Theoretical and experimental study of novel hybrid composite and metal-composites interfaces

The growing demand for lightweight solutions in every field of engineering is driving the industry to seek new technological solutions to exploit the full potential of different materials. The combination of dissimilar materials with distinct property ranges embodies a transparent allocation of component functions while allowing an optimal mix of their characteristics. From both technological and design perspectives, the interaction between dissimilar materials can lead to severe defects that compromise a multi-material hybrid component's performance and its structural integrity. This thesis aims to develop methodologies for designing, manufacturing, and monitoring of hybrid metal-composite joints and hybrid composite components. In Chapter 1, a methodology for designing and manufacturing hybrid aluminum/composite co-cured tubes is assessed. In Chapter 2, a full-field methodology for fiber misalignment detection and stiffness prediction for hybrid, long fiber reinforced composite systems is shown and demonstrated. Chapter 3 reports the development of a novel technology for joining short fiber systems and metals in a one-step co-curing process using lattice structures. Chapter 4 is dedicated to a novel analytical framework for the design optimization of two lattice architectures.

Indagine biomeccanica del dispositivo di fissazione esterna Rekrea per l'allungamento degli arti

L'allungamento controllato monofocale viene eseguito nel caso di discrepanze della lunghezza degli arti. Il dispositivo Rekrea, ideato e realizzato dall'azienda Citieffe, viene utilizzato per lo svolgimento di tale trattamento. La stabilità del sistema di fissazione esterna è un fattore cruciale per il successo di un trattamento di allungamento osseo ma difficile da raggiungere in quanto dipendente da numerose variabili. Nello specifico, questo lavoro di tesi verte sullo studio del comportamento meccanico dei singoli morsetti Small e Standard e dell'innovativa configurazione Tandem impiegati in due contesti clinici particolari: i pazienti acondroplasici ed il trattamento di allungamento di tibia. A seguito di una iniziale ricerca bibliografica, sono state pianificate e svolte delle prove meccaniche di diverse configurazioni per caratterizzare il comportamento di tali dispositivi. Attraverso un'analisi dei risultati ottenuti è stato evidenziato quanto il singolo morsetto Small conferisca un'elevata rigidezza del costrutto e permetta di ridurre la distanza morsetto - analogo osseo. In più è stato evidenziato come la configurazione Tandem sia risultata un buon sostituto del morsetto Sandwich ed in particolare, come l'utilizzo di tre viti ossee conferisca una maggiore rigidezza del costrutto.

Studio sull'interoperabilità BIM to FEM per strutture a parete in legno

Nel seguente elaborato di tesi è stato approfondito il tema dell’interoperabilità da software BIM a FEM nell’ambito degli edifici a parete in legno. L’utilizzo di programmi di Building Information Modeling si è affermato in maniera crescente nel mondo delle costruzioni. Infatti, la possibilità di costruire modelli tridimensionali della struttura, che associano ad ogni elemento presente nell’opera tutte le informazioni utili ai fini della sua, realizzazione (quali geometrie, costi, proprietà meccaniche, fasi d’impiego, ecc..) permette di accorciare notevolmente il tempo di progettazione e costruzione, diminuendo gli errori dovuti alla trasmissione dei dati tra le varie figure professionali. Nel campo delle costruzioni, l’elemento “parete in legno” non è ancora presente all’interno dei principali software BIM. Per questo motivo, è stato necessario, per lo svolgimento del presente progetto di tesi, uno studio dei principali parametri meccanici descrittivi del reale comportamento in opera delle pareti in legno. Tali parametri sono stati calcolati secondo i due principali metodi esistenti nell’ambito delle costruzioni in legno: il metodo fenomenologico e il metodo per componenti. Nel primo caso, l’influenza sul comportamento delle pareti da parte delle connessioni metalliche viene calcolata sotto forma di parametri meccanici equivalenti. Nel secondo metodo, invece, il comportamento in opera della parete risulta essere la conseguenza dell’interazione tra la rigidezza della parete stessa e quella delle connessioni, che vengono modellate come dei vincoli equivalenti. Al fine di validare i risultati ottenuti, si è proceduto ad applicare i parametri equivalenti a due casi studio. Il primo caso è rappresentato da una parete semplice (3.2m x 3.75m) sottoposta ad una forza concentrata in sommità. Successivamente è stato studiato il caso di un edificio a parete di legno di tre piani, sottoposto ai carichi di un edificio adibito a civile abitazione.

Gusci temporanei e ricomponibili: Utilizzo di un sistema multi-agente per la generazione di un sistema costruttivo a tasselli planari per superfici a doppia curvatura

Lo scopo della ricerca è quello di sviluppare un metodo di design che integri gli apporti delle diverse discipline di architettura, ingegneria e fabbricazione all’interno del progetto, utilizzando come caso di studio l’uso di una tettonica ad elementi planari in legno per la costruzione di superfici a guscio da utilizzare come padiglioni temporanei. La maniera in cui ci si propone di raggiungere tale scopo è tramite l’utilizzo di un agent based system che funge da mediatore tra i vari obbiettivi che si vogliono considerare, in questo caso tra parametri estetici, legati alla geometria scelta, e di fabbricazione. Si sceglie di applicare questo sistema allo studio di una struttura a guscio, che grazie alla sua naturale rigidezza integra forma e capacità strutturale, tramite una tassellazione planare della superficie stessa. Il sistema studiato si basa sull’algoritmo di circle relaxation, che viene integrato tramite dei comportamenti che tengano conto della curvatura della superficie in questione e altri comportamenti scelti appositamente per agevolare il processo di tassellazione tramite tangent plane intersection. La scelta di studiare elementi planari è finalizzata ad una maggiore facilità di fabbricazione ed assemblaggio prevedendo l’uso di macchine a controllo numerico per la fabbricazione e un assemblaggio interamente a secco e che non necessita di impalcature . Il risultato proposto è quello quindi di un padiglione costituito da elementi planari ricomponibili in legno, con particolare attenzione alla facilità e velocità di montaggio degli stessi, utile per possibili strutture temporanee e/o di emergenza.

Analisi numerica e sperimentale di un soft-gripper Fin Ray integrato con un dispositivo elettroadesivo

Una delle applicazioni maggiormente richieste in ambito industriale è quella della presa e movimentazioni di oggetti. Questa tipologia di operazione trova diverse soluzioni nel mondo della robotica e automazione. Nella loro forma più comune un dispositivo di presa si presenta come una pinza motorizzata attraverso la quale è possibile eseguire l’afferraggio di oggetti. Tra essi si possono distinguere i Soft Gripper, ovvero quella classe di pinze che ricorrono a componenti flessibili e parti in materiali soffici che nell’azione di presa si conformano all’oggetto per deformazione dei componenti. Un esempio di questa tipologia di strumenti di presa è il Fin Ray. Tuttavia, questa tipologia di soft-gripper possiede delle limitazioni, come il carico massimo movimentabile determinato sostanzialmente dalla rigidezza della struttura. In questo contesto, al fine di superare tale limite, viene proposto di implementare sulla superficie di contatto un dispositivo a film-sottile elettroadesivo, per generare forze di taglio superficiali per principio elettrostatico, che aumentino la capacità di sollevamento del soft-gripper senza intaccare la sua caratteristica principale di conformità. Lo scopo della tesi è proprio un’analisi numerica e sperimentale di un Fin Ray integrato con un dispositivo elettroadesivo, con lo scopo di analizzare la forza scambiata con un oggetto. Il gripper progettato in questo lavoro, è così prima simulato, e poi realizzato in laboratorio per eseguire la caratterizzazione sperimentale. Gli esperimenti sono stati condotti su un banco prova per la misurazione della forza di contatto scambiata durante l’afferraggio. Per ottenere una validazione del modello sviluppato, sono stati realizzati dei gripper con due differenti materiali altamente deformabili, e con una combinazione di parametri fondamentali diversi, come la posizione e la dimensione dell’oggetto in presa, ottenendo infine una caratterizzazione completa del gripper sviluppato.