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.

In-car sound linear simulation

In recent years, vehicle acoustics have gained significant importance in new car development: increasingly advanced infotainment systems for spatial audio and sound enhancement algorithms have become the norm in modern vehicles. In the past, car manufacturers had to build numerous prototypes to study the sound behaviour inside the car cabin or the effect of new algorithms under development. Nowadays, advanced simulation techniques can reduce development costs and time. In this work, after selecting the reference test vehicle, a modern luxury sedan equipped with a high-end sound system, two independent tools were developed: a simulation tool created in the Comsol Multiphysics environment and an auralization tool developed in the Cycling ‘74 MAX environment. The simulation tool can calculate the impulse response and acoustic spectrum at a specific position inside the cockpit. Its input data are the vehicle’s geometry, acoustic absorption parameters of materials, the acoustic characteristics and position of loudspeakers, and the type and position of virtual microphones (or microphone arrays). The simulation tool can also provide binaural impulse responses thanks to Head Related Transfer Functions (HRTFs) and an innovative algorithm able to compute the HRTF at any distance and angle from the head. Impulse responses from simulations or acoustic measurements inside the car cabin are processed and fed into the auralization tool, enabling real-time interaction by applying filters, changing the channels gain or displaying the acoustic spectrum. Since the acoustic simulation of a vehicle involves multiple topics, the focus of this work has not only been the development of two tools but also the study and application of new techniques for acoustic characterization of the materials that compose the cockpit and the loudspeaker simulation. Specifically, three different methods have been applied for material characterization through the use of a pressure-velocity probe, a Laser Doppler Vibrometer (LDV), and a microphone array.

High-strength steels manufactured via Laser Powder Bed Fusion: effect of post-process heat treatments and surface finishing on microstructure and mechanical properties

Laser Powder Bed Fusion (LPBF) permits the manufacturing of parts with optimized geometry, enabling lightweight design of mechanical components in aerospace and automotive and the production of tools with conformal cooling channels. In order to produce parts with high strength-to-weight ratio, high-strength steels are required. To date, the most diffused high-strength steels for LPBF are hot-work tool steels, maraging and precipitation-hardening stainless steels, featuring different composition, feasibility and properties. Moreover, LPBF parts usually require a proper heat treatment and surface finishing, to develop the desired properties and reduce the high roughness resulting from LPBF. The present PhD thesis investigates the effect of different heat treatments and surface finishing on the microstructure and mechanical properties of a hot-work tool steel and a precipitation-hardening stainless steel manufactured via LPBF. The bibliographic section focuses on the main aspects of LPBF, hot-work tool steels and precipitation-hardening stainless steels. The experimental section is divided in two parts. Part A addresses the effect of different heat treatments and surface finishing on the microstructure, hardness, tensile and fatigue behaviour of a LPBF manufactured hot-work tool steel, to evaluate its feasibility for automotive and racing components. Results indicated the possibility to achieve high hardness and strength, comparable to the conventionally produced steel, but a great sensitivity of fatigue strength on defects and surface roughness resulting from LPBF. Part B investigates the effect of different heat treatments on the microstructure, hardness, tensile and notch-impact behaviour of a LPBF produced precipitation-hardening stainless steel, to assess its feasibility for tooling applications. Results indicated the possibility to achieve high hardness and strength also through a simple Direct Aging, enabling heat treatment simplification by exploiting the microstructural features resulting from LPBF.

Dove il DNA antico tace: studio della 'life history' individuale nelle popolazioni umane del passato tramite analisi istologica e biogeochimica ad alta risoluzione di tessuti dentali mineralizzati da contesti archeologici e paleontologici umani

Questa tesi mira a presentare una panoramica, anche sperimentale con dati editi ed inediti, della ricostruzione delle life histories umane mediante metodi istologici e biogeochimici applicati allo smalto dentale delle dentizioni decidue. La tesi si concentra sulle metodologie biogeochimiche ad alta risoluzione spaziale che consentono di ottenere livelli temporali di dettaglio senza precedenti (da stagionali fino a sub-settimanali), quando combinate con l'analisi istomorfometrica dei tessuti dentali mineralizzati. La presente ricerca si concentra sulla creazione di modelli consistenti di variazione delle concentrazioni di elementi in traccia (con particolare riferimento a stronzio e bario) lungo la giunzione smalto dentinale, ottenuti tramite LA-ICPMS (Laser Ablation Inductively Coupled Mass Spectrometry), in funzione dei cambiamenti nella dieta (allattamento, svezzamento) nel primo anno di età di individui a storia nutrizionale nota (utilizzando denti decidui naturalmente esfoliati). In una prospettiva bioarcheologica, i risultati delle indagini sulla dieta altamente risolte nel tempo e interpretate con modelli come quelli proposti si correlano direttamente alle life histories individuali e consentono una analisi più sfumata e completa del comportamento umano nel passato, fornendo informazioni essenziali per la comprensione degli adattamenti bioculturali e aprendo finestre conoscitive su aspetti quali il rapporto madre-progenie, la gravidanza, l’allattamento, lo stress infantile, la dieta sia della progenie che della madre, la mobilità ad alta risoluzione e molti altri aspetti della vita delle popolazioni del passato che lo studio del DNA antico e della morfologia scheletrica non possono fornire. Dove il DNA antico tace, lo studio avanzato delle life histories parla.

Optimizing fused deposition modelling: the impact of geometrical slicing parameters on mechanical properties

This comprehensive study explores the intricate world of 3D printing, with a focus on Fused Deposition Modelling (FDM). It sheds light on the critical factors that influence the quality and mechanical properties of 3D printed objects. Using an optical microscope with 40X magnification, the shapes of the printed beads is correlated to specific slicing parameters, resulting in a 2D parametric model. This mathematical model, derived from real samples, serves as a tool to predict general mechanical behaviour, bridging the gap between theory and practice in FDM printing. The study begins by emphasising the importance of geometric parameters such as layer height, line width and filament tolerance on the final printed bead geometry and the resulting theoretical effect on mechanical properties. The introduction of VPratio parameter (ratio between the area of the voids and the area occupied by printed material) allows the quantification of the variation of geometric slicing parameters on the improvement or reduction of mechanical properties. The study also addresses the effect of overhang and the role of filament diameter tolerances. The research continues with the introduction of 3D FEM (Finite Element Analysis) models based on the RVE (Representative Volume Element) to verify the results obtained from the 2D model and to analyse other aspects that affect mechanical properties and not directly observable with the 2D model. The study also proposes a model for the examination of 3D printed infill structures, introducing also an innovative methodology called “double RVE” which speeds up the calculation of mechanical properties and is also more computationally efficient. Finally, the limitations of the RVE model are shown and a so-called Hybrid RVE-based model is created to overcome the limitations and inaccuracy of the conventional RVE model and homogenization procedure on some printed geometries.

Novel methods of state estimation and parameter identification for high-performance motorcycles

This research activity aims at providing a reliable estimation of particular state variables or parameters concerning the dynamics and performance optimization of a MotoGP-class motorcycle, integrating the classical model-based approach with new methodologies involving artificial intelligence. The first topic of the research focuses on the estimation of the thermal behavior of the MotoGP carbon braking system. Numerical tools are developed to assess the instantaneous surface temperature distribution in the motorcycle's front brake discs. Within this application other important brake parameters are identified using Kalman filters, such as the disc convection coefficient and the power distribution in the disc-pads contact region. Subsequently, a physical model of the brake is built to estimate the instantaneous braking torque. However, the results obtained with this approach are highly limited by the knowledge of the friction coefficient (μ) between the disc rotor and the pads. Since the value of μ is a highly nonlinear function of many variables (namely temperature, pressure and angular velocity of the disc), an analytical model for the friction coefficient estimation appears impractical to establish. To overcome this challenge, an innovative hybrid solution is implemented, combining the benefit of artificial intelligence (AI) with classical model-based approach. Indeed, the disc temperature estimated through the thermal model previously implemented is processed by a machine learning algorithm that outputs the actual value of the friction coefficient thus improving the braking torque computation performed by the physical model of the brake. Finally, the last topic of this research activity regards the development of an AI algorithm to estimate the current sideslip angle of the motorcycle's front tire. While a single-track motorcycle kinematic model and IMU accelerometer signals theoretically enable sideslip calculation, the presence of accelerometer noise leads to a significant drift over time. To address this issue, a long short-term memory (LSTM) network is implemented.

Two stroke cycle, novel combustion concepts and electrification for a new generation of internal combustion engines

The pursuit of decarbonization and increased efficiency in internal combustion engines (ICE) is crucial for reducing pollution in the mobility sector. While electrification is a long-term goal, ICE still has a role to play if coupled with innovative technologies. This research project explores various solutions to enhance ICE efficiency and reduce emissions, including Low Temperature Combustion (LTC), Dual fuel combustion with diesel and natural gas, and hydrogen integration. LTC methods like Dual fuel and Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) show promise in lowering emissions such as NOx, soot, and CO2. Dual fuel Diesel-Natural Gas with hydrogen addition demonstrates improved efficiency, especially at low loads. RCCI Diesel-Gasoline engines offer increased Brake Thermal Efficiency (BTE) compared to standard diesel engines while reducing specific NOx emissions. The study compares 2-Stroke and 4-Stroke engine layouts, optimizing scavenging systems for both aircraft and vehicle applications. CFD analysis enhances specific power output while addressing injection challenges to prevent exhaust short circuits. Additionally, piston bowl shape optimization in Diesel engines running on Dual fuel (Diesel-Biogas) aims to reduce NOx emissions and enhance thermal efficiency. Unconventional 2-Stroke architectures, such as reverse loop scavenged with valves for high-performance cars, opposed piston engines for electricity generation, and small loop scavenged engines for scooters, are also explored. These innovations, alongside ultra-lean hydrogen combustion, offer diverse pathways toward achieving climate neutrality in the transport sector.

Analysis and prediction of fretting fatigue life.

Fretting fatigue is a fatigue damage process that occurs when two surfaces in contact with each other are subjected to relative micro-slip, causing a reduced fatigue life with respect to the plain fatigue case. Fretting has been now studied deeply for over 50 years, but still no univocal design approach has been universally accepted. This thesis presents a method for predicting the fretting fatigue life of materials based on the material specific fatigue parameters. To validate the method, a set of fretting fatigue experimental tests have been run, using a newly designed specimen. FE analyses of the tests were also run and the SWT parameter was retrieved and it was found to be useful to successfully identify which samples failed. Finally, S-N curves were retrieved by using two different fatigue life predicting methods (CoffinManson and Jahed-Varvani). The two different methods were compared with the experimental results and it was found that the Jahed-Varvani method gave accurate results in terms of fretting fatigue life.

6G enabled IoV scenarios with distributed intelligence mechanisms

The Internet of Vehicles (IoV) paradigm has emerged in recent times, where with the support of technologies like the Internet of Things and V2X , Vehicular Users (VUs) can access different services through internet connectivity. With the support of 6G technology, the IoV paradigm will evolve further and converge into a fully connected and intelligent vehicular system. However, this brings new challenges over dynamic and resource-constrained vehicular systems, and advanced solutions are demanded. This dissertation analyzes the future 6G enabled IoV systems demands, corresponding challenges, and provides various solutions to address them. The vehicular services and application requests demands proper data processing solutions with the support of distributed computing environments such as Vehicular Edge Computing (VEC). While analyzing the performance of VEC systems it is important to take into account the limited resources, coverage, and vehicular mobility into account. Recently, Non terrestrial Networks (NTN) have gained huge popularity for boosting the coverage and capacity of terrestrial wireless networks. Integrating such NTN facilities into the terrestrial VEC system can address the above mentioned challenges. Additionally, such integrated Terrestrial and Non-terrestrial networks (T-NTN) can also be considered to provide advanced intelligent solutions with the support of the edge intelligence paradigm. In this dissertation, we proposed an edge computing-enabled joint T-NTN-based vehicular system architecture to serve VUs. Next, we analyze the terrestrial VEC systems performance for VUs data processing problems and propose solutions to improve the performance in terms of latency and energy costs. Next, we extend the scenario toward the joint T-NTN system and address the problem of distributed data processing through ML-based solutions. We also proposed advanced distributed learning frameworks with the support of a joint T-NTN framework with edge computing facilities. In the end, proper conclusive remarks and several future directions are provided for the proposed solutions.

Development and testing of methodologies for the control and diagnosis of innovative combustion systems

In pursuit of aligning with the European Union's ambitious target of achieving a carbon-neutral economy by 2050, researchers, vehicle manufacturers, and original equipment manufacturers have been at the forefront of exploring cutting-edge technologies for internal combustion engines. The introduction of these technologies has significantly increased the effort required to calibrate the models implemented in the engine control units. Consequently the development of tools that reduce costs and the time required during the experimental phases, has become imperative. Additionally, to comply with ever-stricter limits on 〖"CO" 〗_"2" emissions, it is crucial to develop advanced control systems that enhance traditional engine management systems in order to reduce fuel consumption. Furthermore, the introduction of new homologation cycles, such as the real driving emissions cycle, compels manufacturers to bridge the gap between engine operation in laboratory tests and real-world conditions. Within this context, this thesis showcases the performance and cost benefits achievable through the implementation of an auto-adaptive closed-loop control system, leveraging in-cylinder pressure sensors in a heavy-duty diesel engine designed for mining applications. Additionally, the thesis explores the promising prospect of real-time self-adaptive machine learning models, particularly neural networks, to develop an automatic system, using in-cylinder pressure sensors for the precise calibration of the target combustion phase and optimal spark advance in a spark-ignition engines. To facilitate the application of these combustion process feedback-based algorithms in production applications, the thesis discusses the results obtained from the development of a cost-effective sensor for indirect cylinder pressure measurement. Finally, to ensure the quality control of the proposed affordable sensor, the thesis provides a comprehensive account of the design and validation process for a piezoelectric washer test system.

CITY HUB: strategia progettuale di rigenerazione del “comparto dei licei”, a Faenza.

Questa tesi offre un contributo strategico e progettuale al processo di sviluppo del Piano Strategico per il centro storico della città di Faenza. L’argomento, l’ambito di intervento e il focus progettuale sono condivisi con l’amministrazione locale. L’oggetto è la rigenerazione del “comparto dei licei”, una porzione fortemente identitaria e riconoscibile del centro, che costituisce un nodo irrisolto da tempo. L’area è caratterizzata da notevoli potenzialità: adiacente alla zona pedonale/monumentale/commerciale, densamente popolata, frequentata dagli studenti delle numerose scuole secondarie presenti. Ciononostante, le condizioni positive sono inespresse e restano forti le criticità, evidenziate dalla presenza di alcuni edifici pubblici indecisi, non utilizzati e in stato di parziale abbandono. La tesi propone una analisi qualitativa delle questioni aperte e sviluppa un approccio trasversale basato sulla messa in rete degli spazi a vocazione pubblica, con particolare attenzione al sistema delle corti e alla connessione degli spazi interclusi. Vengono stabiliti chiari criteri di approccio e viene proposta una strategia di intervento basata su più livelli: urbanistica, architettura, identità dei luoghi e connotazione dello spazio pubblico, strategia di riuso degli spazi, assetto della mobilità.

Caratterizzazione e miglioramento del sistema isolante per macchine elettriche per autotrazione

La forte espansione del mercato della mobilità elettrica degli ultimi anni ha portato sotto i riflettori nuove esigenze, tecnologie e problematiche per il Power Train di questi veicoli. L’attenzione all’affidabilità del motore elettrico è ormai al pari di quella verso prestazioni, efficienza e costi. Al fine di garantire una vita utile al motore congrua con quella del veicolo, che si attesta tra mediamente tra i 5 e i 10 anni, è necessario conoscere attentamente quali sono le criticità del sistema isolante (EIS) della macchina. All’interno di questo ambito, questa tesi si è concentrata sull’analisi dei diversi componenti che costituiscono l’EIS dello statore di un motore elettrico impiegato in una super car ibrida. Il primo passo è stato caratterizzare i sottocomponenti dello statore, a partire dai fili (Litz Wires) con cui sono realizzati i suoi avvolgimenti. I tempi di endurance dei fili sotto attività di scarica parziale (PD) nell'ordine dei minuti hanno dimostrato la necessità di operare in assenza di scariche. Per questo motivo è stato studiato l'andamento del PDIV sotto diverse forme d'onda e per provini invecchiati termicamente. Lo studio è stato poi esteso allo statore completo, sottoponendo l’EIS a cicli di invecchiamento, al fine di diagnosticare, attraverso prove elettriche, se le sue prestazioni restano accettabili per l’interezza della vita prevista dall’applicazione. In conclusione, sono state trattate le problematiche della qualifica dell’EIS completo di un motore elettrico. È stata proposta una soluzione per realizzare un sistema idoneo a sottoporre lo statore da invecchiare a stress elettrico e termico contemporaneamente. Gli studi effettuati in merito hanno dimostrato la fattibilità ed i benefici di questo sistema, permettendo di rispecchiare al meglio le condizioni di servizio della macchina, con l’obiettivo di perfezionare le attuali procedure di qualifica.

Il segno della Centuriazione romana: un progetto lungo il Canale dei Molini a Castel Bolognese

Tutti i luoghi hanno qualcosa da raccontare, frammenti di storia che pian piano rischiano di svanire e rimanere soltanto memorie. Il territorio di Castel Bolognese parla di campagna, di pianura, di tradizioni agricole e rurali, ma ha anche una storia più antica, risalente ai tempi romani. La pianura castellana è stata “misurata” per la prima volta da loro, abili costruttori che, partendo dalla Via Emilia, realizzarono una maglia di strade regolare e precisa: la Centuriazione. È incredibile come un sistema così antico sia stato in grado di conferire un assetto territoriale al paese percepibile ancora oggi. Il progetto nasce come forma di valorizzazione del territorio di Castel Bolognese e affronta tre tematiche principali: la tutela del paesaggio naturale, la “ricucitura” delle Centurie e il progetto di una nuova costruzione. L’ambito di intervento è il Canale dei Molini, un tracciato storico che inizia il suo percorso a Castel Bolognese e ricalca per buona parte un asse centuriale. Esso attraversa vari comuni di pianura e si immette nel Canale di Bonifica destra di Reno. Il primo intervento progettuale riguarda la realizzazione di un itinerario ciclopedonale lungo questo canale, con l’obiettivo di “ricucire” e valorizzare la maglia centuriale attraverso varie azioni puntuali. Inoltre, laddove la trama è andata quasi completamente persa sono state progettate aree boschive per recuperarne l’aspetto originale con grande forza, rispettandone le dimensioni ed i confini. A scala urbana l’intervento consiste nel progetto di una Velostazione nell’area dismessa dell’ex scalo merci, con il fine di creare un collegamento tra il centro storico e la campagna, e conferendo un valore aggiunto alla ciclovia del Canale dei Molini. In conclusione, si vuole affrontare il rapporto fra architettura e paesaggio attribuendo un valore fondamentale alla conoscenza, all’ascolto ed al rispetto di questi luoghi, per poterne conservare nel tempo la loro identità e mantenerne viva la memoria.

Studio di fattibilità di un sensore autoalimentato per misure di corrente nelle reti filoviarie

Negli ultimi anni vi è stato un aumento della sensibilità in merito alle tematiche ambientali e questo ha riguardato anche il settore della mobilità, spingendo sempre più verso l’elettrificazione dei trasporti. Una delle possibilità per elettrificare i trasporti sono le reti filoviarie. Di quelle già esistenti, però, la maggior parte è stata realizzata nel secolo scorso. Inoltre, non vengono effettuate misure per valutare quale sia lo stato del carico sulla rete. In questa tesi si è valutata la fattibilità di realizzazione di un sensore non intrusivo per la misura delle correnti sulle filovie di reti esistenti, al fine di poter ottenere i dati relativi ai flussi di potenza e permettere quindi, in futuro, una migliore gestione della rete. Per effettuare la misura di corrente in modo non invasivo si è pensato di utilizzare un sensore di campo magnetico stazionario. Per valutare l’intensità del campo magnetico, al fine di scegliere il sensore che si confacesse alle caratteristiche dell’applicazione, si è proceduto a sviluppare diversi modelli per rappresentare i conduttori della filovia. Da queste simulazioni è stato inoltre possibile valutare quale fosse la posizione più idonea al collocamento del sensore. Per l’alimentazione del sensore, si sono valutate più possibilità che permettessero di non ricorrere ad un cablaggio ausiliario, tra cui l’utilizzo di un pannello fotovoltaico eventualmente accoppiato ad una batteria. Per la trasmissione dei dati, sono stati valutati più protocolli e dispositivi di comunicazione per trovare quello che meglio combinasse le necessità di trasmissione su distanze medio-lunghe e la necessità di minimizzare i consumi energetici. Infine, sono state effettuate prove sperimentali per validare l'affidabilità delle misure, ovvero verificare che fosse realmente possibile stimare il valore delle correnti nei conduttori della filovia partendo da una misura di campo magnetico, e se i consumi energetici stimati fossero in linea con quelli reali.

Studio delle interazioni nel rivelatore e selezione degli eventi nelle misure di sezione d'urto nell'esperimento FOOT

L’adroterapia è una tecnica di cura tumorale basata sull’irraggiamento della zona cancerosa tramite ioni pesanti e particelle cariche. Queste permettono di massimizzare il danno nella zona tumorale e limitare invece quello subito dalle cellule sane. Il più grande ostacolo risiede nella limitata reperibilità di informazioni in letteratura sulla frammentazione del target. I frammenti così prodotti infatti hanno una mobilità di µm e per questo motivo sono molto difficili da rivelare. In questo contesto nel 2017 l’esperimento FOOT, approvato dall’INFN nasce con l’obiettivo di misurare la sezione d’urto differenziale di tutti i prodotti emessi dalla frammentazione nucleare fra il fascio ed il paziente. Operando in condizione di cinematica inversa l’esperimento riesce a rivelare questi frammenti ed a misurarne l’abbondanza e l’energia. E’ stata effettuata a questo proposito, un’analisi dati volta ad eliminare le frammentazioni in aria precedenti ed interne al rivelatore MSD per poter ottenere misure più accurate delle sezioni d’urto di frammentazione.