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.

Digital 3D reconstruction as a research environment in art and architecture history: uncertainty classification and visualisation

The dissertation addresses the still not solved challenges concerned with the source-based digital 3D reconstruction, visualisation and documentation in the domain of archaeology, art and architecture history. The emerging BIM methodology and the exchange data format IFC are changing the way of collaboration, visualisation and documentation in the planning, construction and facility management process. The introduction and development of the Semantic Web (Web 3.0), spreading the idea of structured, formalised and linked data, offers semantically enriched human- and machine-readable data. In contrast to civil engineering and cultural heritage, academic object-oriented disciplines, like archaeology, art and architecture history, are acting as outside spectators. Since the 1990s, it has been argued that a 3D model is not likely to be considered a scientific reconstruction unless it is grounded on accurate documentation and visualisation. However, these standards are still missing and the validation of the outcomes is not fulfilled. Meanwhile, the digital research data remain ephemeral and continue to fill the growing digital cemeteries. This study focuses, therefore, on the evaluation of the source-based digital 3D reconstructions and, especially, on uncertainty assessment in the case of hypothetical reconstructions of destroyed or never built artefacts according to scientific principles, making the models shareable and reusable by a potentially wide audience. The work initially focuses on terminology and on the definition of a workflow especially related to the classification and visualisation of uncertainty. The workflow is then applied to specific cases of 3D models uploaded to the DFG repository of the AI Mainz. In this way, the available methods of documenting, visualising and communicating uncertainty are analysed. In the end, this process will lead to a validation or a correction of the workflow and the initial assumptions, but also (dealing with different hypotheses) to a better definition of the levels of uncertainty.

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.

Integration of the computer controlled screwdriver for Robotic manufacturing in the ROS environment

The computer controlled screwdriver is a modern technique to perform automatic screwing/unscrewing operations.The main focus is to study the integration of the computer controlled screwdriver for Robotic manufacturing in the ROS environment.This thesis describes a concept of automatic screwing mechanism composed by universal robots, in which one arm of the robot is for inserting cables and the other is for screwing the cables on the control panel switch gear box. So far this mechanism is carried out by human operators and is a fairly complex one to perform, due to the multiple cables and connections involved. It's for this reason that an automatic cabling and screwing process would be highly preferred within automotive/automation industries. A study is carried out to analyze the difficulties currently faced and a controller based algorithm is developed to replace the manual human efforts using universal robots, thereby allowing robot arms to insert the cables and screw them onto the control panel switch gear box. Experiments were conducted to evaluate the insertion and screwing strategy, which shows the result of inserting and screwing cables on the control panel switch gearbox precisely.

Stato dell'arte di scaffold ottenuti mediante tecnologie additive ed elettrofilatura per la rigenerazione del tessuto muscolo-scheletrico

Il sistema muscolo scheletrico è costituito dall’insieme di ossa, cartilagini e tessuti molli come muscoli, tendini e legamenti, che presentano una diversa struttura e differenti proprietà meccaniche tra loro. La sua principale funzione è quella di fornire supporto, forma e garantire il movimento fisiologico del corpo. Per questa ragione, il sistema muscolo scheletrico e continuamente sollecitato e di conseguenza molto soggetto a traumi o infortuni. Un’alternativa all’approccio chirurgico tradizionale è l’ingegneria tissutale che permette di creare scaffold in grado di promuovere la rigenerazione dei tessuti naturali. Negli ultimi decenni si è riscontrato un forte incremento dell’utilizzo della stampa 3D e dell’elettrofilatura come tecniche di fabbricazione di questi scaffold grazie ai loro diversi vantaggi. La stampa 3D presenta diversi benefici, tra cui la possibilità di creare costrutti personalizzati in grado di riprodurre similmente la geometria del tessuto nativo con efficienza dei costi e tempi di produzione ridotti rispetto alle tecniche tradizionali. Tuttavia, questa tecnica presenta ancora una limitata risoluzione sufficiente, ad esempio, per riprodurre la struttura e le proprietà del tessuto osseo, ma non idonea al raggiungimento della scala nanometrica, tipica dei tessuti fibrosi muscolo scheletrici. Al contrario, l’elettrofilatura è in grado di produrre fibre nanometriche che riescono a mimare la matrice extracellulare di questi tessuti. Tuttavia, si riscontrano ancora alcune difficoltà nel controllare la struttura tridimensionale e le proprietà meccaniche di questi scaffold nella scala micro e macrometrica. Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare gli studi che utilizzano un approccio combinato tra stampa 3D ed elettrofilatura per la produzione di scaffold per la rigenerazione del tessuto muscolo scheletrico, definendo lo stato dell’arte dei vari processi di produzione e le possibili prospettive future.

Geometric Deep Learning per il denoising di mesh 3D

La crescente disponibilità di scanner 3D ha reso più semplice l’acquisizione di modelli 3D dall’ambiente. A causa delle inevitabili imperfezioni ed errori che possono avvenire durante la fase di scansione, i modelli acquisiti possono risultare a volte inutilizzabili ed affetti da rumore. Le tecniche di denoising hanno come obiettivo quello di rimuovere dalla superficie della mesh 3D scannerizzata i disturbi provocati dal rumore, ristabilendo le caratteristiche originali della superficie senza introdurre false informazioni. Per risolvere questo problema, un approccio innovativo è quello di utilizzare il Geometric Deep Learning per addestrare una Rete Neurale in maniera da renderla in grado di eseguire efficacemente il denoising di mesh. L’obiettivo di questa tesi è descrivere il Geometric Deep Learning nell’ambito del problema sotto esame.

Virtual commissioning of automatic machines for mesh panels manufacturing

The purpose of this thesis is to present the concept of simulation for automatic machines and how it might be used to test and debug software implemented for an automatic machine. The simulation is used to detect errors and allow corrections of the code before the machine has been built. Simulation permits testing different solutions and improving the software to get an optimized one. Additionally, simulation can be used to keep track of a machine after the installation in order to improve the production process during the machine’s life cycle. The central argument of this project is discussing the advantage of using virtual commissioning to test the implemented software in a virtual environment. Such an environment is getting benefit in avoiding potential damages as well as reduction of time to have the machine ready to work. Also, the use of virtual commissioning allows testing different solutions without high losses of time and money. Subsequently, an optimized solution could be found after testing different proposed solutions. The software implemented is based on the Object-Oriented Programming paradigm which implies different features such as encapsulation, modularity, and reusability of the code. Therefore, this way of programming helps to get simplified code that is easier to be understood and debugged as well as its high efficiency. Finally, different communication protocols are implemented in order to allow communication between the real plant and the simulation model. By the outcome that this communication provides, we might be able to gather all the necessary data for the simulation and the analysis, in real-time, of the production process in a way to improve it during the machine life cycle.

Analisi dello stato dell’arte di scaffold biomimetici mediante l'utilizzo di tecnologie additive per la rigenerazione del tessuto osseo

Ogni giorno, nel mondo, si verificano migliaia di fratture ossee e la maggior parte di esse, con il passare del tempo, riescono a rimarginarsi in modo autonomo. In casi più importanti, le fratture ossee necessitano di interventi chirurgici. Per queste motivazioni, affianco ad autoinnesti, alloinnesti e xenoinnesti, negli ultimi anni si è iniziato a parlare in modo sempre più frequente di ingegneria tissutale. In questo tipo di ingegneria, vengono sviluppate delle impalcature in grado di emulare il tessuto osseo naturale. Lo scopo di questa tesi è analizzare le varie tipologie di produzione di scaffold ossei che si ottengono attraverso la tecnologia della stampa 3D. Nella parte introduttiva dell’elaborato, viene inserita una descrizione del tessuto osseo visto sia dal punto di vista cellulare e della composizione, sia dal punto di vista delle proprietà meccaniche. Successivamente, parlando di medicina rigenerativa, vengono descritti i mezzi di osteosintesi, gli innesti e le impalcature, o scaffold, da impiantare nel sito di interesse. Per quanto riguarda gli scaffold, devono soddisfare diversi requisiti, tra cui la biomimetica, la compatibilità con l’attività cellulare, requisiti di progettazione e proprietà meccaniche adeguate. Tali scaffold possono essere realizzati attraverso diverse geometrie interne. Nella seconda parte dell’elaborato, vengono analizzate le geometrie a cubo semplice, a cubo a faccia centrata/a diamante, a cubo a corpo centrato, a dodecaedro rombico, a traliccio di ottetto, a cubo troncato, modellate attraverso il metodo delle superfici minime triplamente periodiche e con tassellatura di Voronoi. Per i vari articoli analizzati sono stati investigati i metodi di produzione e i risultati ottenuti confrontando vantaggi e svantaggi fra le differenti geometrie.

Studio e analisi termo-strutturale di modelli stampati 3D FDM per materiali polimerici

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Le tempistiche e le richieste industriali obbligano sempre di più i progettisti ad uno studio predittivo delle problematiche che si possono incontrare in fare produttiva. In ambito strutturale questo è già da diversi anni la norma per componenti realizzati con tecnologia tradizionale. In ambito termico, invece, si procede ancora troppo spesso per tentativi seguendo l’esperienza del singolo. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito e un metodo per caratterizzare i transitori termici. Per fare ciò è necessario introdurre un modello semplificativo attraverso l’uso su un provino cilindrico. Questa semplice geometria permette di mettere in relazione la soluzione analitica, la soluzione approssimata agli elementi finiti e la soluzione sperimentale. Una volta ottenuti questi risultati sarà poi possibile, mantenendo invariati il ciclo termico e le caratteristiche termo-strutturali del materiale, modificare a piacimento la geometria per analizzare un qualsiasi componente. Questo approccio permette quindi di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predirne i gradienti termici e le deformazioni a partire dalle caratteristiche del materiale, della geometria e del ciclo termico a cui sono sottoposti. Permettendo così di valutare in modo preventivo e predittivo problematiche di stabilità geometrica e strutturale.

Development of a Robotic Wires Storage System for Switchgear Manufacturing Automation

Considering the great development of robotics in industrial automation, the Remodel project aims to reproduce, through the use of Cobots, the wiring activity typical of a human operator and to realize an autonomous storage work. My researches focused on this second topic. In this paper, we will see how to realize a gripper compatible with an Omron TM5X-900, able to perform a pick and place of different types of cables, but also how to compute possible trajectories. In particular, what I needed, was a trajectory going from the Komax, the cables production machine, to a Warehouse taking into account the possible entangles of cables with the robot during its motion. The last part has been dedicated to the synchronization between robot and main machine work.

Acquisizione e modellazione 3D in ambito museale per nuove forme di accessibilità per ipovedenti

Il tema approfondito in questo elaborato è relativo a nuove forme di esperienze museali in grado di favorire una maggiore fruizione dei musei da parte dei visitatori portatori di disabilità sensoriali. L’obiettivo dello studio, reso possibile grazie alla collaborazione con il Comune di Riccione, l’Università di Bologna e il Museo del Territorio di Riccione, riguarda la riproduzione tattile 3D di alcuni manufatti di epoca romana rinvenuti nel territorio e l’implementazione di soluzioni di esplorazione dei modelli fisici con tecniche di realtà aumentata e feedback sonori per fornire al visitatore un’esperienza tattile/sensoriale sugli oggetti. La parte di competenza di questo elaborato riguarda principalmente due aspetti: il rilievo 3D effettuato su quattro diversi frammenti di due serie di lastre fittili, mediante l’utilizzo di scanner ad alta risoluzione e fotogrammetria digitale, e la successiva modellazione in ambiente digitale. Quest’ultima fase comporta l’elaborazione delle scansioni tramite software dedicati e la creazione di mesh per generare la stampa di copie fisiche 3D. In una fase successiva alla stampa 3D le copie saranno poi gestite con particolari tecnologie di esplorazione sensoriale che accompagneranno l’utente durante l’esperienza tattile con feedback sonori. La sperimentazione condotta in questa tesi vuole dimostrare come sia possibile portare ad una trasformazione del ruolo dei musei, da quello tradizionale di magazzino statico a quello di ambiente di apprendimento attivo a disposizione di tutti offrendo esperienze immersive ed educative.

Rilievo e modellazione 3D di un’opera idraulica storica e del suo contesto

L'elaborato di tesi affronta le tematiche legate al rilievo tridimensionale di un'opera idraulica storica, georeferenziato nel proprio contesto territoriale per supportare applicazioni di gestione, manutenzione e protezione civile. Si illustrano le tecniche geomatiche adottate e la loro integrazione, evidenziando in particolare le procedure adottate nella elaborazione della nuvola di punti derivante dalla fusione di rilievi fotogrammetrici e con laser a scansione. Sono infine presentati alcuni dei prodotti realizzati.

Progetto e modellazione CAD di parti per comandi di simulatore di volo di elicottero da produrre con tecniche additive

La tesi di laurea, di tipo sperimentale, nasce dall’esigenza di progettare un sistema di force feedback da installare sui comandi di un simulatore di volo per elicottero, prevedendo di utilizzare tecnologie additive per la produzione dei componenti. Sono state, quindi, presentate alcune proposte per il soddisfacimento dei requisiti di progetto. Tra le due soluzioni progettuali individuate, una è stata scartata, mentre l'altra, basata su un collare da montare sul comando del ciclico e su un disegno per il supporto del sistema di ritenuta, è stata sviluppata. Sono state fatte, di conseguenza, assieme a quelle di tipo progettuale, alcune scelte legate alla pianificazione meccanica (ad esempio, scelta delle viti e delle molle). Il risultato finale è un sistema di force feedback funzionante, in cui la leva del comando ciclico del simulatore di volo per elicottero oppone uno sforzo in seguito ad una deflessione da parte del pilota.

Design e produzione mediante tecniche additive di un tutore ortopedico per aumentare comfort e sicurezza durante il trattamento oncoematologico

Il progetto si presenta come un miglioramento di una particolare terapia sanitaria, dove la maggior parte dei pazienti, soprattutto quelli in un’età delicata, possono avvertire determinati problemi fisici o psicologici. La terapia in questione è la Chemioterapia, che consiste nella somministrazione di una o più sostanze capaci di aggredire le cellule tumorali che si moltiplicano grazie a una fleboclisi, ovvero una procedura che è in grado di somministrare via endovenosa una sostanza come il trattamento appena citato, sfruttando alcune vene solide del braccio come la Basilica. Grazie a un’esperienza personale, pareri (dottoressa Antonella Sau) e coinvolgimenti di altri pazienti dell’associazione AGBE che hanno avuto un problema simile, è stato possibile progettare e inventare un tutore polimerico ad alta compatibilità dermatologica, in grado di immobilizzare l’arto usato nella terapia regalando una maggiore comodità e stabilità sia della fleboclisi che del braccio stesso. Inizialmente il tutore sarà ideato prendendo specifiche misure dell’avambraccio/gomito del singolo paziente, per poi stamparlo in 3D e portarlo ad effettuare i cicli somministrati per combattere la malattia. A fine di tutto, il paziente avrà sostenuto una cura delicata come la Chemioterapia con un maggiore comfort, maggiore stabilità psicologica e soprattutto meno complicanze come stravaso, infezioni varie, fuoriuscite di sostante chemioterapeutiche, gonfiori, depressione e irritazioni endovenose.