Analisi sperimentale e progettazione di cinematismi atti alla movimentazione di devices protesici all’interno di una camera di deposizione pvd

analisi sperimentale e progettazione di cinematismi atti alla movimentazione di devices protesici all’interno di una camera di deposizione pvd. descrizione delle tecniche di deposizione PVD attualmente esistenti. deduzione e progetto ex novo, con l'ausilio di Autodesk Inventor (CAD 3D), di movimentazioni per particolari devices medici dalla geometria complessa all'interno di una speciale camera di deposizione.

Progettazione e prototipìa di un polso robotico ad architettura sferica

I robot industriali iniziano a diffondersi in maniera significativa verso la metà degli anni ’70, quando affrontare economicamente il costo legato alla loro progettazione e costruzione risultò più vantaggioso rispetto all’assunzione di manodopera. Nella categoria dei robot industriali rientrano anche i polsi robotici che, posti all’estremità di un braccio meccanico, possono essere impiegati in diverse applicazioni industriali. In questo ambito si inserisce il meccanismo sferico ideato da Wu e Carricato. Esso presenta un’architettura ibrida seriale-parallela e, grazie ad una disposizione simmetrica dei membri che lo costituiscono, è in grado di riprodurre il movimento del polso umano. L’attività svolta e presentata in questo elaborato è stata finalizzata alla progettazione, attraverso l’ausilio dei software Creo e Matlab, sia degli organi che compongono il dispositivo sia della trasmissione meccanica che consente l’attuazione dei 2 gradi di libertà (gdl) posseduti dal meccanismo. Sono state realizzate due versioni CAD del polso; la prima è volta alla realizzazione in materiale plastico dei componenti, sfruttando la tecnologia della stampa 3D, in modo da ottenere un primo prototipo funzionante ed operativo, in cui si sono previsti accoppiamenti rotoidali tra le parti del tipo a strisciamento. Costruito ed assemblato il prototipo in plastica, si è potuta verificare la compatibilità tra precisione costruttiva, tolleranze dimensionali e geometriche garantite dalla stampa 3D e corretto funzionamento del meccanismo. La seconda versione rappresenta una versione ingegnerizzata della precedente. In particolare, prevede la realizzazione in alluminio del polso e la progettazione dei giunti cinematici (principalmente rotoidali) utilizzando accoppiamenti volventi e non a strisciamento. In questo modo si riescono a ridurre le imperfezioni di montaggio ed i notevoli giochi introdotti dall’impiego di componenti in plastica.

Tecniche innovative di modellazione diretta nell'early stage design

Partendo da un’analisi dei problemi che si incontrano nella fase di conceptual design, si presentano le diverse tecniche di modellazione tridimensionale, con particolare attenzione al metodo subdivision e agli algoritmi che lo governano (Chaikin, Doo – Sabin). Vengono poi proposti alcuni esempi applicativi della modellazione free form e skeleton, con una successiva comparazione, sugli stessi modelli, delle sequenze e operazioni necessarie con le tradizionali tecniche di modellazione parametrica. Si riporta un esempio dell’utilizzo del software IronCAD, il primo software a unire la modellazione parametrica e diretta. Si descrivono le limitazioni della modellazione parametrica e di quella history free nella fase concettuale di un progetto, per arrivare a definire le caratteristiche della hybrid modeling, nuovo approccio alla modellazione. Si presenta brevemente il prototipo, in fase di sviluppo, che tenta di applicare concretamente i concetti dell’hybrid modeling e che vuole essere la base di partenza per una nuova generazione di softwares CAD. Infine si presenta la possibilità di ottenere simulazioni real time su modelli che subiscono modifiche topologiche. La simulazione real time è permessa dalla ridefinizione in forma parametrica del problema lineare elastico che viene successivamente risolto mediante l’applicazione congiunta delle R – Functions e del metodo PGD. Seguono esempi di simulazione real time.

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.

Estimating indoor air quality using integrated 3D CAD building models

The indoor air quality (IAQ) in buildings is currently assessed by measurement of pollutants during building operation for comparison with air quality standards. Current practice at the design stage tries to minimise potential indoor air quality impacts of new building materials and contents by selecting low-emission materials. However low-emission materials are not always available, and even when used the aggregated pollutant concentrations from such materials are generally overlooked. This paper presents an innovative tool for estimating indoor air pollutant concentrations at the design stage, based on emissions over time from large area building materials, furniture and office equipment. The estimator considers volatile organic compounds, formaldehyde and airborne particles from indoor materials and office equipment and the contribution of outdoor urban air pollutants affected by urban location and ventilation system filtration. The estimated pollutants are for a single, fully mixed and ventilated zone in an office building with acceptable levels derived from Australian and international health-based standards. The model acquires its dimensional data for the indoor spaces from a 3D CAD model via IFC files and the emission data from a building products/contents emissions database. This paper describes the underlying approach to estimating indoor air quality and discusses the benefits of such an approach for designers and the occupants of buildings.

Investigation of shaft voltage in wind turbine systems with induction generators

This paper presents the analysis of shaft voltage in different configurations of a doubly fed induction generator (DFIG) and an induction generator (IG) with a back-to-back inverter in wind turbine applications. Detailed high frequency model of the proposed systems have been developed based on existing capacitive couplings in IG & DFIG structures and common mode voltage sources. In this research work, several arrangements of DFIG based wind energy conversion systems (WES) are investigated in case of shaft voltage calculation and its mitigation techniques. Placements of an LC line filter in different locations and its effects on shaft voltage elimination are studied via Mathematical analysis and simulations. A pulse width modulation (PWM) technique and a back-to-back inverter with a bidirectional buck converter have been presented to eliminate the shaft voltage in a DFIG wind turbine.

CAD/CAm-assisted breast reconstruction

The application of computer-aided design and manufacturing (CAD/CAM) techniques in the clinic is growing slowly but steadily. The ability to build patient-specific models based on medical imaging data offers major potential. In this work we report on the feasibility of employing laser scanning with CAD/CAM techniques to aid in breast reconstruction. A patient was imaged with laser scanning, an economical and facile method for creating an accurate digital representation of the breasts and surrounding tissues. The obtained model was used to fabricate a customized mould that was employed as an intra-operative aid for the surgeon performing autologous tissue reconstruction of the breast removed due to cancer. Furthermore, a solid breast model was derived from the imaged data and digitally processed for the fabrication of customized scaffolds for breast tissue engineering. To this end, a novel generic algorithm for creating porosity within a solid model was developed, using a finite element model as intermediate.

A CAD interface for GEANT4

Often CAD models already exist for parts of a geometry being simulated using GEANT4. Direct import of these CAD models into GEANT4 however,may not be possible and complex components may be diffcult to define via other means. Solutions that allow for users to work around the limited support in the GEANT4 toolkit for loading predefined CAD geometries have been presented by others, however these solutions require intermediate file format conversion using commercial software. Here within we describe a technique that allows for CAD models to be directly loaded as geometry without the need for commercial software and intermediate file format conversion. Robustness of the interface was tested using a set of CAD models of various complexity; for the models used in testing, no import errors were reported and all geometry was found to be navigable by GEANT4. Funding source: Cancer Australia (Department of Health and Ageing) Research Grant 614217

Open design of high pressure ratio radial-inflow turbine for academic validation

Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are widely used in mechanical engineering. Although achieving a high level of confidence in numerical modelling is of crucial importance in the field of turbomachinery, verification and validation of CFD simulations are very tricky especially for complex flows encountered in radial turbines. Comprehensive studies of radial machines are available in the literature. Unfortunately, none of them include enough detailed geometric data to be properly reproduced and so cannot be considered for academic research and validation purposes. As a consequence, design improvements of such configurations are difficult. Moreover, it seems that well-developed analyses of radial turbines are used in commercial software but are not available in the open literature especially at high pressure ratios. It is the purpose of this paper to provide a fully open set of data to reproduce the exact geometry of the high pressure ratio single stage radial-inflow turbine used in the Sundstrand Power Systems T-100 Multipurpose Small Power Unit. First, preliminary one-dimensional meanline design and analysis are performed using the commercial software RITAL from Concepts-NREC in order to establish a complete reference test case available for turbomachinery code validation. The proposed design of the existing turbine is then carefully and successfully checked against the geometrical and experimental data partially published in the literature. Then, three-dimensional Reynolds-Averaged Navier-Stokes simulations are conducted by means of the Axcent-PushButton CFDR CFD software. The effect of the tip clearance gap is investigated in detail for a wide range of operating conditions. The results confirm that the 3D geometry is correctly reproduced. It also reveals that the turbine is shocked while designed to give a high-subsonic flow and highlight the importance of the diffuser.