Advanced Organic Materials: from Additive Manufacturing to Organic Electronics and Biomedical Applications

This manuscript represents an overview on the studies I was involved in during my PhD at the Industrial Chemistry Department “Toso Montanari”, in the ASOM (Advanced Smart Organic Materials) research group under the supervision of Prof. Letizia Sambri and Prof. Mauro Comes Franchini. Those research have been focused on the development of organic materials for advanced applications in different fields, among which organic electronics, additive manufacturing (3D Printing) and biomedical applications can be underlined.

Production and characterization of novel thermoplastic (nano)composite materials for additive manufacturing applications

The increasing environmental global regulations have directed scientific research towards more sustainable materials, even in the field of composite materials for additive manufacturing. In this context, the presented research is devoted to the development of thermoplastic composites for FDM application with a low environmental impact, focusing on the possibility to use wastes from different industrial processes as filler for the production of composite filaments for FDM 3D printing. In particular carbon fibers recycled by pyro-gasification process of CFRP scraps were used as reinforcing agent for PLA, a biobased polymeric matrix. Since the high value of CFs, the ability to re-use recycled CFs, replacing virgin ones, seems to be a promising option in terms of sustainability and circular economy. Moreover, wastes from different agricultural industries, i.e. wheat and rice production processes, were valorised and used as biofillers for the production of PLA-biocomposites. The integration of these agricultural wastes into PLA bioplastic allowed to obtain biocomposites with improved eco-sustainability, biodegradability, lightweight, and lower cost. Finally, the study of novel composites for FDM was extended towards elastomeric nanocomposite materials, in particular TPU reinforced with graphene. The research procedure of all projects involves the optimization of production methods of composite filaments with a particular attention on the possible degradation of polymeric matrices. Then, main thermal properties of 3D printed object are evaluated by TGA, DSC characterization. Additionally, specific heat capacity (CP) and Coefficient of Linear Thermal Expansion (CLTE) measurements are useful to estimate the attitude of composites for the prevention of typical FDM issues, i.e. shrinkage and warping. Finally, the mechanical properties of 3D printed composites and their anisotropy are investigated by tensile test using distinct kinds of specimens with different printing angles with respect to the testing direction.

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.

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.

What Bees Want: Algorithm-Aided Design di un'arnia progettata per le api e realizzata in Additive Manufacturing

L’importanza delle api per la vita sulla Terra ed il rischio alle quali sono sottoposte per via dell’azione dell’uomo sono ormai un dato di fatto. La concezione antropocentrica della natura e l’allevamento al solo fine produttivo di questi piccoli insetti, ha da sempre danneggiato il loro habitat e interferito con i loro cicli biologici. L’apicoltura, nata come un rapporto mutualistico in cui l’uomo offriva un rifugio alle api e loro in cambio provvedevano al suo nutrimento, si è trasformato in una dannosa dipendenza ed in un assoggettamento di questi insetti ai ritmi artificiali e tutt’altro che naturali della produzione rapida e seriale volta all’ottenimento di un profitto. Un’evidente prova di questa condizione, sono i rifugi per le api, le arnie. Ci siamo mai chiesti perché le arnie hanno questa forma? È quella che preferiscono le api, o quella che rende più pratici e veloci processi di costruzione, gestione e produzione? In natura le api colonizzano cavità quali tronchi cavi di alberi, forme lontane, per non dire diametralmente opposte a quelle in cui le vediamo vivere negli allevamenti. In questa ottica, il design e le nuove tecnologie, poste al servizio della Natura, conducono ad un punto di incontro tra le esigenze umane e quelle degli altri esseri viventi, delle api in questo caso. I concetti di Additive Manufacturing e Design Computazionale, permettono processi di produzione simili a quelli evolutivi naturali e trovano per questa motivazione un’applicazione ideale per progetti che si pongono come fine quello di discostarsi da una visione troppo artificiale, per riavvicinarsi alla perfezione e all’armonia delle leggi della Natura.

Stato dell'arte di scaffold ottenuti mediante tecnologie additive ed elettrofilatura per la rigenerazione del tessuto muscolo-scheletrico

Il sistema muscolo scheletrico è costituito dall’insieme di ossa, cartilagini e tessuti molli come muscoli, tendini e legamenti, che presentano una diversa struttura e differenti proprietà meccaniche tra loro. La sua principale funzione è quella di fornire supporto, forma e garantire il movimento fisiologico del corpo. Per questa ragione, il sistema muscolo scheletrico e continuamente sollecitato e di conseguenza molto soggetto a traumi o infortuni. Un’alternativa all’approccio chirurgico tradizionale è l’ingegneria tissutale che permette di creare scaffold in grado di promuovere la rigenerazione dei tessuti naturali. Negli ultimi decenni si è riscontrato un forte incremento dell’utilizzo della stampa 3D e dell’elettrofilatura come tecniche di fabbricazione di questi scaffold grazie ai loro diversi vantaggi. La stampa 3D presenta diversi benefici, tra cui la possibilità di creare costrutti personalizzati in grado di riprodurre similmente la geometria del tessuto nativo con efficienza dei costi e tempi di produzione ridotti rispetto alle tecniche tradizionali. Tuttavia, questa tecnica presenta ancora una limitata risoluzione sufficiente, ad esempio, per riprodurre la struttura e le proprietà del tessuto osseo, ma non idonea al raggiungimento della scala nanometrica, tipica dei tessuti fibrosi muscolo scheletrici. Al contrario, l’elettrofilatura è in grado di produrre fibre nanometriche che riescono a mimare la matrice extracellulare di questi tessuti. Tuttavia, si riscontrano ancora alcune difficoltà nel controllare la struttura tridimensionale e le proprietà meccaniche di questi scaffold nella scala micro e macrometrica. Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare gli studi che utilizzano un approccio combinato tra stampa 3D ed elettrofilatura per la produzione di scaffold per la rigenerazione del tessuto muscolo scheletrico, definendo lo stato dell’arte dei vari processi di produzione e le possibili prospettive future.

Computational design of a new type of sandwich cross-section for a defined solution of a tree-like column produced by wire-and-arc additive manufacturing

When it comes to designing a structure, architects and engineers want to join forces in order to create and build the most beautiful and efficient building. From finding new shapes and forms to optimizing the stability and the resistance, there is a constant link to be made between both professions. In architecture, there has always been a particular interest in creating new shapes and types of a structure inspired by many different fields, one of them being nature itself. In engineering, the selection of optimum has always dictated the way of thinking and designing structures. This mindset led through studies to the current best practices in construction. However, both disciplines were limited by the traditional manufacturing constraints at a certain point. Over the last decades, much progress was made from a technological point of view, allowing to go beyond today's manufacturing constraints. With the emergence of Wire-and-Arc Additive Manufacturing (WAAM) combined with Algorithmic-Aided Design (AAD), architects and engineers are offered new opportunities to merge architectural beauty and structural efficiency. Both technologies allow for exploring and building unusual and complex structural shapes in addition to a reduction of costs and environmental impacts. Through this study, the author wants to make use of previously mentioned technologies and assess their potential, first to design an aesthetically appreciated tree-like column with the idea of secondly proposing a new type of standardized and optimized sandwich cross-section to the construction industry. Parametric algorithms to model the dendriform column and the new sandwich cross-section are developed and presented in detail. A catalog draft of the latter and methods to establish it are then proposed and discussed. Finally, the buckling behavior of this latter is assessed considering standard steel and WAAM material properties.

ADDITIVE MANUFACTURING: tecnologia innovativa per l'ottimizzazione di macchine elettriche

Lo scopo di questa tesi è quello di mostrare le potenzialità e le possibili soluzioni dell’Additive Manufacturing per l’ottimizzazione di macchine elettriche in risposta al problema delle terre rare. Nel primo capitolo viene presentato lo stato dell’arte dell’Additive Manufacturing mostrando una rapida panoramica delle sue caratteristiche principali, le potenzialità future e i settori di utilizzo. Il secondo capitolo propone le principali tecniche di Stampa 3D per la realizzazione di oggetti evidenziando di ognuna i pregi e i difetti. All’interno del terzo capitolo, viene illustrata la struttura di una macchina elettrica mostrando le varie componenti e presentando delle possibili ottimizzazioni realizzate tramite Additive Manufacturing. Nel quarto capitolo vengono presentati esempi di macchine elettriche complete realizzate attraverso le tecniche dell’Additive Manufacturing. Nel quinto capitolo vengono confrontati un Interior Permanent Magnets motor e un Synchronous Relectance Machine.

Analisi dello stato dell’arte di scaffold biomimetici mediante l'utilizzo di tecnologie additive per la rigenerazione del tessuto osseo

Ogni giorno, nel mondo, si verificano migliaia di fratture ossee e la maggior parte di esse, con il passare del tempo, riescono a rimarginarsi in modo autonomo. In casi più importanti, le fratture ossee necessitano di interventi chirurgici. Per queste motivazioni, affianco ad autoinnesti, alloinnesti e xenoinnesti, negli ultimi anni si è iniziato a parlare in modo sempre più frequente di ingegneria tissutale. In questo tipo di ingegneria, vengono sviluppate delle impalcature in grado di emulare il tessuto osseo naturale. Lo scopo di questa tesi è analizzare le varie tipologie di produzione di scaffold ossei che si ottengono attraverso la tecnologia della stampa 3D. Nella parte introduttiva dell’elaborato, viene inserita una descrizione del tessuto osseo visto sia dal punto di vista cellulare e della composizione, sia dal punto di vista delle proprietà meccaniche. Successivamente, parlando di medicina rigenerativa, vengono descritti i mezzi di osteosintesi, gli innesti e le impalcature, o scaffold, da impiantare nel sito di interesse. Per quanto riguarda gli scaffold, devono soddisfare diversi requisiti, tra cui la biomimetica, la compatibilità con l’attività cellulare, requisiti di progettazione e proprietà meccaniche adeguate. Tali scaffold possono essere realizzati attraverso diverse geometrie interne. Nella seconda parte dell’elaborato, vengono analizzate le geometrie a cubo semplice, a cubo a faccia centrata/a diamante, a cubo a corpo centrato, a dodecaedro rombico, a traliccio di ottetto, a cubo troncato, modellate attraverso il metodo delle superfici minime triplamente periodiche e con tassellatura di Voronoi. Per i vari articoli analizzati sono stati investigati i metodi di produzione e i risultati ottenuti confrontando vantaggi e svantaggi fra le differenti geometrie.

Proprietà meccaniche ottenibili tramite Additive Manufacturing

Da anni è iniziata la quarta rivoluzione industriale che ha portato all’industria 4.0 e che, a differenza delle precedenti, è trainata da diverse tecnologie, tra cui l’Additive Manufacturing (AM). Lo scopo della tesi è quello di analizzare i prodotti ottenuti tramite AM e le loro proprietà meccaniche (resistenza a trazione, durezza, vita a fatica…) per paragonarli con quelli ottenuti tramite metodi convenzionali (fonderia, lavorazione alle macchine utensili…). Il primo capitolo introduttivo presenta le principali caratteristiche del processo, tra cui: i materiali utilizzati, i parametri, i vantaggi e gli svantaggi rispetto ai tradizionali metodi produttivi e l’evoluzione della tecnologia. Il secondo capitolo tratta più in particolare degli acciai, delle leghe di alluminio e di titanio, illustrando le principali tecnologie utilizzate e l’influenza dei parametri di processo e mette, poi, in relazione la microstruttura che si crea in seguito ad AM con le proprietà meccaniche ottenibili, anche in virtù di post-trattamenti. Nel terzo capitolo sono esaminati i materiali polimerici. Vengono illustrate le principali tecnologie utilizzate e le proprietà meccaniche ottenibili in relazione alla materia prima utilizzata e ai parametri di processo. Infine, sono valutati gli effetti del rinforzo in fibra sulle proprietà meccaniche. Nel capitolo finale, si traggono le conclusioni sull’utilità dell’AM per capirne l’importante ruolo all’interno della fabbricazione. Si analizza brevemente il mercato italiano relativo alle tecnologie additive e si fa un accenno a quelli che potrebbero essere gli sviluppi nei prossimi anni.

Caratterizzazione sperimentale a fatica di provini in AlSi10Mg prodotti tramite Additive Manufacturing

L’Additive Manufacturing è una tecnologia che ormai da qualche anno sta diventando sempre piu’ utilizzata in numerosi ambiti, tra cui l’automotive. In questo settore sono molte le aziende che stanno sperimentando e cercando di inglobare tale processo al loro interno. Tra queste l’Università di Bologna, dove un team studentesco motociclistico si occupa della creazione di un prototipo di moto elettrica da competizione. Nell'intento di utilizzare tale tecnologia, sono numerose le informazioni necessarie per la corretta progettazione. Infatti, le caratteristiche dei materiali che vengono usati principalmente non sono ancora del tutto chiare e presentano alcuni aspetti poco investigati. Per questo motivo, in tale progetto si è deciso di caratterizzare a fatica provini realizzati in AlSi10Mg che presentassero una particolare geometria, per indagare anche l’influenza dello spessore. Sono quindi stati realizzati i campioni, anche con alcuni trattamenti di post-processo e sono poi stati osservati i risultati a fatica e alcune caratteristiche, tra cui: porosità, densità e struttura dei bagni di fusione. Tali valori riscontrati sono poi stati confrontati con quelli ottenuti in altri studi, cercando di comprendere differenze e motivazioni dei fenomeni osservati.

Cure Induced Residual Stresses on Thick Composite Components Manufactured by Additive Process

This study investigates the effect of an additive process in manufacturing of thick composites. Airstone 780 E epoxy resin and 785H Hardener system is used in the analysis since it is widely used wind turbine blade, namely thick components. As a fiber, fabric by SAERTEX (812 g/m2) with a 0-90 degrees layup direction is used. Temperature overshoot is a major issue during the manufacturing of thick composites. A high temperature overshoot leads to an increase in residual stresses. These residual stresses are causing warping, delamination, dimensional instability, and undesired distortion of composite structures. A coupled thermo-mechanical model capable of predicting cure induced residual stresses have been built using the commercial FE software Abaqus®. The possibility of building thick composite components by means of adding a finite number of sub-laminates has been investigated. The results have been compared against components manufactured following a standard route. The influence of pre-curing of the sub-laminates has also been addressed and results compared with standard practice. As a result of the study, it is found that introducing additive process can prevent temperature overshoot to occur and benefits the residual stresses generation during the curing process. However, the process time required increases by 50%, therefore increasing the manufacturing costs. An optimized cure cycle is required to minimize process time and cure induced defects simultaneously.

Optimization and characterization of a wheat-based biocomposite for additive manufacturing

In recent years plastic is a key material, fundamental for a large variety of implications. But its large utilization has the direct consequence of the disposal of tons of wastes, that in the major amount cannot be recycled. To pose a solution to the issue of the increasing amount of plastics that are rapidly accumulating all over the world, it is necessary to switch to biodegradable materials. This dissertation is focused on a biodegradable and biobased plastic (polylactic acid, PLA), in order to set free the material from the market and issues of oil, but the PLA is very expensive. For this reason it was added a part of natural component derived from wastes (wheat middling), that acts as reinforcement and decreases the cost of the final material forming a biocomposite. Since their interaction is difficult, the purpose of this dissertation is to improve the affinity between the PLA and the wheat middling.

Progetto e modellazione CAD di parti per comandi di simulatore di volo di elicottero da produrre con tecniche additive

La tesi di laurea, di tipo sperimentale, nasce dall’esigenza di progettare un sistema di force feedback da installare sui comandi di un simulatore di volo per elicottero, prevedendo di utilizzare tecnologie additive per la produzione dei componenti. Sono state, quindi, presentate alcune proposte per il soddisfacimento dei requisiti di progetto. Tra le due soluzioni progettuali individuate, una è stata scartata, mentre l'altra, basata su un collare da montare sul comando del ciclico e su un disegno per il supporto del sistema di ritenuta, è stata sviluppata. Sono state fatte, di conseguenza, assieme a quelle di tipo progettuale, alcune scelte legate alla pianificazione meccanica (ad esempio, scelta delle viti e delle molle). Il risultato finale è un sistema di force feedback funzionante, in cui la leva del comando ciclico del simulatore di volo per elicottero oppone uno sforzo in seguito ad una deflessione da parte del pilota.

Benchmarking di sistemi di additive manufacturing in termini di precisione di forma con ispirazione al sistema GD&T

Questo studio si pone come obiettivo lo sviluppo e la sperimentazione di un metodo per eseguire un benchmarking di due diversi sistemi di Additive Manufacturing mediante macchina di misura a coordinate Renishaw Cyclone. In particolare sono valutate le prestazioni in termini di precisione di forma di un sistema di tipo FDM e di uno di tipo PolyJet al fine di ottenere dati indicanti le potenzialità di queste due tecnologie per parti di piccole dimensioni. Dopo un’introduzione generale sull’Additive Manufacturing, si scende nei dettagli delle due tecniche oggetto dello studio e si discute di come strutturare il piano sperimentale in funzione degli obiettivi dell’attività e dei metodi scelti per l’acquisizione e la valutazione dei dati. Si parte, infatti, con la fabbricazione di un modello di benchmark, le cui geometrie vengono poi rilevate tramite una macchina di misura a coordinate per ottenere i valori di precisione di forma, che sono presentati come tolleranze geometriche del sistema GD&T. Successivamente, si descrivono tutte le fasi dell’attività sperimentale, iniziando con l’ideazione del modello di benchmark e proseguendo con i processi di fabbricazione e misurazione, per poi arrivare alla deduzione dei valori di precisione di forma tramite un post-processing dei dati. Infine, si presentano i valori di tolleranza ottenuti e si traggono le conclusioni riguardo la riuscita dell’attività sperimentale e il confronto tra le due tecnologie di Additive Manufacturing.