pompa di alimentazione benzina per cui Marelli ha vinto la concessione per diventare unico fornitore per tutte le scuderie partecipanti alle gare di formula 1. Il mondo Motorsport rappresenta un ambiente competitivo dove ogni singolo componente delle auto deve garantire le massime prestazioni ed essere affidabile. La massima cura nella produzione è un requisito minimo per diventare fornitori di questa realtà. Per questo Marelli ha deciso di mettere in dubbio il suo processo di fabbricazione cercando un occhio esterno che potesse mettere a nudo eventuali difetti di produzione. Il miglioramento di processo è stato perseguito analizzando ogni operazione in ottica di Lean Manufacturing. Il lavoro è partito con l'analisi del tempo ciclo di produzione accompagnata dalla rilevazione di Muda e verifiche sul corretto approvvigionamento di materiali e accertamenti sulla funzionalità del layout di stabilimento. Dopo le analisi del caso, sono state prese scelte di miglioramento che vanno dal riadattamento del Layout, eliminazione di colli di bottiglia, modifica sulle fasi di processo, riorganizzazione degli strumenti di lavoro sui banchi di assemblaggio ed eliminazione di cause di contaminazione all'interno della pompa. Questo ha permesso di ridurre il tempo ciclo di produzione del componente e di conseguenza diminuire la saturazione dell'operatore. Inoltre, successivamente si è fatto un lavoro di standardizzazione su tutte le pompe dello stesso tipo prodotte nello stabilimento. Grazie a questa standardizzazione si può parlare adesso di famiglia di pompe ed esse non vengono più trattate singolarmente.

Analisi ed implementazione di sistemi innovativi per lo stoccaggio della normaleria nel settore automotive. Il caso Lamborghini Automobili spa.

Attraverso questa tesi si vuole mostrare il valore aggiunto che i sistemi di immagazzinamento automatico della merce possono offrire alle aziende, facendo un focus particolare sulle aziende manifatturiere. La scelta di approfondire questa tematica nasce dall’esperienza di tirocinio svolta all’interno di Automobili Lamborghini S.p.A. situata a Sant’Agata Bolognese (Bologna), nota in tutto il mondo per la produzione di Super Sport Cars. Partendo dall'introduzione dell'order picking e delle tipologie di magazzini esistenti, si passerà all'introduzione di algoritmi per il posizionamento dei codici all'interno di un magazzino. Una volta introdotto il problema dello stoccaggio dei codici di normaleria all'interno di un magazzino, verrà identificata la soluzione implementata in Automobili Lamborghini.

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.

Implementazione di un sistema di controllo atto a ottimizzare l’efficienza di convertitori DC-DC impiegati in ambito Automotive e realizzati con tecnologia GaN

Lo scopo del presente progetto di ricerca è quello di dimostrare quelli che potrebbero essere i miglioramenti nell’adottare tecnologie GaN nei convertitori di potenza, soffermandosi sull’ambito Automotive. Si è dunque progettato, simulato ed infine analizzato un sistema di conversione bidirezionale DC-DC. Le prestazioni ottime sono state poi raggiunte attraverso l’introduzione di un sistema di controllo in grado di garantire, in ogni condizione, il miglior funzionamento possibile che garantisca il soddisfacimento delle richieste da parte del veicolo. Questo consentirà quindi di gestire il funzionamento del convertitore sia nelle fasi di scarica che in quelle di rigenerazione (regenerative braking). Al convertitore, è stato introdotto anche un controllo adattivo per la ricerca del dead-time ottimo dei segnali di pilotaggio dei transistor.

Sviluppo di un AR wearable device per il settore Automotive ricaricato tramite le vibrazioni del telaio

In questo elaborato di tesi vengono presentati la ricerca e il lavoro che hanno portato all’ideazione e sviluppo di CirculAR. CirculAR consiste in un dispositivo per la realtà aumentata, che assiste i conducenti di veicoli a due ruote, quali biciclette, monopattini e motocicli, proiettandogli informazioni utili per una guida in sicurezza. L’energia che alimenta il dispositivo per la realtà aumentata viene generata, in modo sostenibile, dalla conversione in energia elettrica dell’energia cinetica ottenuta dalle vibrazioni che si scaricano al telaio, originate dal contatto tra manto stradale e veicolo stesso. Il sistema - prodotto è composto, infatti, da due dispositivi differenti, un wearable device e un generatore elettrico, che cooperano per il raggiungimento di una Realtà Aumentata più sostenibile ed innovativa. Per lo sviluppo di CirculAR sono state prese in considerazione tecnologie innovative ad oggi oggetto di grande ricerca e interesse scientifico; per questo studio in particolare, si è deciso di conciliare queste tecnologie con una progettazione mirata alla semplificazione ed alla specializzazione dei singoli componenti per garantirne un generale livello di forte innovazione tecnologica ed, al contempo, una riduzione del costo complessivo di vendita del prodotto. Il connubio di queste tecnologie ha permesso di realizzare due dispositivi innovativi sia da un punto di vista tecnologico che da un punto di vista della sostenibilità, che possono rappresentare un modello per una futura generazione di wearable device sostenibile.

Lifetime Modeling of SiC Power Modules in Automotive Traction Inverters

This thesis presents a model-based software implementation for the estimation of the damage of a power module inside and automotive traction inverter with few hardware test setup performed to support the simulation with real-life data.

Progetto per il monitoraggio e l'assistenza alla guida in contesti automotive

Nel panorama dell’automotive negli ultimi decenni si sono moltiplicate le normative nazionali, europee e mondiali per ridurre l'impatto socio-economico derivato dall’alto numero di sinistri stradali. Dall’analisi dei dati è emerso che una delle cause più impattanti dei sinistri è la distrazione: sono stati estrapolati i fattori che la inducono e raggruppati nelle macro-categorie di disattenzione, inattenzione, sonnolenza e stati mentali alterati. TESSA (Tecnology EEG Safety System Automotive) propone un approccio di assistenza alla guida che sfrutta le onde cerebrali del conducente, costantemente monitorate da un auricolare EEG, rileva fattori problematici e interviene con un’assistenza vocale considerando reazioni e necessità dell’utente, gravità della problematica e tempo di reazione necessario. Interagendo con il conducente TESSA sfrutta le tecnologie disponibili per comunicare il pericolo e condurre l’utente verso un’adeguata ripresa della guida. Il progetto è stato sviluppato considerando un target con un alto impatto sulla quantità dei sinistri stradali e che ricoprisse un notevole ruolo sociale: la fascia d’età più idonea su cui intervenire è 18-25 anni, un target ancora inesperto alla guida e adatto a recepire e promuovere lo scenario dell’automotive in veloce trasformazione verso un futuro sempre più orientato alla prevenzione e alla connettività. Seppur lo studio del concept sia rivolto principalmente a una popolazione giovanile TESSA è in grado di adattarsi a qualsiasi fascia d’età perché progettata per soddisfare le necessità del singolo conducente e della singola problematica, e può guidarlo nella ripresa del controllo della guida intervenendo al variare delle onde cerebrali. L’approccio di intervento mediato con l’assistenza vocale permette all’utente di mantenere il controllo del veicolo: TESSA non sostituisce il conducente ma mira a renderlo consapevole del rischio di pericolo e pronto a intervenire in prima persona in modo cosciente e adeguato.

Caratterizzazione a flessione di materiali compositi per impiego automotive

L’introduzione dei materiali compositi all’interno dell’ambiente industriale ha modificato l’idea di progettazione delle strutture, permettendo il raggiungimento di eccellenti prestazioni difficilmente ottenibili con materiali classici. Grazie all’uso dei compositi si sono ottenute elevata resistenza e leggerezza, caratteristiche di grande interesse nell’industria aerospaziale, delle costruzioni civili e soprattutto del settore automobilistico. Il materiale composito viene considerato oggigiorno un materiale innovativo del quale non si conoscono in modo esaustivo tutte le caratteristiche. Da questa premessa è nata la campagna sperimentale di questa tesi, il cui scopo è la definizione della sequenza di laminazione per la realizzazione della molla posteriore per la sospensione del prototipo da competizione Emilia5, del team Onda Solare. Si è ricercata la configurazione che conferisse una rigidità flessionale maggiore rispetto a quelle campionate. Si è proceduto, quindi, allo studio delle possibili sequenze di laminazione con cui realizzare la molla e sono stati creati i provini utilizzando CFRP unidirezionale, materiale caratterizzato da un’elevata resistenza lungo l’asse longitudinale. I 5 provini realizzati si differenziano principalmente per le metodologie di sovrapposizione delle lamine contigue e per i materiali utilizzati. Sui provini realizzati è stata eseguita una caratterizzazione mediante prova di flessione in tre punti, dalla quale sono stati ricavati i dati necessari alla successiva analisi delle proprietà. Infine, con i risultati ottenuti si è proceduto alla determinazione della sequenza di laminazione ottimale per la realizzazione del prototipo.