Through Wafer 3D Vertical Micro-Coaxial Probe for High Frequency Material Characterization and Millimeter Wave Packaging Systems

This work presents the development of an in-plane vertical micro-coaxial probe using bulk micromachining technique for high frequency material characterization. The coaxial probe was fabricated in a silicon substrate by standard photolithography and a deep reactive ion etching (DRIE) technique. The through-hole structure in the form of a coaxial probe was etched and metalized with a diluted silver paste. A co-planar waveguide configuration was integrated with the design to characterize the probe. The electrical and RF characteristics of the coaxial probe were determined by simulating the probe design in Ansoft’s High Frequency Structure Simulator (HFSS). The reflection coefficient and transducer gain performance of the probe was measured up to 65 GHz using a vector network analyzer (VNA). The probe demonstrated excellent results over a wide frequency band, indicating its ability to integrate with millimeter wave packaging systems as well as characterize unknown materials at high frequencies. The probe was then placed in contact with 3 materials where their unknown permittivities were determined. To accomplish this, the coaxial probe was placed in contact with the material under test and electromagnetic waves were directed to the surface using the VNA, where its reflection coefficient was then determined over a wide frequency band from dc-to -65GHz. Next, the permittivity of each material was deduced from its measured reflection coefficients using a cross ratio invariance coding technique. The permittivity results obtained when measuring the reflection coefficient data were compared to simulated permittivity results and agreed well. These results validate the use of the micro-coaxial probe to characterize the permittivity of unknown materials at high frequencies up to 65GHz.

Variations développementales chez les poissons hybrides clonaux Chrosomus eos-neogaeus : transgressions phénotypiques en 3D

Le succès écologique des organismes dépend principalement de leur phénotype. Une composante important du phénotype est la morphologie fonctionnelle car elle influence la performance d’un organisme donné dans un milieu donné et donc reflète son écologie. Des disparités dans la morphologie fonctionnelle ou dans le développement entre espèces peuvent donc mener à des différences écologiques. Ce projet évalue le rôle des mécanismes de variation morphologique dans la production de différences écologiques entre espèces au sein des poissons hybrides du complexe Chrosomus eos-neogaeus. En utilisant la microtomodensitométrie à rayons X et la morphométrie géométrique 3D, la forme des éléments des mâchoires est décrite pour comparer la variation morphologique et les différences développementales entre les membres du complexe C. eos neogaeus. Les hybrides présentent autant de variation phénotypique que les espèces parentales et présentent des phénotypes nouveaux, dit transgressifs. Les hybrides présentent aussi des différences marquées avec les espèces parentales dans leur allométrie et dans leur intégration phénotypique. Finalement, ceux-ci semblent être plastiques et en mesure de modifier leur phénotype pour occuper plusieurs environnements. L’entièreté de ces résultats suggère que des changements dans le développement des hybrides entraînent une différenciation phénotypique et écologique avec les espèces parentales.

Dalla generazione di modelli 3D densi mediante TLS e fotogrammetria alla modellazione BIM

La tesi tratta la ricerca di procedure che permettano di rilevare oggetti utilizzando il maggior numero di informazioni geometriche ottenibili da una nuvola di punti densa generata da un rilievo fotogrammetrico o da TLS realizzando un modello 3D importabile in ambiente FEM. Il primo test si è eseguito su una piccola struttura, 1.2x0.5x0.2m, in modo da definire delle procedure di analisi ripetibili; la prima consente di passare dalla nuvola di punti “Cloud” all’oggetto solido “Solid” al modello agli elementi finiti “Fem” e per questo motivo è stata chiamata “metodo CSF”, mentre la seconda, che prevede di realizzare il modello della struttura con un software BIM è stata chiamata semplicemente “metodo BIM”. Una volta dimostrata la fattibilità della procedura la si è validata adottando come oggetto di studio un monumento storico di grandi dimensioni, l’Arco di Augusto di Rimini, confrontando i risultati ottenuti con quelli di altre tesi sulla medesima struttura, in particolare si è fatto riferimento a modelli FEM 2D e a modelli ottenuti da una nuvola di punti con i metodi CAD e con un software scientifico sviluppato al DICAM Cloud2FEM. Sull’arco sono state eseguite due tipi di analisi, una lineare sotto peso proprio e una modale ottenendo risultati compatibili tra i vari metodi sia dal punto di vista degli spostamenti, 0.1-0.2mm, che delle frequenze naturali ma si osserva che le frequenze naturali del modello BIM sono più simili a quelle dei modelli generati da cloud rispetto al modello CAD. Il quarto modo di vibrare invece presenta differenze maggiori. Il confronto con le frequenze naturali del modello FEM ha restituito differenze percentuali maggiori dovute alla natura 2D del modello e all’assenza della muratura limitrofa. Si sono confrontate le tensioni normali dei modelli CSF e BIM con quelle ottenute dal modello FEM ottenendo differenze inferiori a 1.28 kg/cm2 per le tensioni normali verticali e sull’ordine 10-2 kg/cm2 per quelle orizzontali.

Economic and Environmental Optimization of Ornamental Stone Block Cutting with a 3D Algorithm

This thesis focuses on finding the optimum block cutting dimensions in terms of the environmental and economic factors by using a 3D algorithm for a limestone quarry in Foggia, Italy. The environmental concerns of quarrying operations are mainly: energy consumption, material waste, and pollution. The main economic concerns are the block recovery, the selling prices, and the production costs. Fractures adversely affect the block recovery ratio. With a fracture model, block production can be optimized. In this research, the waste volume produced by quarrying was minimised to increase the recovery ratio and ensure economic benefits. SlabCutOpt is a software developed at DICAM–University of Bologna for block cutting optimization which tests different cutting angles on the x-y-z planes to offer up alternative cutting methods. The program tests several block sizes and outputs the optimal result for each entry. By using SlabCutOpt, ten different block dimensions were analysed, the results indicated the maximum number of non-intersecting blocks for each dimension. After analysing the outputs, the block named number 1 with the dimensions ‘1mx1mx1m’ had the highest recovery ratio as 43% and the total Relative Money Value (RMV) with a value of 22829. Dimension number 1, also had the lowest waste volume, with a value of 3953.25 m3, for the total bench. For cutting the total bench volume of 6932.25m3, the diamond wire cutter had the lowest dust emission values for the block with the dimension ‘2mx2mx2m’, with a value of 24m3. When compared with the Eco-Label standards, block dimensions having surface area values lower than 15m2, were found to fit the natural resource waste criteria of the label, as the threshold required 25% of minimum recovery [1]. Due to the relativity of production costs, together with the Eco-Label threshold, the research recommends the selection of the blocks with a surface area value between 6m2 and 14m2.

3D electrocatalysts for the selective glucose oxidation

Nowadays, one of the most important scientific and environmental concern is to reduce global dependence on fossil fuels. The use of lignocellulosic biomass makes it possible to produce important platform molecules such as D-glucose, which is used to synthesize high value-added chemical products such as gluconic acid (GO) and glucaric acid (GA). Moreover, the electrocatalytic oxidation of glucose shows advantages compared to the classical synthesis route, such as the use of non-toxic reactants and milder conditions, making the process greener and more sustainable. In this work, electrocatalysts based on open-cell Ni metal foams were investigated for the glucose electrooxidation. They were used as supplied, oxidized at 500°C and 600°C, and after electrodeposition of Ni(OH)2. The electrocatalysts were characterized by cyclic voltammetry in NaOH solution 0.1M and in a basic D-glucose solution with different glucose concentrations (10mM and 50mM). The effect of the potential applied, the glucose concentration and the reaction time on conversion, selectivity and faradic efficiency were also investigated. 3D Ni electrocatalyst showed promising activity in the conversion of glucose towards gluconic acid, the sample calcined at 500°C showing the best results.

Valutazione cinematica 3D di un test per il ritorno allo sport post-lesione di legamento crociato anteriore: confronto tra sistema optoelettronico e sensori indossabili

I sistemi di analisi del movimento sono in continua espansione e vengono sempre maggiormente utilizzati in ambito sportivo e riabilitativo. In particolare, la valutazione delle lesioni di LCA è, attualmente, affidata a procedure classiche, oltre che a strumenti analitici Gold Standard come il sistema optoelettronico. L’utilizzo dei sensori inerziali per l’analisi del movimento è in notevole aumento e sempre più utilizzato anche negli ambiti descritti. Tuttavia, è da valutare l’accuratezza di tali sistemi nell’esecuzione di gesti complessi ad alta dinamica. L’obiettivo del presente elaborato è stato quello di validare un sistema di sensori inerziali tramite uno optoelettronico, per lo svolgimento di specifici task motori in un’ottica di prevenzione dell’infortunio al LCA. Sono stati valutati 30 soggetti sani, attraverso l’utilizzo sincrono di due tecnologie: il sistema optoelettronico Vicon e il sistema inerziale Xsens. I movimenti svolti dai soggetti rientravano in un protocollo per la prevenzione del LCA, sviluppato presso il centro Isokinetic, il quale comprende 6 task ad elevata dinamica, ricorrenti negli sport maggiori. Si è evinta un’ottima correlazione e basso errore per tutti gli angoli articolari analizzati sul piano sagittale, una buona correlazione sul piano frontale per la maggior parte degli angoli (esclusi caviglia e pelvi), ed una minore riproducibilità sul piano trasverso, in particolare negli angoli di caviglia ginocchio e pelvi. I risultati hanno mostrato una scarsa dipendenza dalla tipologia di task analizzato. La tecnologia inerziale ha dimostrato di essere un’ottima alternativa per l’analisi del movimento in task specifici per la valutazione della biomeccanica di LCA. Le discrepanze evinte possono essere riconducibili ai diversi protocolli cinematici utilizzati ed al posizionamento dei markers. Evoluzioni della tecnologia potrebbero migliorare la precisione di questi sensori offrendo informazioni ancor più dettagliate dove ora ci sono lacune.

Preparazione e caratterizzazione di nuovi nanocompositi elastomerici mediante stampa 3D

Il presente lavoro di tesi si è incentrato sulla preparazione e caratterizzazione di manufatti elastomerici mediante Additive Manufacturing, sfruttabili per l'abbigliamento sportivo. Sono stati studiati diversi parametri di stampa, tra cui la geometria di riempimento, angoli di deposizione, infill e velocità di stampa, al fine di ottenere prestazioni ottimizzate confrontabili con materiali convenzionali. Inoltre sono state utilizzate per lo scopo diverse matrici elastomeriche caratterizzate da differente durezza Shore A. Le proprietà termiche dei manufatti stampati sono state studiate attraverso analisi TGA e DSC. Invece, le prestazioni meccaniche sono state analizzate attraverso DMA, prove di trazione e prove di compressione/espansione. Infine, è stato sviluppato un materiale innovativo nanocomposito al fine di ampliare il campo di utilizzo della FDM. Il materiale è stato caratterizzato tramite le classiche tecniche di analisi termiche e meccaniche.

Study on the practical realization of a device able to generate an in-space 3D luminous image

Gli ologrammi sono parte integrante della cultura pop a partire dagli anni 50, tanto che ad oggi sentirne parlare non desta più scalpore. Dal lato pratico, invece, solo negli ultimi anni sono state fatte ricerche approfondite con lo scopo di realizzarli. Fra i dispositivi attualmente in commercio, in pochi sono degni di nota e presentano numerose limitazioni, questo perché è molto difficile riuscire a progettare un sistema che permetta di illuminare dei punti specifici in uno spazio tridimensionale per lunghi periodi. In questa tesi si illustrano i principi di funzionamento ed il progetto per un nuovo dispositivo, diverso da quelli fino ad ora realizzati, che sfrutti il decadimento spontaneo di atomi di rubidio eccitati tramite due fasci laser opportunamente incrociati. Nel punto di incrocio si produce luce visibile a 420 nm. Con un opportuno sistema di specchi che muovono velocemente il punto di intersezione tra i due fasci è possibile realizzare un vero ologramma tridimensionale visibile da quasi ogni angolazione.

Data analysis of collapse mechanisms of a 3D printed groin vault in shaking table testing

The aim of this novel experimental study is to investigate the behaviour of a 2m x 2m model of a masonry groin vault, which is built by the assembly of blocks made of a 3D-printed plastic skin filled with mortar. The choice of the groin vault is due to the large presence of this vulnerable roofing system in the historical heritage. Experimental tests on the shaking table are carried out to explore the vault response on two support boundary conditions, involving four lateral confinement modes. The data processing of markers displacement has allowed to examine the collapse mechanisms of the vault, based on the arches deformed shapes. There then follows a numerical evaluation, to provide the orders of magnitude of the displacements associated to the previous mechanisms. Given that these displacements are related to the arches shortening and elongation, the last objective is the definition of a critical elongation between two diagonal bricks and consequently of a diagonal portion. This study aims to continue the previous work and to take another step forward in the research of ground motion effects on masonry structures.

Development of a polyplexes-based miRNA delivery system in a 3D-bioplotted osteoarthritis cellular model.

L'osteoartrite (OA) è una patologia infiammatorio/degenerativa ossea per la quale non sono disponibili terapie causali efficaci ma solo approcci palliativi per la riduzione del dolore cronico. E’ quindi giustificato un investimento per individuare nuove strategie di trattamento. In quest’ottica, lo scopo di questa tesi è stato quello di indagare l’efficacia di polyplexi a base di chitosano o di PEI-g-PEG in un modello cellulare 3D in vitro basato su un hydrogel di Gellan Gum Metacrilato (GGMA) con a bordo condrociti in condizioni simulate di OA. Inizialmente sono state studiate la dimensione e il potenziale-Z di un pool di formulazioni di poliplexi. Quindi se ne è valutata la citocompatibilità utilizzando cellule staminali mesenchimali immortalizzate Y201. Infine, una miscela di GGMA, cellule e polyplexi è stata utilizzata per la stampa 3D di campioni che sono stati coltivati fino a 14 giorni. La condizione OA è stata simulata trattando le cellule con una miscela di citochine implicate nello sviluppo della malattia. Tutte le formulazioni a base di chitosano e due basate su PEI-g-PEG si sono dimostrate citocompatibili e sono hanno veicolato i miRNA nelle cellule (come mostrato dai risultati di analisi in fluorescenza). I risultati delle colorazioni H&E e AlcianBlue hanno confermato che il terreno condizionato ha ben ricreato le condizioni di OA. I polyplexi a base di chitosano e PEI-g-PEG hanno controbilanciato gli effetti delle citochine. Risultati incoraggianti, anche se da approfondire ulteriormente, provengono anche dall’analisi di espressione (RT-PCR) di cinque geni specifici della cartilagine. Concludendo, questo modello ha ben riprodotto le condizioni di OA in vitro; il chitosano ha mostrato di essere un adeguato veicolo per un trattamento a base di miRNA; il PEI-g-PEG si propone come un'alternativa più economica e ragionevolmente affidabile, sebbene il rischio di citotossicità alle concentrazioni più elevate richieda una più esteva validazione sperimentale.

Numerical and experimental analysis of 3D printed smart structures and systems

Three dimensional (3D) printers of continuous fiber reinforced composites, such as MarkTwo (MT) by Markforged, can be used to manufacture such structures. To date, research works devoted to the study and application of flexible elements and CMs realized with MT printer are only a few and very recent. A good numerical and/or analytical tool for the mechanical behavior analysis of the new composites is still missing. In addition, there is still a gap in obtaining the material properties used (e.g. elastic modulus) as it is usually unknown and sensitive to printing parameters used (e.g. infill density), making the numerical simulation inaccurate. Consequently, the aim of this thesis is to present several work developed. The first is a preliminary investigation on the tensile and flexural response of Straight Beam Flexures (SBF) realized with MT printer and featuring different interlayer fiber volume-fraction and orientation, as well as different laminate position within the sample. The second is to develop a numerical analysis within the Carrera' s Unified Formulation (CUF) framework, based on component-wise (CW) approach, including a novel preprocessing tool that has been developed to account all regions printed in an easy and time efficient way. Among its benefits, the CUF-CW approach enables building an accurate database for collecting first natural frequencies modes results, then predicting Young' s modulus based on an inverse problem formulation. To validate the tool, the numerical results are compared to the experimental natural frequencies evaluated using a digital image correlation method. Further, we take the CUF-CW model and use static condensation to analyze smart structures which can be decomposed into a large number of similar components. Third, the potentiality of MT in combination with topology optimization and compliant joints design (CJD) is investigated for the realization of automated machinery mechanisms subjected to inertial loads.

Understanding 3D structures from sketches

Sketches are a unique way to communicate: drawing a simple sketch does not require any training, sketches convey information that is hard to describe with words, they are powerful enough to represent almost any concept, and nowadays, it is possible to draw directly from mobile devices. Motivated from the unique characteristics of sketches and fascinated by the human ability to imagine 3D objects from drawings, this thesis focuses on automatically associating geometric information to sketches. The main research directions of the thesis can be summarized as obtaining geometric information from freehand scene sketches to improve 2D sketch-based tasks and investigating Vision-Language models to overcome 3D sketch-based tasks limitations. The first part of the thesis concerns geometric information prediction from scene sketches improving scene sketch to image generation and unlocking new creativity effects. The thesis proceeds showing a study conducted on the Vision-Language models embedding space considering sketches, line renderings and RGB renderings of 3D shape to overcome the use of supervised datasets for 3D sketch-based tasks, that are limited and hard to acquire. Following the obtained observations and results, Vision-Language models are applied to Sketch Based Shape Retrieval without the need of training on supervised datasets. We then analyze the use of Vision-Language models for sketch based 3D reconstruction in an unsupervised manner. In the final chapter we report the results obtained in an additional project carried during the PhD, which has lead to the development of a framework to learn an embedding space of neural networks that can be navigated to get ready-to-use models with desired characteristics.

Characterization of a 3D-printed low-cost flexible dielectric material for the realization of innovative WPT wearable applications

The aim of this thesis is to demonstrate that 3D-printing technologies can be considered significantly attractive in the production of microwave devices and in the antenna design, with the intention of making them lightweight, cheaper, and easily integrable for the production of wireless, battery-free, and wearable devices for vital signals monitoring. In this work, a new 3D-printable, low-cost resin material, the Flexible80A, is proposed as RF substrate in the implementation of a rectifying antenna (rectenna) operating at 2.45 GHz for wireless power transfer. A careful and accurate electromagnetic characterization of the abovementioned material, revealing it to be a very lossy substrate, has paved the way for the investigation of innovative transmission line and antenna layouts, as well as etching techniques, possible thanks to the design freedom enabled by 3D-printing technologies with the aim of improving the wave propagation performance within lossy materials. This analysis is crucial in the design process of a patch antenna, meant to be successively connected to the rectifier. In fact, many different patch antenna layouts are explored varying the antenna dimensions, the substrate etchings shape and position, the feeding line technology, and the operating frequency. Before dealing with the rectification stage of the rectenna design, the hot and long-discussed topic of the equivalent receiving antenna circuit representation is addressed, providing an overview of the interpretation of different authors about the issue, and the position that has been adopted in this thesis. Furthermore, two rectenna designs are proposed and simulated with the aim of minimizing the dielectric losses. Finally, a prototype of a rectenna with the antenna conjugate matched to the rectifier, operating at 2.45 GHz, has been fabricated with adhesive copper on a substrate sample of Flexible80A and measured, in order to validate the simulated results.

Optimized methods to digital survey and 3D modelling of cultural heritage assets

Currently making digital 3D models and replicas of the cultural heritage assets play an important role in the preservation and having a high detail source for future research and intervention. In this dissertation, it is tried to assess different methods for digital surveying and making 3D replicas of cultural heritage assets in different scales of size. The methodologies vary in devices, software, workflow, and the amount of skill that is required. The three phases of the 3D modelling process are data acquisition, modelling, and model presentation. Each of these sections is divided into sub-sections and there are several approaches, methods, devices, and software that may be employed, furthermore, the selection process should be based on the operation's goal, available facilities, the scale and properties of the object or structure to be modeled, as well as the operators' expertise and experience. The most key point to remember is that the 3D modelling operation should be properly accurate, precise, and reliable; therefore, there are so many instructions and pieces of advice on how to perform 3D modelling effectively. It is an attempt to compare and evaluate the various ways of each phase in order to explain and demonstrate their differences, benefits, and drawbacks in order to serve as a simple guide for new and/or inexperienced users.

Ecocardiografia 3D real-time: principi fisici, tecnologia e applicazioni fetali per diagnosi prenatale

La diagnosi clinica, definita come un giudizio clinico espresso da un esperto sulla salute di un individuo, dopo aver effettuato degli esami obiettivi attraverso la strumentazione adeguata allo specifico caso clinico, rappresenta un elemento fondamentale nel paradigma Prevenzione – Diagnosi – Cura – Riabilitazione, che ha come fine ultimo la salute del paziente. In questo elaborato viene presentata una tecnica di imaging che permette di fare diagnosi in uno degli organi più importanti e delicati del corpo umano, cioè il cuore, sia degli adulti, sia dei feti: l’ecocardiografia 3D Real-Time. L’elaborato si sviluppa in tre capitoli, come di seguito presentato. - Capitolo 1: si descrive la tecnologia su cui si fonda l’ecocardiografia volumetrica Real-Time attraverso le varie fasi di realizzazione dello scanner, il quale consente sia l’acquisizione sia la visualizzazione dei volumi in tempo reale; - Capitolo 2: il sistema di imaging presentato nel capitolo precedente, viene contestualizzato in un organo specifico, ovvero il cuore, illustrandone le caratteristiche, le differenze rispetto a tecniche ritenute meno performanti nella valutazione di patologie cardiache, oltre che alcune particolari evoluzioni, quali Strain Rate Imaging e Tissue Doppler Imaging; - Capitolo 3: si descrive in cosa consiste l’ecocardiografia 3D Real-Time fetale, qual è la sua finalità e quali potrebbero essere alcune applicazioni cliniche tramite cui fare una diagnosi prenatale; inoltre, si evidenzia l’importanza dell’ecocardiografia per studiare le modifiche a cui è soggetto l’apparato cardiovascolare di una donna durante i mesi di gestazione e, quindi, sottoporla alle cure opportune.