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.

Sviluppo di metodologie di simulazione avanzate per la progettazione fluidodinamica di condotti di motori endotermici alternativi

L’attuale panorama motoristico, fortemente guidato dalle normative, prevede l’implementazione di diverse tecnologie che hanno lo scopo di migliorare l’efficienza del motore e ridurre le emissioni di inquinanti e per le quali risulta necessario una corretta progettazione dei condotti di aspirazione. Lo sviluppo ottimale dei condotti risulta un compromesso tra obiettivi contrastanti e in termini matematici si tratta di un’ottimizzazione multiobiettivo. Le simulazioni CFD e gli algoritmi genetici sono stati applicati con successo allo studio di questi problemi, ma la combinazione di questi elementi risulta notevolmente dispendiosa in termini di tempo, in quanto sarebbero necessarie un alto numero di simulazioni. Per ridurre i tempi di calcolo, un set di simulazioni CFD pu`o essere pi`u convenientemente utilizzato per istruire una rete neurale, che una volta opportunamente istruita pu`o essere usata per prevedere gli output delle simulazioni in funzione dei parametri di progetto durante l’ottimizzazione con l’algoritmo genetico, operando quella che viene chiamata una ottimizzazione virtuale. In questa tesi, viene mostrata una metodologia numerica per l’ottimizzazione multi-obiettivo dei condotti di aspirazione, basata su un modello CAD a geometria variabile, le simulazioni fluidodinamiche tridimensionali e una rete neurale combinata con un algoritmo genetico.

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.

Analisi delle prestazioni di un sistema di accumulo termico

Analisi termofluidodinamica di un accumulatore di calore che utilizza materiali a cambiamento di fase (PCM). I campi di velocità, di temperatura e di titolo, in regime termico non stazionario, relativi al singolo canale, vengono calcolati con un programma basato sul metodo dei volumi finiti, scritto in ambiente di lavoro Matlab. Vengono proposte diverse ottimizzazioni delle performance di accumulo termico, basate su un algoritmo genetico. Le ottimizzazioni sono fatte sia con differenti tipi di parametri di valutazione, sia con differenti gradi del polinomio che descrive la parete del canale; per ogni ottimizzazione l’algoritmo genetico è stato, quindi, utilizzato per determinare i parametri geometrici del canale ottimali. A partire dai risultati ottenuti dalle ottimizzazioni, vengono poi analizzate le prestazioni di canali della stessa geometria, ai quali viene aggiunta un’intelaiatura metallica. Vengono, infine, mostrati i risultati delle simulazioni numeriche fatte.

Algoritmi per la ricostruzione di immagini tomografiche con rumore misto

Nella tomografia computerizzata subentrano due fonti principali di rumore nel processo di generazione dell'immagine. Il l rumore legato al disturbo generato dall'elettronica si può modellare con un rumore di Gauss, mentre il rumore dovuto all'interazione dei fotoni con il corpo in scansione può essere modellato con un rumore di Poisson. Partendo da un modello per la rimozione del rumore misto di Poisson-Gauss (modello Infimal), viene applicato l'algoritmo del gradiente proiettato scalato (SGP) con Infimal su vari rumori misti per analizzarne l'efficacia.

"Assisted factorial experimental design" per l'ottimizzazione della determinazione di benzene ematico in gc-fid

La quantificazione del benzene ematico è un tema di grande interesse nell'ambito della tossicologia occupazionale. La determinazione dell'analita, estratto nello spazio di testa di un vial, è eseguita mediante l'utilizzo di un gascromatografo con rilevatore a ionizzazione di fiamma (GC-FID). Si è cercato di ottimizzare il processo di estrazione del benzene dal sangue allo spazio di testa ed il successivo trasferimento dell'analita nella colonna cromatografica, mediante l'applicazione di un disegno sperimentale fattoriale a tre fattori e due livelli (DoE). I fattori individuati per impostare il piano sperimentale sono stati: variazione della temperatura di incubazione (A) del vial contenente il campione di sangue, pH del campione (B), modulato mediante aggiunta di una soluzione di H2SO4 e forza ionica (C), regolata mediante una soluzione acquosa di NaCl. I livelli scelti per ciascuna variabile sono stati: per A 40 e 60 °C; per B pH naturale del campione e pH a seguito dell'aggiunta di 1 mL di H2SO4 1.8 M; per C FI naturale del campione e FI dovuta all'aggiunta di una soluzione acquosa di sodio cloruro (5 g/L). Dall'analisi dei risultati forniti dal DoE, si è osservato che A, B e C hanno effetti tra loro contrastanti, per questo motivo non sembra essere vantaggioso combinare variabili differenti. In compenso, sia l'aumento di temperatura che l'aggiunta di acido solforico portano a significativi miglioramenti nell'estrazione di benzene dal sangue. Tra i tre trattamenti risulta essere B quello più efficace, motivo per il quale si ritiene che l'aggiunta di una soluzione acquosa di H2SO4 al campione di sangue porti ad una maggiore sensibilità e risoluzione strumentale. Sicuramente la sensibilità del metodo elaborato non può essere paragonata alle tradizionali determinazioni con spettrometro di massa, ma si ritiene possa essere sufficientemente soddisfacente per valutare l'esposizione a benzene dei lavoratori a rischio e come analisi di screening rapida ed economica.