Materiali a memoria di forma: caratterizzazione e applicazioni nel campo dei beni culturali

Questo lavoro di tesi nasce da un progetto di ricerca promosso nel 2001 dal Prof. Leonardo Seccia (Seconda Facoltà di Ingegneria, sede di Forlì, e C.I.R.A.M., Università di Bologna), dal Prof. Nicola Santopuoli (Facoltà di Architettura Valle Giulia, Sapienza Università di Roma), dal Prof. Ingo Muller e dal Dott. André Musolff (Technical University Berlin, Facultat III, Thermodynamics). Tale progetto ha avuto come obiettivo lo studio, la progettazione e la realizzazione di un dispositivo di ancoraggio in lega a memoria di forma per il restauro di affreschi e mosaici parietali, che presentino distacchi più o meno evidenti fra gli strati di intonaco di supporto, proponendosi come mezzo efficace per la salvaguardia strutturale di tali zone variamente ammalorate. In particolare, è stata programmata una serie di prove di laboratorio per caratterizzare in modo preciso il comportamento del materiale prescelto, al fine di realizzare un prototipo rispondente alle caratteristiche di progetto ed anche per implementare un modello numerico sufficientemente realistico. A questo proposito, è stato anche approfondito il problema della scelta del modello costitutivo più adeguato. Successivamente, i risultati ottenuti sono stati impiegati nella progettazione e realizzazione di nuovi dispositivi in lega a memoria di forma da impiegare nel campo dei beni culturali, fra cui sistemi reversibili per il ricongiungimento di parti fratturate e sistemi di movimentazione intelligenti sia per lastre di protezione di superfici affrescate, sia per finestre da inserire in contesti museali per il controllo del microclima.

Progettazione e modellazione numerica di un elemento strutturale per il telaio dell’auto solare Emilia 5

Nel seguente elaborato viene ripercorso il lavoro svolto per la progettazione di un box batterie in materiale composito e in particolare il relativo sistema di fissaggio al telaio che verrà utilizzato per l’auto solare Emilia 5. Questo prototipo di veicolo, che viene sviluppato dai membri del team Onda Solare presso l’azienda Metal TIG a Castel San Pietro Terme (BO), è un’auto completamente elettrica che sfrutta l’energia solare attraverso pannelli fotovoltaici e la cui propulsione è garantita dalla sola energia accumulata nelle batterie. Emilia 5 gareggerà all’evento World Solar Challenge 2023 in Australia, competizione riservata alle auto solari che vede impegnati teams da tutto il mondo. L’elaborato mostra inizialmente la modellazione geometrica tridimensionale delle parti sviluppata attraverso il software Solidworks, analizzandone i dettagli funzionali. In seguito, tramite il software Ansys Workbench, vengono eseguite simulazioni agli elementi finiti verificando che i componenti, considerati in alluminio, rispondano correttamente ai carichi imposti. Per ultimo, vengono menzionati i materiali compositi in fibra di carbonio e si analizza la sequenza di laminazione relativa alla scatola delle batterie. I risultati ottenuti saranno utilizzati dal team Onda Solare come punto di riferimento per la realizzazione dei componenti di Emilia 5.

I materiali a memoria di forma: caratterizzazione e applicazione nel mondo dell'automazione

L'obiettivo di questo lavoro di tesi è stato studiare le caratteristiche, le proprietà, le applicazioni con conseguenti vantaggi e svantaggi di un particolare tipo di smart materials: i materiali a memoria di forma. Il capitolo 1 tratterà delle leghe metalliche a memoria di forma, il successivo si concentrerà invece sui polimeri a memoria di forma. In ognuno di questi, relativamente al materiale affrontato, si presterà particolare attenzione agli “effetti” che contraddistinguono tali materiali da quelli più comuni, come l’effetto memoria di forma o la superelasticità. Successivamente, nei vari sottoparagrafi, l’attenzione si sposterà sulle tecniche di caratterizzazione, utili per capire le proprietà di una lega o di un polimero rispetto ad un altro, e sulle conseguenti classificazioni di entrambi. Per quanto riguarda i polimeri, si accenneranno certi parametri fondamentali di cui è necessario tener conto per conoscere bene il polimero considerato. La trattazione, in ambedue i casi, terminerà con un focus sulle applicazioni più diffuse e su quelle più interessanti di tali materiali, fornendo dettagli sulle tecnologie utilizzate e sugli stimoli dettati per eccitare i sistemi.

Analisi termiche sull'impiego di materiali a cambiamento di fase (PCM) nelle pavimentazioni stradali

Il presente lavoro di tesi mira a studiare l’utilizzo di aggregati artificiali (PLA) costituiti da aggregati leggeri (LWA) impregnati di materiali a cambiamento di fase (Phase-Change Materials, PCM) nei conglomerati bituminosi. L’obiettivo della tesi è quello di dimostrare che l’utilizzo di questi materiali nelle sovrastrutture stradali, grazie alla proprietà di cambiare fase (da solida a liquida e viceversa) in funzione della temperatura, induce una liberazione di calore. La conseguenza immediata dell’utilizzo di questi materiali è la ridotta necessità di manutenzione invernale, abbattendo i costi di ripristino della pavimentazione. Inoltre l’utilizzo di PLA non deve pregiudicare l’aspetto prestazionale e la vita utile dell’infrastruttura.

Processi ed innovazioni nel settore delle tecnologie out of autoclave per materiali compositi

Visto il crescente interesse nei confronti dei materiali compositi, per le numerose applicazioni e i vantaggi che offrono, stanno conoscendo notevole sviluppo le tecnologie Out of Autoclave (OoA). Esse sono alternative all'autoclave, che richiede tempi, costi e risorse maggiori, nonché ha una minore flessibilità. Le tecnologie OoA, invece, sono più rapide e meno costose, e stanno raggiungendo livelli di qualità e prestazioni molto vicini a quelli dell'autoclave. Questo elaborato presenta alcune delle innovazioni di maggior interesse, raggruppate per settori: processi, materiali e strutture dei laminati.

Analisi del comportamento ad impatto in materiali compositi con matrice termoplastica

La tesi presenta la storia e le caratteristiche dei materiali compositi con particolare riguardo ai CFRP, alle resine termoplastiche e ai materiali termoindurenti. Sono, poi, riportati i risultati di alcuni esperimenti condotti su questi materiali con lo scopo di analizzarne le proprietà e capire se possono essere adatti o meno ad un particolare utilizzo. In seguito, si procede con l'analisi del comportamento dei materiali compositi quando vengono soggetti ad impatti a bassa energia, al fine di verificare la variazione subita dalle proprietà dei materiali stessi. Da ultimo, lo studio tratta l'impiego dei CFRP, delle resine termoplastiche e dei materiali termoindurenti nell'industria aerospaziale ed automobilistica.

Studio dell’effetto di cicli termici su materiali CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) attraverso prove di caratterizzazione statica

L’intento di questa tesi è fornire un andamento di alcune proprietà dei materiali compositi in fibra di carbonio, CFRP, utilizzati soprattutto nell’ambito aeronautico e navale, esposti quindi a condizioni ambientali specifiche di variazione ciclica della temperatura. Lo studio è effettuato sulle prove di caratterizzazione statica, di compressione, flessione in tre punti e taglio interlaminare, che generano risultati sulla resistenza delle fibre e della matrice e sul modulo elastico a compressione e trazione del composito.

Studio del comportamento meccanico di compositi ottenuti per SMC

I materiali compositi più diffusi sono quelli a matrice polimerica (PMC, Polymer Matrix Composites) con fibre di rinforzo, largamente utilizzati per la loro capacità di conciliare ottima resistenza meccanica con elevata leggerezza. Nel presente elaborato di tesi sono state studiate le caratteristiche meccaniche di materiali compositi a matrice resinosa, epossidica, rinforzati con fibre di carbonio chopped, ovvero fibre spezzate e disposte in modo del tutto casuale all’interno della matrice, mediante analisi microstrutturale e prove di trazione. Viene descritto il processo di produzione delle piastre di materiale composito ottenuto per SMC (Sheet Moulding Compound) da cui sono stati ricavati i provini. Lo studio a livello microstrutturale è stato possibile grazie all’inglobamento nella resina di alcune sezioni dei provini, le cui superfici sono state esaminate al microscopio acquisendo una quantità di immagini tale da permettere la ricostruzione della superficie stessa tramite software ed il calcolo percentuale delle porosità tramite SolidWorks. La caratterizzazione meccanica è stata eseguita utilizzando la macchina per le prove di trazione presente nell’hangar della sede di Forlì della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna: la preparazione dei provini è basata sull’applicazione di tabs di alluminio. I provini in materiale composito sono stati forniti in quattro differenti tipologie riguardanti la pressione a cui sono stati prodotti: 25, 50, 100 e 150 bar. Lo scopo dell’elaborato è stabilire la pressione ottimale di produzione dei provini, a cui il materiale composito mostra le migliori proprietà meccaniche, in particolare la più alta resistenza a carico di trazione. Le prove sono state condotte su provini a tre diverse lunghezze, per diversificare le modalità di stress meccanico. I risultati sono stati poi analizzati per stabilire quale valore di pressione di processo conferisce le migliori caratteristiche meccaniche al materiale.

Caratterizzazione meccanica di calcestruzzi fibrorinforzati con fibre d'acciaio

L’utilizzo di materiali compositi come i calcestruzzi fibrorinforzati sta diventando sempre più frequente e diffuso. Tuttavia la scelta di nuovi materiali richiede una approfondita analisi delle loro caratteristiche e dei loro comportamenti. I vantaggi forniti dall’aggiunta di fibre d’acciaio ad un materiale fragile, quale il calcestruzzo, sono legati al miglioramento della duttilità e all'aumento di assorbimento di energia. L’aggiunta di fibre permette quindi di migliorare il comportamento strutturale del composito, dando vita ad un nuovo materiale capace di lavorare non solo a compressione ma anche in piccola parte a trazione, ma soprattutto caratterizzato da una discreta duttilità ed una buona capacità plastica. Questa tesi ha avuto come fine l’analisi delle caratteristiche di questi compositi cementizi fibrorinforzati. Partendo da prove sperimentali classiche quali prove di trazione e compressione, si è arrivati alla caratterizzazione di questi materiali avvalendosi di una campagna sperimentale basata sull’applicazione della norma UNI 11039/2003. L’obiettivo principale di questo lavoro consiste nell’analizzare e nel confrontare calcestruzzi rinforzati con fibre di due diverse lunghezze e in diversi dosaggi. Studiando questi calcestruzzi si è cercato di comprendere meglio questi materiali e trovare un riscontro pratico ai comportamenti descritti in teorie ormai diffuse e consolidate. La comparazione dei risultati dei test condotti ha permesso di mettere in luce differenze tra i materiali rinforzati con l’aggiunta di fibre corte rispetto a quelli con fibre lunghe, ma ha anche permesso di mostrare e sottolineare le analogie che caratterizzano questi materiali fibrorinforzati. Sono stati affrontati inoltre gli aspetti legati alle fasi della costituzione di questi materiali sia da un punto di vista teorico sia da un punto di vista pratico. Infine è stato sviluppato un modello analitico basato sulla definizione di specifici diagrammi tensione-deformazione; i risultati di questo modello sono quindi stati confrontati con i dati sperimentali ottenuti in laboratorio.

Studio di fattibilità di una protesi di piede realizzata con fibra di carbonio a basso costo

Il mondo dei materiali compositi è in continua espansione, e sono sempre di più le aziende che richiedono componenti prodotti con questi materiali, uno dei quali è la fibra di carbonio. Tali aziende producono inevitabilmente scarti di lavorazione derivanti dal taglio di sagome dai fogli di fibra di carbonio; questi ritagli rappresentano ancora una buona materia prima, che, se ben conservata, può essere utilizzata per la fabbricazione di prodotti secondari. Così facendo sarà possibile ridurre il costo di smaltimento della fibra, e, al contempo, ottenere manufatti in fibra di carbonio a basso costo. È in questo contesto che rientra il lavoro e la ricerca di questo elaborato il cui obbiettivo è riutilizzare gli sfridi di lavorazione per realizzare protesi di piede a basso costo in fibra di carbonio. Un ulteriore attenzione è stata posta al metodo di fabbricazione della protesi, il quale deve risultare semplice da realizzare. Per questa ragione si è deciso che la pressione durante la cottura fosse da applicare per via meccanica, attraverso la presenza di uno stampo e di un controstampo, serrati tramite collegamenti bullonati. Nell’elaborato sarà descritto il lavoro svolto per l’ottenimento della forma e della disposizione degli strati di fibra di carbonio, basato su simulazione di modelli ad elementi finiti, che ha condotto alle migliori sagome e al miglior orientamento delle fibre negli strati di materiale composito. Sarà inoltre illustrato il metodo utilizzato per ottenere lo stampo, e le procedure da seguire per la realizzazione del prototipo di protesi. Saranno infine illustrati i risultati ottenuti dalle prove di caratterizzazione di due prototipi differenti, uno ottenuto con fibre intere, e uno realizzato con fibre corte.

Sviluppo di biocompositi rinforzati con fibre naturali

Negli ultimi anni sta diventando sempre più insistente la necessità di sviluppare nuovi materiali in grado di sostituire le comuni plastiche derivanti dal petrolio con bioplastiche ottenute da biopolimeri che spesso vengono rinforzate mediante riutilizzo di scarti agricoli, come fibre di bambù, in grado di conferire proprietà meccaniche migliori, dando vita ai biocompositi. In particolare, una delle risorse rinnovabili più promettenti al giorno d'oggi è la cellulosa, come quella contenuta nella fibra di bambù, che, usata come filler rinforzante, permette di ottenere biocompositi con caratteristiche meccaniche e termiche migliori rispetto alle matrici polimeriche pure tipo PHB e PLA. Questa nuova generazione di biocompositi può essere vista come evoluzione dei vecchi compositi e punta l’attenzione alla sostenibilità ed ecoefficienza ponendosi sul mercato come prodotti sostenibili, ecologici e competitivi, utilizzabili in svariati ambiti, dal packaging alimentare ai complementi d’arredo, dall’automotive all’edilizia, dall’industria tessile alle applicazioni biomedicali. Lo scopo di questo lavoro di Tesi è stato quello di realizzare e caratterizzare dal punto di vista termico e meccanico biocompositi a base di PLA con tre percentuali crescenti di filler naturale ed a base di PHB con le stesse percentuali di filler. I sei biocompositi sono stati realizzati tramite plastografo Brabender. In seguito, sono state effettuate le seguenti prove: 1) Calorimetria a scansione differenziale (DSC); 2) Stampaggio ad iniezione per la realizzazione dei campioni secondo la normativa; 3) Prove di trazione, al fine di capire se il filler avesse modificato il modulo di Young e l’allungamento a rottura della matrice pura; 4) Prove di impatto, effettuate per studiare la tenacità del materiale al variare delle diverse percentuali di filler; 5) Microscopio a scansione elettronica (SEM), con lo scopo di osservare l’adesione matrice-filler.