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.

Sviluppo e caratterizzazione microstrutturale e meccanica di leghe innovative di magnesio

Le attività di ricerca svolte nel corso del dottorato di ricerca, sono state focalizzate principalmente sullo studio dell’evoluzione microstrutturale, delle proprietà meccaniche e tribologiche di una particolare lega da fonderia, EV31A, con alte percentuali di terre rare (Nd e Gd > 4% in peso). Le analisi microstrutturali sono state eseguite tramite microscopia ottica (OM), elettronica in scansione (SEM) ed elettronica in trasmissione (TEM), mentre le proprietà meccaniche sono state determinate attraverso prove di trazione e prove di fatica a flessione rotante. Al fine di incrementare le proprietà tribologiche delle leghe di magnesio è stata valutata l’efficacia del trattamento PEO sia sulla lega EV31A, sia sulle più comuni leghe AZ80 e AZ91D, effettuando test tribologici in modalità pattino su cilindro (Block on Ring). Infine è stato condotto uno studio sull’efficacia del trattamento di fusione superficiale laser (LSM), analizzandone gli effetti sia sull’evoluzione microstrutturale, sia sulle proprietà meccaniche e sulla resistenza a corrosione. Le attività svolte nel corso del dottorato di ricerca sono state svolte presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale DIN della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna sotto la supervisione della Prof. ssa Lorella Ceschini.

Studio e ottimizzazione del processo di fabbricazione additiva (SLM) per applicazioni in ambito biomedicale: produzione di protesi e strutture reticolari

Il progetto di dottorato che verrà presentato in questa tesi è focalizzato sullo sviluppo di un metodo sperimentale per la produzione di protesi personalizzate utilizzando il processo di fabbricazione additiva di Selective Laser Melting (SLM). L’obiettivo è quello di definire una condizione di processo ottimizzata per applicazioni in ambito chirurgico che possa essere generalizzabile, ovvero che ne garantisca la riproducibilità al variare dell’anatomia del paziente e che rappresenti la base per estendere il metodo ad altre componenti protesiche. Il lavoro si è sviluppato lungo due linee principali, la cui convergenza ha permesso di realizzare prototipi di protesi complete utilizzando un solo processo: da una parte la produzione di componenti a massima densità per il raggiungimento di elevate resistenze meccaniche, buona resistenza ad usura e corrosione e controllo di tensioni residue e deformazione delle parti stampate. Dall’altra si sono studiate strutture reticolari a geometria e porosità controllata per favorire l’osteointegrazione della componente protesica post impianto. In questo studio sono stati messe a confronto le possibili combinazioni tra parametri di processo e sono state individuate le correlazioni con le proprietà finali dei componenti stampati. Partendo da queste relazioni si sono sviluppate le strategie tecnologiche per la progettazione e la produzione dei componenti. I test sperimentali svolti e i risultati ottenuti hanno dimostrato la fattibilità dell’utilizzo del processo SLM per la produzione di protesi personalizzate e sono stati fabbricati i primi prototipi funzionali. La fabbricazione di protesi personalizzate richiede, però, anche la progettazione e la produzione di strumentario chirurgico ad hoc. Per questo motivo, parallelamente allo studio della lega di Cromo Cobalto, sono stati eseguiti i test anche su campioni in INOX 316L. Anche in questo caso è stato possibile individuare una finestra operativa di processo che garantisse proprietà meccaniche comparabili, e in alcuni casi superiori, a quelle ottenute con processi convenzionali.

Valutazione cimenatica di tre tecniche di ricostruzione di legamento crociato anteriore con sistema di navigazione intraoperatorio

In caso di una lesione del legamento crociato anteriore (ACL), l'approccio chirurgico gold standard è la tecnica di ricostruzione ACL Single-Bundle (SB). Recentemente, sono state proposte altre tecniche alternative per ridurre il rischio di lassità residua post-operatoria, come la ricostruzione del Single Bundle con aggiunta di palstica latearle (SBLP) e le procedure a doppio fascio (DB). Quarantadue pazienti sottoposti a ricostruzione ACL sono stati inclusi prospetticamente nello studio. È stata eseguita una randomizzazione per allocare i pazienti nei diversi gruppi di studio: Single-Bundle-Lateral-Plasty, Single-Bundle e Double-Bundle. Un sistema di navigazione intraoperatorio è stato utilizzato per valutare i valori di lassità. I valori di lassità pre e post-chirurgici sono stati valutati tramite i test Lachman test (AP30), Drawer test (AP90), Varus-Valgus stress test a 0° e 30° flessione del ginocchio (VV0, VV30), rotazione esterna interna (IE30, IE90), e il test del pivot shift (PS). . In tutti e tre i gruppi, i valori di lassità post-ricostruzione sono risultati statisticamente ridotti rispetto ai valori pre-ricostruzione (P < 0,05) per tutti i test analizzati. Considerando l'analisi del test del cassetto e della rotazione interna-esterna a 30 e 90 gradi di flessione del ginocchio, è stata identificata una differenza significativa tra le diverse ricostruzioni chirurgiche. La tecnica SBLP ha portato ad avere i valori di migliori rispetto alle tecniche SB (PIE90 - 0,001) e DB (PAP90 - 0.012; PIE30 - 0,021; PIE90 - 0,003). La tecnica SBLP ha ottenuto risultati significativamente migliori rispetto alle altre tecniche studiate in termini di riduzione della lassità antero-posteriore e interna-esterna a tempo zero dopo la ricostruzione del legamento crociato anteriore.

Employment of Real-Time/FPGA Architectures for Test and Control of Automotive Engines

Nowadays the production of increasingly complex and electrified vehicles requires the implementation of new control and monitoring systems. This reason, together with the tendency of moving rapidly from the test bench to the vehicle, leads to a landscape that requires the development of embedded hardware and software to face the application effectively and efficiently. The development of application-based software on real-time/FPGA hardware could be a good answer for these challenges: FPGA grants parallel low-level and high-speed calculation/timing, while the Real-Time processor can handle high-level calculation layers, logging and communication functions with determinism. Thanks to the software flexibility and small dimensions, these architectures can find a perfect collocation as engine RCP (Rapid Control Prototyping) units and as smart data logger/analyser, both for test bench and on vehicle application. Efforts have been done for building a base architecture with common functionalities capable of easily hosting application-specific control code. Several case studies originating in this scenario will be shown; dedicated solutions for protype applications have been developed exploiting a real-time/FPGA architecture as ECU (Engine Control Unit) and custom RCP functionalities, such as water injection and testing hydraulic brake control.

Development of 3D Cancer Cell Models to Test Metabolic Interventions as an Anticancer Strategy

In recent years, it has become evident that the role of mitochondria in the metabolic rewiring is essential for cancer development and progression. The metabolic profile during tumorigenesis has been performed mainly in traditional 2D cell models, including cell lines of various lineages and phenotypes. Although useful in many ways, their relevance can be often debatable, as they lack the interactions between different cells of the tumour microenvironment and/or interaction with the extracellular matrix 1,2. Improved models are now being developed using 3D cell culture technology, contributing with increased physiological relevance 3,4. In this work, we improved a method for the generation of 3D models from healthy and tumour colon tissue, based on organoid technology, and performed their molecular and biochemical characterization and validation. Further, in-plate cryopreservation was applied to these models, and optimal results were obtained in terms of cell viability and functionality of the cryopreserved models. We also cryopreserved colon fibroblasts with the aim to introduce them in a co-culture cryopreserved model with organoids. This technology allows the conversion of cell models into “plug and play” formats. Therefore, cryopreservation in-plate facilitates the accessibility of specialized cell models to cell-based research and application, in cases where otherwise such specialized models would be out of reach. Finally, we briefly explored the field of bioprinting, by testing a new matrix to support the growth of colon tumour organoids, which revealed promising preliminary results. To facilitate the reader, we organized this thesis into chapters, divided by the main points of work which include development, characterization and validation of the model, commercial output, and associated applications. Each chapter has a brief introduction, followed by results and discussion and a final conclusion. The thesis has also a general discussion and conclusion section in the end, which covers the main results obtained during this work.

Sviluppo di processi di comunicazione aptici tra uomo e macchina

La ricerca si focalizza sul rapporto tra tecnologie abilitanti e corpo umano. La miniaturizzazione delle tecnologie, unita alla loro maggiore diffusione negli ambienti, porta ad interrogarsi sull’efficacia dell’integrazione di esse con corpo e attività ad esso connesse. Il contesto problematico della ricerca riguarda i dispositivi indossabili e il progetto di soluzioni destinate a risolvere inediti bisogni o potenziare i sensi umani. La letteratura scientifica e i casi studio circoscrivono il piede come efficace piattaforma per la sperimentazione di interfacce aptiche di comunicazione uomo/macchina, atte a connettere il corpo con informazioni referenziate all’ambiente. Il piede, elemento motorio duplice e simmetrico, ha un’elevata qualità percettiva ed è morfologicamente adeguato all’applicazione di tecnologie emergenti. La posizione di soglia, tra spazio e corpo, consente la raccolta di stimoli da entrambe le aree. La bibliografia evidenzia quanto la pressione, rispetto alla vibrazione, sia preferibile nella comunicazione aptica in quanto componente naturale dei linguaggi relazionali del corpo. Dall’analisi multidisciplinare emerge infine l’opportunità di sviluppo del ritmo come componente strutturale dei messaggi. I legami relazionali tra ritmo, corpo e comportamenti umani sono evidenti in molteplici meccanismi: trascinamento ritmico, mimesi ritmica, sincronia. La messa in relazione di piede, pressione e ritmo diventa affordance dello spazio, capace di suggerire, enfatizzare o attivare determinati comportamenti. L’unione di questi elementi è qui definita ritmica podotattile ed esplicitata nella tesi della descrizione delle sue caratteristiche, dalla circoscrizione di campi e azioni applicative e dalla raccolta dati sui test effettuati con i prototipi costruiti. Le analisi quantitative e qualitative dei dati di lettura del movimento e delle emozioni dimostrano quanto l’utilizzo di un linguaggio ritmico aptico nel piede esprima elevate potenzialità di integrazione con il corpo nel rispetto del comfort e dell’equilibrio attentivo nei flussi di azione preesistenti. I risultati aprono riflessioni su nuove applicazioni progettuali nel campo museale, lavorativo e urbano.

Safe and Collaborative Navigation & Interaction With Mobile Manipulators in Domestic Appliance Test Labs

Safe collaboration between a robot and human operator forms a critical requirement for deploying a robotic system into a manufacturing and testing environment. In this dissertation, the safety requirement for is developed and implemented for the navigation system of the mobile manipulators. A methodology for human-robot co-existence through a 3d scene analysis is also investigated. The proposed approach exploits the advance in computing capability by relying on graphic processing units (GPU’s) for volumetric predictive human-robot contact checking. Apart from guaranteeing safety of operators, human-robot collaboration is also fundamental when cooperative activities are required, as in appliance test automation floor. To achieve this, a generalized hierarchical task controller scheme for collision avoidance is developed. This allows the robotic arm to safely approach and inspect the interior of the appliance without collision during the testing procedure. The unpredictable presence of the operators also forms dynamic obstacle that changes very fast, thereby requiring a quick reaction from the robot side. In this aspect, a GPU-accelarated distance field is computed to speed up reaction time to avoid collision between human operator and the robot. An automated appliance testing also involves robotized laundry loading and unloading during life cycle testing. This task involves Laundry detection, grasp pose estimation and manipulation in a container, inside the drum and during recovery grasping. A wrinkle and blob detection algorithms for grasp pose estimation are developed and grasp poses are calculated along the wrinkle and blobs to efficiently perform grasping task. By ranking the estimated laundry grasp poses according to a predefined cost function, the robotic arm attempt to grasp poses that are more comfortable from the robot kinematic side as well as collision free on the appliance side. This is achieved through appliance detection and full-model registration and collision free trajectory execution using online collision avoidance.

Caratterizzazione sperimentale di cicli di cottura di un forno domestico ad incasso

L'obiettivo di questa tesi era caratterizzare il forno dell'Electrolux, andando a capire quali fossero i fenomeni di scambio termico presenti all'interno della cavità durante le diverse modalità di funzionamento (statico e ventilato) ed al variare del set-point. Tale obiettivo è stato raggiunto in maniera graduale: inizialmente si è caratterizzato il forno a vuoto e, successivamente, è stato utilizzato un "mattone standard" che simulasse la reale presenza del cibo. Quest'ultimo passo è stato realizzato seguendo la normativa "TM SP000003129 - EU Energy Consumption Test for Electric Ovens" relativa alla determinazione dell'indice di efficienza del forno. Mentre il primo obiettivo è stato raggiunto con successo, la determinazione dell'indice di efficienza è stata influenzata da parametri non controllabili, facendo si che i risultati ottenuti non corrispondessero a quelli dichiarati dalla casa costruttrice.

Confronto della prestazione applicativa di assorbitori UV in film plastici sottili per uso agricolo

Con il presente progetto di tesi si è voluto mettere a confronto due assorbitori UV in film di polietilene per uso agricolo. I film sono stati prodotti con un estrusore multistrato e sono stati caratterizzati, in analisi elementare per la determinazione del contenuto totale di azoto e in cromatografia liquida per la determinazione specifica del contenuto dei due assorbitori UV. I film sono stati esposti in condizioni sperimentali diverse: esposizione in stufa a 60°C con ventilazione forzata, esposizione alla luce artificiale e conservazione a temperatura ambiente. Ad intervalli di tempo prestabiliti sui campioni sono state fatte le seguenti valutazioni: determinazione delle proprietà meccaniche, analisi spettrofotometriche (FT-IR e UV) e determinazione qualitativa della migrazione dell’additivo. Alla fine del periodo di tesi si è potuto concludere che i due UVA mostrano la stessa compatibilità con la matrice polimerica, ma presentano una diversa fotostabilità. L’UVA normalmente impiegato in questo settore infatti ha una fotostabilità leggermente superiore a quella del nuovo UVA testato.

Approccio spettroscopico mediante guida d'onda e analisi multivariata per la discriminazione della qualità di oli vergini di oliva

La determinazione della qualità dell’olio vergine di oliva e la definizione dell’appartenenza del prodotto ad una specifica categoria merceologica (extra vergine, vergine, lampante) può essere ottenuta mediante la valutazione organolettica effettuando il Panel test. Quest’ ultimo è attuato da un gruppo di assaggiatori esperti (panel), guidati da un capo-panel, e ha l’obiettivo di identificare e quantificare i principali attributi sensoriali (positivi e negativi) stabilendo, sulla base dei risultati, la categoria merceologica di appartenenza del prodotto. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di valutare l’applicabilità di un metodo strumentale che, attraverso un approccio di screening rapido, possa supportare l’analisi sensoriale, fornendo una discriminazione degli oli analizzati in funzione della loro qualità (categoria merceologica). Per tale finalità, un set di 42 oli di oliva vergini provenienti dalla Spagna e dalla Croazia, classificati nelle tre categorie merceologiche sulla base del Panel test, è stato analizzato mediante guida d’onda che ha consentito di esaminare le forme d’onda, sia del guadagno che della fase, nell’intervallo di frequenza 1,6 -2,7 GHz. Dai risultati ottenuti, per diversi intervalli di frequenza gli spettri del guadagno sembrano essere influenzati dalla categoria merceologica. Inoltre, l’analisi delle componenti principali (PCA), condotta a partire da tale informazione spettrale, ha consentito, in linea generale, la discriminazione tra oli extra vergini, vergini e lampanti. Infine, la successiva Hierarchical Cluster Analysis ha permesso di identificare clusters distinti per i campioni lampanti e quelli extra vergini e vergini.

Messa a punto delle condizioni ottime di infusione di foglie di Ilex guayusa mediante disegno sperimentale Box-Behnken

Ilex guayusa, a tree native from the Amazon Rainforest, represents an important part of the culinary traditions and folk medicine of the indigenous tribes. In fact, infusions of different parts of the tree have been used as natural remedies. Particularly, the infusion obtained by the dry leaves of guayusa is a source of phenolic compounds, which are considered as antioxidant substances and have been associated with numerous benefits for human health. Currently, the growing interest of consumers towards healthy food and drinks has led to the rapid spread of this drink. However, the scientific literature about the content of polar compounds in infusion of guayusa leaves is scarce. Therefore, the aims of the present work were to enhance the extraction conditions of phenolic compounds from guayusa leaves by infusion and to characterize them via HPLC-ESI-TOF-MS. To reach these objectives, a Box-Behnken design (BBD) was applied to test the effect of different extraction conditions (time 2, 8 and 14 min), temperature (25, 62.5 and 100 °C) and solid ratio (0.25, 0.375 and 0.50 g) on the sum of phenolic content. On the one hand, the optimal conditions were 1 min infusion, 100 °C and 0.370 g of dry leaves. On the other hand, the 99% of the nine phenolic compounds identified were phenolic acids derivatives from hydroxycinnamic acid and the 1% belonged to the flavonoid family. The major compound was dicaffeoylquinic acid (68%). The difference between the results obtained and those of other researches is probably due to the stochastic nature of the vegetable matrix samples, since their chemical composition is susceptible to multiple factors. To sum up, the use of experimental design provided greater quantity of phenolic compounds than other extraction techniques such as blanching, or only to the oxidation process. Besides, the high resolution of the TOF spectrometer allowed the characterization of new isomers of the compounds previously described.

Progettazione e prototipazione di un dispositivo per ustionati pediatrici in contesti poveri di risorse

Ogni anno, circa il 95% delle morti per ustioni si verifica in contesti poveri di risorse e di queste più di un terzo sono rappresentate da bambini con meno di 4 anni. Per determinare le caratteristiche del dispositivo è stata necessaria una lunga fase preliminare alla progettazione, dove si è analizzata l’entità del problema delle ustioni e i trattamenti attualmente eseguiti. La principale causa di morte per ustioni è dovuta alle infezioni per cui la priorità è creare un ambiente pulito e disinfettato, dove il paziente può essere trattato o trasportato ad un ospedale specializzato. Successivamente a questa fase di analisi dei bisogni, si sono identificate le funzionalità del dispositivo: il controllo della temperatura e dell’umidità per contrastare l’ipotermia e l’ipermetabolismo, la ventilazione d’aria filtrata per prevenire le infezioni e il sistema di lavaggio per disinfettare le lesioni. Il dispositivo è stato progettato per bambini con statura inferiore ad un metro. Da qui si sono derivate le specifiche tecniche di progetto, su cui è stata svolta l’analisi dei rischi e progettato un sistema di mitigazione più o meno efficace per ottenere un rischio residuo accettabile. Terminata la progettazione generale, si è disegnato lo schema circuitale e si sono scelti i componenti elettronici per l’implementazione del prototipo. Il sistema deve esser fornito di sensori di temperatura, umidità, anidride carbonica, ed attuatori per regolare questi parametri, come l’elemento riscaldante, la ventola e la pompa idraulica. Per la realizzazione del prototipo si è utilizzata una schema Wemos e un sistema di comunicazione I2C. Successivamente alla costruzione della struttura e al cablaggio, si è implementato un modello in Simulink per testare i coefficienti del controllore PID per il sistema di termoregolazione. In fine, si sono eseguiti dei test per valutare il controllo della temperatura all’interno dello scompartimento del bambino, e si sono ottenuti buoni risultati.

Sviluppo e applicazione di un reattore di prepolimerizzazione in continuo

Presso lo stabilimento DOW di Correggio (che è una system house per la produzione di prepolimeri poliuretanici) la ricerca è attualmente incentrata sullo sviluppo su scala industriale di un reattore pilota continuo di tipo plug flow che andrà a sostituire i tradizionali processi BATCH, con un guadagno in termini di sicurezza e costi di investimento. In particolare, il progetto prevedeva di sperimentare le “ricette” attuali di prepolimeri per applicazioni nel settore della calzatura per valutarne l’equivalenza con quelli fatti in BATCH, e di calibrare un modello del reattore pilota che permetta di prevedere le prestazioni del reattore e supporti lo scale-up attraverso la raccolta di dati sperimentali (profili di temperatura, tempi di residenza, titolo di NCO del prodotto, ecc...). Alla conclusione del progetto è possibile affermare che la tecnologia è robusta, scalabile e rispetto ai sistemi di produzione attuale presenta una maggiore produttività, sicurezza e minori costi di investimento. At the DOW plant in Correggio, which is a system house for the production of polyurethane prepolymers, the research is currently focused on the develompment and application of a plug flow type continuos reactor that will replace the traditional BATCH processes, with advantages in terms of process safety an investment costs. In particular, the project aims were to test in the pilot plant the prepolymer receipts for footwear application, find out if the result products were similar or better than the ones made with BATCH reactor and harvest experimental data (such as temperatures profiles, reaction time, residual NCO value, etc...) in order to calibrate a model that will support the scale-up to the industrial plant. Now that the project is ended, it is possibile to assert that this tecnology is reliable, scalable, safer and cheaper than the old processes.

Sistema di accumulo ad alta densità per un prototipo di MotoStudent Electric

L’obiettivo di questo documento è illustrare quali siano stati i metodi di studio, le soluzioni adottate ed i risultati ottenuti durante la progettazione del sistema di accumulo per il prototipo di motocicletta da corsa elettrica “Alpha Leonis”, con cui la squadra corse dell’Università di Bologna UniBo Motorsport ha partecipato alla V edizione del campionato mondiale studentesco MotoStudent. Inizialmente verrà descritto il contesto della competizione e verranno analizzati i vincoli regolamentari che influiscono sulla realizzazione del componente in oggetto. In seguito verrà mostrata la vera e propria fase di progettazione nella quale, dopo aver effettuato prove di caratterizzazione sulla singola cella, sono stati realizzati gli elementi strutturali ed i sistemi di controllo e monitoraggio. La parola d’ordine in questa fase è “motorsport”, che raccoglie in sé la volontà di creare un componente tecnologicamente all’avanguardia che, oltre a garantire l’autonomia necessaria, ottimizzi il laptime e porti il prototipo in testa alla classifica. È questo il motivo per cui il sistema di accumulo descritto nella seguente trattazione viene definito come “ad alta densità”, ossia con target di energia e potenza per unità di massa superiori alle alternative commerciali attualmente disponibili sul mercato. Infine, per verificare la qualità e l’efficacia del lavoro svolto, verranno descritti i test sul banco a rulli ed in pista che hanno dimostrato il corretto funzionamento del componente e che sono stati sfruttati per completare l’ottimizzazione del sistema di controllo in vista dell’evento finale ad Aragòn Motorland.