Design for repair: ottimizzazione metodologie e caso di studio sottogruppo meccanico

Negli ultimi anni si è visto un forte segnale di cambiamento culturale indirizzato verso la sostenibilità affermando sempre più efficacemente i concetti di riciclaggio, riduzione e riutilizzo. Finora il design dei prodotti si è concentrato su aspetti che sfavorivano tale approccio e piuttosto si ponevano come specifica quella di definire a priori la vita del prodotto. Infatti, si sono sempre più sviluppate tecniche di accoppiamento delle parti che una volta accoppiate non consentivano più il disassemblaggio di queste. L’obiettivo di tale elaborato è stato quello di definire, nella famiglia di metodologie chiamata Design for X, un criterio che possa valutare e guidare la progettazione in ottica più mirata verso la riparabilità del prodotto “Design for Repair”. Aumentare la riparabilità del prodotto vuol dire poter aumentare la sua longevità, così da non avere la necessità di sostituirlo con un componente nuovo causando un impatto ambientale doppio, ossia la mancata necessità sia di sfruttare risorse per la realizzazione del sostituto sia di non dover occuparsi del processo di smaltimento del prodotto sostituito.

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.

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.

Ottimizzazione della selezione dei decadimenti Λ 0 b → pK− e Λ 0 b → pπ− per la misura delle asimmetrie di CP

In questa tesi è presentato il lavoro svolto per ottimizzare le selezioni dei decadimenti Λ 0 b → pK− e Λ 0 b → pπ− al fine di misurarne le asimmetrie di CP. Il campione di dati utilizzato corrisponde ad una luminosità integrata di 6 fb−1, raccolto dall'esperimento LHCb in collisioni protone-protone ad un'energia nel centro di massa di 13 TeV. L'ottimizzazione della selezione è di fondamentale importanza nello studio di questi decadimenti, per ottenere la minor incertezza statistica possibile sulle asimmetrie misurate. Il lavoro svolto in questa tesi ha portato ad avere incertezze statistiche sulle singole asimmetrie di CP pari a: σ(A pK CP ) = 0.76%, σ(A pπ CP) = 0.95%, che risultano essere minori di circa un fattore due rispetto ai risultati già pubblicati dalla Collaborazione LHCb. Il lavoro svolto in questa tesi sarà parte della pubblicazione dei risultati ottenuti su rivista internazionale, prevista per il 2023

Studio e ottimizzazione della produzione di radioisotopi per radiofarmaci mediante generatori compatti di neutroni

I generatori compatti di neutroni possono rappresentare un grande progresso nell'ambito della Medicina Nucleare. Sono una valida alternativa rispetto ai metodi tradizionali per la produzione dei radioisotopi necessari per la sintesi dei radiofarmaci, e permettono di esplorare e sviluppare nuove metodologie radioterapeutiche innovative, complementari e potenzialmente più efficaci rispetto a quelle già esistenti. Enea sta portando avanti due progetti in questo ambito. Il primo, SORGENTINA-RF, è volto allo sviluppo di una macchina in grado di produrre un fascio di neutroni a 14MeV, con la quale irradiare un target di molibdeno metallico, in modo da ottenere tecnezio-99 metastabile (99mTc), il radioisotopo più usato al mondo nelle procedure di imaging biomedico. Il secondo progetto, LINC-ER, ha lo scopo di progettare le infrastrutture necessarie ad accogliere un generatore compatto di neutroni, il cui scopo sarà quello di eliminare le residue cellule tumorali dopo un intervento chirurgico, a ferita aperta, in modo simile alle attuali tecniche di radioterapia intraoperatoria, che però sfruttano elettroni o raggi X. Questo lavoro di tesi trova posto in questi progetti perché ha contributo a portare avanti le ricerche in due aspetti specifici. Nel caso di SORGENTINA-RF, sono stati studiati tutti gli aspetti radiochimici per ottenere dal molibdeno metallico la soluzione liquida di molibdato sodico da cui si estrae il 99mTc. In questo caso si è deciso di puntare su processo “green” e innovativo basato sull’uso di perossido di idrogeno. Durante la tesi si sono studiati i più importanti fattori che governano questo processo e si è definito un meccanismo chimico che lo spiega. Nel caso di LINC-ER, invece, il lavoro sperimentale è stato quello di studiare metodi e rotte sintetiche nuove per ottenere nanoparticelle di composti di boro e bario, dispersi in hydrogels in grado di amplificare gli effetti del fascio neutronico sui tessuti cancerogeni e ridurli su quelli sani.

Analisi e ottimizzazione di un convertitore DC-DC impiegato come circuito di interfaccia per un carico rigenerativo

Questa tesi è stata svolta in collaborazione con un’azienda di Cesena che si occupa della progettazione e costruzione di caricabatterie e saldatrici e si pone come scopo di analizzare quello che viene chiamato carico "rigenerativo" un dispositivo che permette di testare e collaudare questo tipo di macchine consumando la minor energia elettrica possibile. In particolare si discuterà come avviene il funzionamento del circuito di interfaccia e la sua resa energetica attraverso alcune simulazioni con vari tipi di carichi. Verrà anche presa in esame una prova con il circuito realizzato e confrontata con quella analoga svolta al simulatore.

Aspetti microstrutturali, proprietà meccaniche e ottimizzazione del trattamento termico di un acciaio inossidabile PH processato con laser powder bed fusion

L’attività di ricerca svolta in questa tesi ha riguardato gli aspetti microstrutturali, le proprietà meccaniche e l’ottimizzazione del trattamento termico di un acciaio inossidabile indurente per precipitazione processato mediante tecnologia additiva Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). I provini, realizzati presso il competence center Bi-REX (Bologna) e lavorati presso il laboratorio di Metallurgia del DIN, sono stati oggetto di vari trattamenti termici sperimentali in cui è stata fatta variare la temperatura e la durata di mantenimento in forno, al fine di identificare la combinazione ottimale di temperatura e tempo sia per la fase di solubilizzazione che di invecchiamento. Nello specifico, la scelta dei parametri di solubilizzazione e invecchiamento è stata fatta solo sulla base dei trend di durezza. Da queste attività sono stati scelti i parametri di trattamento che garantissero elevata durezza, prossima alla massima ottenibile, senza durate di invecchiamento eccessive. L'esito della sperimentazione ha permesso di ridurre sensibilmente temperatura e durata di solubilizzazione rispetto al trattamento benchmark senza penalizzazione della durezza risultante. Dopodiché è stata eseguita una caratterizzazione microstrutturale e meccanica dell’acciaio, in termini di durezza, trazione e resilienza, per confrontare il trattamento termico ottimizzato con la condizione As-Built (AB) e con il trattamento termico standard indicato dal produttore. L’elevata durezza misurata dopo invecchiamento si deve alla presenza di precipitati di rinforzo in grado di ostacolare il moto delle dislocazioni. Le prove meccaniche hanno confermato l’ottenimento di elevata resistenza a snervamento e a trazione, superiore al benchmark, ma di un basso allungamento a rottura e bassissima resilienza a causa di difetti quali porosità, mancate fusioni e spattering. Infine, lo studio delle superfici di frattura ha permesso di analizzare i meccanismi di rottura dei campioni di trazione e resilienza.

Ottimizzazione del processo di gestione delle modifiche della distinta base prodotto il caso IMA S.p.A.

A seguito di un’esigenza esplicitata della Divisione IMA Ilapak Lugano, il team del PaLM Entreprise ha creato il Modulo Segnalazione Modifiche (MSM) con lo scopo di standardizzare e strutturare il flusso informativo relativo alle modifiche della distinta base dagli uffici tecnici a quelli della logistica e produzione. La prima analisi effettuata è stata incentrata sulla situazione AS-IS e sul primo applicativo che utilizzava Ilapak Lugano, il Segnalazione Modifiche (SM). Dopo aver appreso il funzionamento del vecchio SM, sono emerse diverse criticità come la scarsa integrazione con la piattaforma PaLM e con gli altri sistemi che conducevano a problemi di trasmissione di informazione tra gli uffici e ad errori nel recupero delle modifiche corrette. Dopo differenti riunioni tra i due team sono state concordate le prime specifiche. Successivamente l’elaborato procede con un’analisi della situazione TO-BE, descrivendo le caratteristiche ed i vantaggi del MSM. Uno dei principali benefici è che il Modulo è perfettamente integrato all’interno del PaLM e con tutti i sistemi PDM e CAD. Tutto ciò permette di migliorare la comunicazione e la collaborazione tra i vari dipartimenti, in special modo tra gli uffici tecnici e la logistica e con i fornitori. La terza ed ultima analisi è, invece, una valutazione economica: vengono calcolati i costi della situazione AS-IS, quelli della TO-BE e, in seguito, viene fatta un’analisi costi/benefici, confrontando i due scenari. Attraverso l’implementazione del MSM, si ottengono i seguenti risultati: non solo si ottiene una riduzione dei costi, ma anche un risparmio importante di tempo per gli operatori. Ilapak Lugano è risultata essere la portavoce di un progetto che, in realtà, molte altre Divisioni IMA desiderano. Senza dubbio, il fine ultimo del progetto del MSM è quello di introdurlo in quante più Divisioni possibili, rendendolo un modulo indispensabile all’interno dell’azienda.

Ottimizzazione di un Data Warehouse con Google Cloud Platform

I dati sono una risorsa di valore inestimabile per tutte le organizzazioni. Queste informazioni vanno da una parte gestite tramite i classici sistemi operazionali, dall’altra parte analizzate per ottenere approfondimenti che possano guidare le scelte di business. Uno degli strumenti fondamentali a supporto delle scelte di business è il data warehouse. Questo elaborato è il frutto di un percorso di tirocinio svolto con l'azienda Injenia S.r.l. Il focus del percorso era rivolto all'ottimizzazione di un data warehouse che l'azienda vende come modulo aggiuntivo di un software di nome Interacta. Questo data warehouse, Interacta Analytics, ha espresso nel tempo notevoli criticità architetturali e di performance. L’architettura attualmente usata per la creazione e la gestione dei dati all'interno di Interacta Analytics utilizza un approccio batch, pertanto, l’obiettivo cardine dello studio è quello di trovare soluzioni alternative batch che garantiscano un risparmio sia in termini economici che di tempo, esplorando anche la possibilità di una transizione ad un’architettura streaming. Gli strumenti da utilizzare in questa ricerca dovevano inoltre mantenersi in linea con le tecnologie utilizzate per Interacta, ossia i servizi della Google Cloud Platform. Dopo una breve dissertazione sul background teorico di questa area tematica, l'elaborato si concentra sul funzionamento del software principale e sulla struttura logica del modulo di analisi. Infine, si espone il lavoro sperimentale, innanzitutto proponendo un'analisi delle criticità principali del sistema as-is, dopodiché ipotizzando e valutando quattro ipotesi migliorative batch e due streaming. Queste, come viene espresso nelle conclusioni della ricerca, migliorano di molto le performance del sistema di analisi in termini di tempistiche di elaborazione, di costo totale e di semplicità dell'architettura, in particolare grazie all'utilizzo dei servizi serverless con container e FaaS della piattaforma cloud di Google.

Ottimizzazione del processo di distillazione per il recupero del TiCl4 in un impianto di sintesi dei catalizzatori Ziegler-Natta

Il presente lavoro di tesi riguarda lo studio di fattibilità e valutazione comparativa di soluzioni impiantistiche e di processo finalizzate all’ottimizzazione dell’attuale sezione di distillazione di un impianto di produzione dei catalizzatori Ziegler-Natta. Il TiCl4 figura tra i principali reagenti impiegati nella sintesi dei catalizzatori, ma la tecnologia attualmente in uso non ne consente il totale recupero. A partire da una panoramica dell’intero processo produttivo dei catalizzatori Ziegler-Natta, si sono analizzate le criticità della sezione di distillazione e si sono valutate possibili soluzioni. Con l’obiettivo di ottenere un significativo recupero del TiCl4 rispetto alla situazione attuale, lo studio di fattibilità si è orientato verso un processo di distillazione con solvente. Al fine di valutare l’efficacia di tale soluzione, si è utilizzato il programma Aspen Plus V12. I principali composti coinvolti nel processo, che verranno implementati nell’ambiente di simulazione, sono: il TiCl4, il TiCl3(OC2H5) e un solvente. Quest’ultimo è il risultato di una ricerca tra sostanze con proprietà idonee al processo di distillazione studiato. Per ognuno dei composti sono richieste le principali proprietà termo-fisiche. Tuttavia, per il TiCl3(OC2H5) non vi sono informazioni disponibili presso le banche dati e la molecola è termicamente instabile. È stato perciò impiegato un particolare approccio ai contributi di gruppo per stimarne le proprietà d’interesse. Il solvente adottato è costituito da una miscela di isomeri: sono state effettuate delle misurazioni al fine di confermare un composto puro per l’ambiente di simulazione. Le simulazioni di processo hanno permesso di condurre con successo lo studio di fattibilità. Ulteriori proposte impiantistiche e per apparecchiature sono state valutate a completamento di tale studio. Il presente lavoro è stato svolto presso il centro Ricerche e Sviluppo “Giulio Natta” nella sede di Ferrara di LyondellBasell Industries.

Studio e ottimizzazione del riciclo di CFRP tramite processo di pirogassificazione

I compositi rinforzati con fibre di carbonio (CFRC) stanno sempre più sostituendo i materiali convenzionali in applicazioni che necessitano di alte prestazioni meccaniche, grazie alla loro leggerezza e alle eccellenti proprietà meccaniche. Dato l'enorme incremento della loro produzione e delle loro applicazioni, uno dei principali problemi risiede nel loro smaltimento, sia a fine vita che degli scarti e sfridi di lavorazione. Inoltre, la produzione di fibre di carbonio (CF) necessita di un elevato fabbisogno energetico (183-286 MJ/kg), pertanto la possibilità di recupero dei compositi in ottica di riutilizzo delle CF sembra essere un'opzione promettente in termini di sostenibilità ed economia circolare. Nell’ottica di identificare una metodologia per recuperare e riciclare questi materiali, il lavoro della presente tesi di laurea sperimentale, svolto in collaborazione con Leonardo SpA, è stato quello di studiare e ottimizzare il processo di pirogassificazione su CRFP aeronautici.

CFRP modificati con membrane elettrofilate per il self-healing: ottimizzazione delle condizioni di cura e test di delaminazione

I compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre di carbonio (Carbon fiber reinforced polymers, CFRP) posseggono proprietà meccaniche uniche rispetto ai materiali convenzionali, ed un peso decisamente inferiore. Queste caratteristiche, negli ultimi decenni, hanno determinato un crescente interesse nei confronti dei CFRP che ha portato a numerose applicazioni in settori come l’industria aerospaziale e l’automotive. Le sollecitazioni cui i CFRP laminati sono soggetti durante la vita d’uso possono causare fenomeni di delaminazione che, portando ad una drastica riduzione delle proprietà meccaniche del materiale, ne compromettono l’integrità strutturale. Nel presente lavoro di tesi, sono state integrate in laminati CFRP membrane elettrofilate da blend polimeriche con capacità di self-healing. Le migliori condizioni da applicare in fase di cura del composito sono state approfonditamente investigate mediante analisi termica (DSC). Per verificare la capacità di autoriparazione dei laminati modificati, è stata valutata la tenacità a frattura interlaminare in Modo I e Modo II prima e dopo il trattamento di attivazione del self-healing.

Analisi e ottimizzazione strutturale di una pressa di colaggio per la produzione di sanitari

L'odierna volatilità dei costi delle materie prime e il generale aumento dei prezzi legati all'energia, rendono necessario lo sviluppo di strategie atte a contenerne le conseguenze, in modo particolare all'interno delle innumerevoli realtà industriali che risultano inevitabilmente coinvolte. Il seguente elaborato è incentrato sull’analisi del funzionamento di una pressa per il colaggio di articoli sanitari in ceramica e sulla ricerca di soluzioni costruttive alternative del telaio della macchina che garantiscano le medesime prestazioni dell’originale ma con un’eventuale diminuzione sul costo di produzione. Ai fini dell’analisi vengono sviluppati una serie di modelli matematici (sia analitici che basati sui metodi numerici) con l’obiettivo di studiare lo stato deformativo e tensionale della macchina, valutare le condizioni di carico a cui sono soggette le varie giunzioni (saldate e bullonate) e individuare eventuali criticità. Il medesimo approccio è utilizzato nell’analisi delle soluzioni alternative sviluppate all’interno dell’elaborato. Su di esse viene poi svolta una stima dei costi di produzione da confrontare con i costi relativi agli equivalenti semilavorati presenti nella struttura originale, in modo da individuare e valutare un eventuale vantaggio in termini economici.

Applicazioni di tecniche della lean manufacturing e di algoritmi euristici costruttivi ad un layout a reparti

Il layout di un sistema di stoccaggio è un fattore caratteristico e cruciale nell’organizzazione del lavoro e dei flussi di materiale di un’azienda, se le condizioni di partenza non sono soddisfacenti è possibile passare da un layout AS-IS ad uno TO-BE che implementi alcune caratteristiche ricercate. Per intervenire sul layout AS-IS del magazzino in maniera funzionale, e poterne poi sviluppare uno in parte ex-novo, è stato necessario attraversare 3 diverse fasi che ridisegnassero il magazzino. Nella prima fase sono state applicate alcune tecniche di lean manufacturing con lo scopo di eliminare il superfluo e riorganizzare ciò che effettivamente fosse funzionale al lavoro eseguito quotidianamente. Lavorando assieme all’operatore addetto al magazzino è stato possibile raggiungere ottimi risultati sia da un punto di vista qualitativo che quantitativo. Nella seconda fase si è affrontato il problema dello storage assignment che consiste nell’assegnare la diversa merce all’interno del magazzino. Il maggior spazio ottenuto dall’applicazione delle tecniche di lean manufacturing è stato determinante per la scelta di una politica class-based storage. Utilizzando questa politica è stato possibile definire con precisione il numero e la grandezza dei reparti di cui necessitava il magazzino. Le prime due fasi ed i loro risultati operativi tra cui: maggior ordine creato, incremento dello spazio disponile e definizione dei reparti nel magazzino; sono stati fondamentali per poter applicare alcuni algoritmi euristici risolutivi che sviluppassero delle soluzioni di layout TO-BE. Non avendo flussi di materiali costanti ma basandosi soprattutto su lavoro a commessa o lavorazioni di manutenzione su prodotti già consegnati sono stati utilizzati unicamente degli algoritmi costruttivi. Nello specifico sono stati utilizzati 4 diversi algoritmi TCR, Aldep, Corelap e RDM per rendere l’intera trattazione più esaustiva.

DS4H Image Alignment tool, allineamento multimodale automatico: sviluppo di modulo per ottimizzazione dei dati acquisiti ed estensione ad immagini a colori

Molti degli studi oncologici partono dalla analisi di provini istologici, cioè campioni di tessuto prelevati dal paziente. Grazie a marcatori specifici, ovvero coloranti selettivi applicati alla sezione da analizzare, vengono studiate specifiche parti del campione. Spesso per raccogliere più informazioni del campione si utilizzano più marcatori. Tuttavia, questi non sempre possono essere applicati in parallelo e spesso vengono utilizzati in serie dopo un lavaggio del campione. Le immagini così ottenute devono quindi essere allineate per poter procedere con studi di colocalizzazione simulando una acquisizione in parallelo dei vari segnali. Tuttavia, non esiste una procedura standard per allineare le immagini così ottenute. L’allineamento manuale è tempo-dispendioso ed oggetto di possibili errori. Un software potrebbe rendere il tutto più rapido e affidabile. In particolare, DS4H Image Alignment è un plug-in open source implementato per ImageJ/Fiji per allineare immagini multimodali in toni di grigio. Una prima versione del software è stata utilizzata per allineare manualmente una serie di immagini, chiedendo all’utente di definire punti di riferimento comuni a tutte le immagini. In una versione successiva, è stata aggiunta la possibilità di effettuare un allineamento automatico. Tuttavia, questo non era ottimizzato e comportava una perdita di informazione nelle aree non sovrapposte all’immagine definita come riferimento. In questo lavoro, è stato sviluppato un modulo ottimizzato di registrazione automatica di immagini che non assume nessuna immagine di riferimento e preserva tutti i pixel delle immagini originali creando uno stack di dimensioni idonee a contenere il tutto. Inoltre, l’architettura dell’intero software è stata estesa per poter registrare anche immagini a colori.