Rapid prototyping of multi-scale biomedical microdevices by combining additive manufacturing technologies

The possibility of designing and manufacturing biomedical microdevices with multiple length-scale geometries can help to promote special interactions both with their environment and with surrounding biological systems. These interactions aim to enhance biocompatibility and overall performance by using biomimetic approaches. In this paper, we present a design and manufacturing procedure for obtaining multi-scale biomedical microsystems based on the combination of two additive manufacturing processes: a conventional laser writer to manufacture the overall device structure, and a direct-laser writer based on two-photon polymerization to yield finer details. The process excels for its versatility, accuracy and manufacturing speed and allows for the manufacture of microsystems and implants with overall sizes up to several millimeters and with details down to sub-micrometric structures. As an application example we have focused on manufacturing a biomedical microsystem to analyze the impact of microtextured surfaces on cell motility. This process yielded a relevant increase in precision and manufacturing speed when compared with more conventional rapid prototyping procedures.

Subtractive and additive manufacturing technology in moulding industry

This report is a review of additive and subtractive manufacturing techniques. This approach (additive manufacturing) has resided largely in the prototyping realm, where the methods of producing complex freeform solid objects directly from a computer model without part-specific tooling or knowledge. But these technologies are evolving steadily and are beginning to encompass related systems of material addition, subtraction, assembly, and insertion of components made by other processes. Furthermore, these various additive processes are starting to evolve into rapid manufacturing techniques for mass-customized products, away from narrowly defined rapid prototyping. Taking this idea far enough down the line, and several years hence, a radical restructuring of manufacturing could take place. Manufacturing itself would move from a resource base to a knowledge base and from mass production of single use products to mass customized, high value, life cycle products, majority of research and development was focused on advanced development of existing technologies by improving processing performance, materials, modelling and simulation tools, and design tools to enable the transition from prototyping to manufacturing of end use parts.

Caratterizzazione di resine epossidiche per materiali compositi realizzati in infusione ad alta pressione

I materiali compositi, grazie alla combinazione delle proprietà dei singoli componenti di cui sono costituiti, in particolare la coesistenza di elevate caratteristiche meccaniche e pesi ridotti, rivestono da tempo un ruolo fondamentale nell’industria aeronautica e nel settore delle competizioni automobilistiche e motociclistiche. La possibilità di progettare i materiali in funzione della loro applicazione, unita alla riduzione dei costi di produzione, permette una crescente diffusione del loro utilizzo e l’ampliamento delle applicazioni a moltissimi altri settori, sia per componenti di tipo strutturale, sia di tipo estetico. L’obiettivo della presente tesi è analizzare, attraverso una campagna sperimentale, il comportamento di diversi materiali realizzati con la tecnica di produzione HP-RTM, tramite prove di taglio interlaminare e flessione, al fine di verificare l’applicabilità di tale processo a prodotti strutturali, in modo da velocizzare i tempi di produzione e quindi di abbassare i costi, mantenendo al tempo stesso elevate proprietà meccaniche. Lo scopo di questa campagna quindi è fornire, attraverso lo studio di 30 serie di provini, il materiale migliore in termini di resistenza a flessione e taglio interlaminare; inoltre per ogni tipologia di materiale vengono descritte le diverse distribuzioni dei valori di rottura riscontrati, in modo da lasciare al progettista più libertà possibile nella scelta del materiale in base alle specifiche richieste per una determinata applicazione. Questo studio permette di analizzare l’influenza di ogni singolo componente (tipo di fibra, tipo di binder, presenza o assenza di IMR), all’interno della stessa resina.

AIR SIDE HEAT TRANSFER ENHANCEMENT IN HEAT EXCHANGERS UTILIZING INNOVATIVE DESIGNS AND THE ADDITIVE MANUFACTURING TECHNIQUE

Over the last decade, rapid development of additive manufacturing techniques has allowed the fabrication of innovative and complex designs. One field that can benefit from such technology is heat exchanger fabrication, as heat exchanger design has become more and more complex due to the demand for higher performance particularly on the air side of the heat exchanger. By employing the additive manufacturing, a heat exchanger design was successfully realized, which otherwise would have been very difficult to fabricate using conventional fabrication technologies. In this dissertation, additive manufacturing technique was implemented to fabricate an advanced design which focused on a combination of heat transfer surface and fluid distribution system. Although the application selected in this dissertation is focused on power plant dry cooling applications, the results of this study can directly and indirectly benefit other sectors as well, as the air-side is often the limiting side for in liquid or single phase cooling applications. Two heat exchanger designs were studied. One was an advanced metallic heat exchanger based on manifold-microchannel technology and the other was a polymer heat exchanger based on utilization of prime surface technology. Polymer heat exchangers offer several advantages over metals such as antifouling, anticorrosion, lightweight and often less expensive than comparable metallic heat exchangers. A numerical modeling and optimization were performed to calculate a design that yield an optimum performance. The optimization results show that significant performance enhancement is noted compared to the conventional heat exchangers like wavy fins and plain plate fins. Thereafter, both heat exchangers were scaled down and fabricated using additive manufacturing and experimentally tested. The manifold-micro channel design demonstrated that despite some fabrication inaccuracies, compared to a conventional wavy-fin surface, 15% - 50% increase in heat transfer coefficient was possible for the same pressure drop value. In addition, if the fabrication inaccuracy can be eliminated, an even larger performance enhancement is predicted. Since metal based additive manufacturing is still in the developmental stage, it is anticipated that with further refinement of the manufacturing process in future designs, the fabrication accuracy can be improved. For the polymer heat exchanger, by fabricating a very thin wall heat exchanger (150μm), the wall thermal resistance, which usually becomes the limiting side for polymer heat exchanger, was calculated to account for only up to 3% of the total thermal resistance. A comparison of air-side heat transfer coefficient of the polymer heat exchanger with some of the commercially available plain plate fin surface heat exchangers show that polymer heat exchanger performance is equal or superior to plain plate fin surfaces. This shows the promising potential for polymer heat exchangers to compete with conventional metallic heat exchangers when an additive manufacturing-enabled fabrication is utilized. Major contributions of this study are as follows: (1) For the first time demonstrated the potential of additive manufacturing in metal printing of heat exchangers that benefit from a sophisticated design to yield a performance substantially above the respective conventional systems. Such heat exchangers cannot be fabricated with the conventional fabrication techniques. (2) For the first time demonstrated the potential of additive manufacturing to produce polymer heat exchangers that by design minimize the role of thermal conductivity and deliver a thermal performance equal or better that their respective metallic heat exchangers. In addition of other advantages of polymer over metal like antifouling, anticorrosion, and lightweight. Details of the work are documented in respective chapters of this thesis.

Progetto concettuale di un sedile in materiali compositi per veicoli solari

Il seguente elaborato è la conclusione dell'esperienza di tesi volta alla progettazione di componenti, nello specifico sedili e punti di ancoraggio per le cinture di sicurezza, per il cruiser Emilia 4, veicolo solare che gareggerà con le più importanti università mondiali nella 2017 World Solar Challenge in Australia. L'attività compiuta risulta essere il punto di arrivo dell'ottimizzazione strutturale degli elementi, attribuendo fondamentale importanza al peso delle strutture; l'obiettivo è stato raggiunto mediante l'adozione della fibra di carbonio, nel rispetto del regolamento della corsa e delle norme stradali australiane. Gran parte delle attività sono state svolte a Castel San Pietro nell'azienda Metal Tig, impresa specializzata nella lavorazione dei laminati in composito; qui si sono tenute riunioni settimanali per discutere dei progressi del progetto e delle modifiche da apportare. Il lavoro di tesi si conclude con la quarta revisione dei componenti affidatomi: essa probabilmente non sarà la versione definitiva, ma sicuramente sarà un punto di riferimento per i prossimi progettisti impegnati nell'impresa.

Applicazione della tecnica "incremental hole drilling" su materiali compositi

Durante la vita operativa di un aeromobile, gli elementi costitutivi possono essere soggetti a diverse tipologie di carichi. Questi carichi possono provocare la nascita e la propagazione di eventuali cricche, le quali una volta raggiunta una determinata dimensione possono portare alla rottura del componente stesso causando gravi incidenti. A tale proposito, la fatica costituisce uno dei fattori principali di rottura delle strutture aeronautiche. Lo studio e l’applicazione dei principi di fatica sugli aeroplani sono relativamente recenti, in quanto inizialmente gli aerei erano realizzati in tela e legno, un materiale che non soffre di fatica e assorbe le vibrazioni. I materiali aeronautici si sono evoluti nel tempo fino ad arrivare all’impiego dei materiali compositi per la costruzione degli aeromobili, nel 21. secolo. Il legame tra nascita/propagazione delle cricche e le tensioni residue ha portato allo sviluppo di numerose tecniche per la misurazione di queste ultime, con il fine di contrastare il fenomeno di rottura a fatica. Per la misurazione delle tensioni residue nei componenti metallici esistono diverse normative di riferimento, al contrario, per i materiali compositi, la normativa di riferimento è tuttora oggetto di studio. Lo scopo di questa tesi è quello di realizzare una ricerca e studiare dei metodi di riferimento per la misurazione delle tensioni residue nei laminati compositi, tramite l’approfondimento di una tecnica di misurazione delle tensioni residue, denominata Incremental Hole Drilling.

The role of additive manufacturing in patient specific solutions

This dissertation investigates de role of the new additive manufacturing techniques in the treatment of pathologies with a patient-specific approach. Throughout this work the development methodology of these said products is explained in order to understand the different stages required to achieve a tailor made solution. The goal is to demonstrate the importance of the manufacturing technique and its capabilities to tailor-fit devices to patients and the adaptability of the process to tackle the most diverse situations. Three real cases are documented in order to prove the viability of the method and to showcase its advantages. Whenever possible patient-specific solutions are compared to their “off-the-shelf” counterparts in order to establish the pros and cons of each one of them. The dissertation is an insight into a possible future for the medical devices industry, where customization is expected to be the standard approach in the treatment of patients.

Additive Manufacturing by LPBF and WAAM of metals: correlation between production process, microstructure and mechanical properties

In the most recent years, Additive Manufacturing (AM) has drawn the attention of both academic research and industry, as it might deeply change and improve several industrial sectors. From the material point of view, AM results in a peculiar microstructure that strictly depends on the conditions of the additive process and directly affects mechanical properties. The present PhD research project aimed at investigating the process-microstructure-properties relationship of additively manufactured metal components. Two technologies belonging to the AM family were considered: Laser-based Powder Bed Fusion (LPBF) and Wire-and-Arc Additive Manufacturing (WAAM). The experimental activity was carried out on different metals of industrial interest: a CoCrMo biomedical alloy and an AlSi7Mg0.6 alloy processed by LPBF, an AlMg4.5Mn alloy and an AISI 304L austenitic stainless steel processed by WAAM. In case of LPBF, great attention was paid to the influence that feedstock material and process parameters exert on hardness, morphological and microstructural features of the produced samples. The analyses, targeted at minimizing microstructural defects, lead to process optimization. For heat-treatable LPBF alloys, innovative post-process heat treatments, tailored on the peculiar hierarchical microstructure induced by LPBF, were developed and deeply investigated. Main mechanical properties of as-built and heat-treated alloys were assessed and they were well-correlated to the specific LPBF microstructure. Results showed that, if properly optimized, samples exhibit a good trade-off between strength and ductility yet in the as-built condition. However, tailored heat treatments succeeded in improving the overall performance of the LPBF alloys. Characterization of WAAM alloys, instead, evidenced the microstructural and mechanical anisotropy typical of AM metals. Experiments revealed also an outstanding anisotropy in the elastic modulus of the austenitic stainless-steel that, along with other mechanical properties, was explained on the basis of microstructural analyses.

Ricerca di un diluente reattivo alternativo allo stirene in resine uretano-acrilato per la fabbricazione di materiali compositi

In questo elaborato è presentato uno studio che riguarda lo sviluppo di nuovi materiali compositi fibro-rinforzati a matrice uretano-acrilato termoindurente. Lo studio è basato sulla ricerca di un diluente reattivo alternativo a stirene e vinil toluene, attualmente utilizzati in industria, in grado di migliorare l’aspetto di sicurezza e pericolosità legato alla manipolazione e all’utilizzo dei diluenti, mantenendo o migliorando le proprietà finali della resina. I diluenti selezionati sono circa 30, in base a indicazioni di pericolo EH&S, proprietà chimico fisiche, funzionalità e odore. Sono stati caratterizzati sia i diluenti reattivi puri che i rispettivi formulati uretano acrilato formati da resina addizionata di diluente reattivo. Le proprietà studiate sono state: reattività e comportamento reologico (viscosità e gel time), temperatura di transizione vetrosa (Tg), assorbimento d’acqua, ritiro volumetrico e proprietà meccaniche di resistenza a flessione (3-point bending) e impatto (Charpy). Sulla base dei risultati di screening, sono stati selezionati i diluenti reattivi più performanti e sono stati utilizzati per creare materiali compositi a matrice uretan acrilato rinforzati con fibra di vetro unidirezionale, ottenuti con tecnica di infusione sotto vuoto. Infine sono state caratterizzate le proprietà dei materiali compositi per valutarne la resistenza a flessione, a trazione, all’impatto, l’interlaminar shear strenght (ILSS) e l’assorbimento d’acqua.

Studio di materiali compositi a matrice poliisocianurata resistenti in condizioni di incendio

Il progetto alla base della presente tesi di laurea, sviluppato presso la Dow Italia di Correggio (RE), riguarda lo studio di formulazioni di materiali compositi con matrice polimerica a base di isocianurato, al fine di preparare manufatti con migliorato comportamento in condizioni d’incendio. In particolare si cerca di migliorare il parametro di tenuta isolamento nei test di resistenza al fuoco di serramenti. In bibliografia sono presenti numerosi esempi di matrici polimeriche usate per lo sviluppo di questi materiali, principalmente a base di silicio, mentre la matrice organica che è stata utilizzata in questo progetto è a base di poliisocianurato (PIR) rigido, scelto per la sua elevata stabilità termica. Sono stati analizzati nel dettaglio i vari approcci che sono stati affrontati al fine d’individuare la formulazione più adeguata per lo scopo che ci si è prefissati.

Additive manufacturing e ottimizzazione topologica: massimizzare le prestazioni di una pinza freno per applicazioni motorsport

I veicoli ad alte prestazioni sono soggetti ad elevati carichi per piccoli intervalli di tempo. Questo comporta diverse criticità sulle componenti che costituiscono la vettura: una di queste è la pinza freno. Al fine di renderla performante è necessario il possesso di due proprietà. In primo luogo, la pinza freno deve essere il più leggera possibile poiché essa conferisce un'inerzia nella risposta della sospensione del veicolo, procurando il distacco dello pneumatico dal suolo e causando perdita di aderenza. In secondo luogo, è necessario contenere le deformazioni della pinza freno garantendo un determinato feeling per il pilota. Il compito del progettista è ottimizzare questi due parametri che hanno effetti antitetici. Questa difficoltà porta il progettista a creare design molto complessi per raggiungere l’ottimale e non sempre le geometrie ottenute sono realizzabili con tecnologie convenzionali. Questo studio riguarda il miglioramento prestazionale di una pinza freno costruita con una lega di alluminio 7075-T6 e lavorato dal pieno. Gli obbiettivi sono quello di produrre il nuovo corpo in titanio TI6Al4V, dal momento che le temperature di esercizio portano a grandi decadute di caratteristiche meccaniche dell’alluminio, contenere il più possibile la massa a fronte dell’aumento di densità di materiale e ovviamente limitare le deformazioni. Al fine di ottenere gli obbiettivi prefissati sono utilizzati metodi agli elementi finiti in diverse fasi della progettazione: per acquisire una geometria di partenza (ottimizzazione topologica) e per la validazione delle geometrie ottenute. Le geometrie ricavate tramite l’ottimizzazione topologica devono essere ricostruite tramite software CAD affinché possano essere ingegnerizzate. Durante la modellazione è necessario valutare quale tecnologia è più vantaggiosa per produrre il componente. In questo caso studio si utilizza un processo di addizione di materiale, più specificatamente una tecnica Selective Laser Melting (SLM).

Valutazione dell’adenina come indurente da fonte rinnovabile per resine epossidiche commerciali e per la produzione di materiali compositi

Le resine più utilizzate industrialmente per la produzione di materiali compositi sono quelle epossidiche a base di diglicidil etere del bisfenolo A. Tipicamente, a livello industriale vengono utilizzate diammine sintetizzate da precursori tossici per l’ambiente e per l’uomo. Prendendo atto dell’intrinseca pericolosità di questi sistemi, sono state valutate delle alternative per rendere il processo di produzione dei materiali compositi più sostenibile e sensibile verso l’ambiente e la salute degli operatori. Questo progetto di tesi di laurea sperimentale è il proseguimento di un lavoro precedentemente svolto dal gruppo di ricerca che ha individuato l’adenina come un’alternativa non tossica e bio-based agli attuali agenti reticolanti. Nel presente lavoro di tesi, sono stati effettuati studi di formulazione e reticolazione dell’adenina con resine epossidiche commerciali da infusione e da impregnazione già utilizzate a livello industriale. L’obbiettivò è stato quello di ottenere formulati di resina e adenina capaci di dare un prodotto completamente reticolato, utilizzabile commercialmente e con elevati valori di Tg. Le formulazioni più promettenti così ottenute per ogni tipo di resina sono state utilizzate insieme a fibre di carbonio (vergini e riciclate), fibre di lino e di juta per la produzione di materiali compositi a fibra corta. Le formulazioni di resina e i compositi ottenuti sono stati caratterizzati mediante Analisi Termogravimetrica (TGA), Calorimetria Differenziale a Scansione (DSC) e Analisi Dinamico Meccanica (DMA).

Studio dell’adenina come indurente per resine epossidiche e produzione di materiali compositi da fonti rinnovabili

A causa di una maggiore preoccupazione ambientale, la ricerca si sta muovendo verso lo sviluppo di nuovi prodotti bio-based. Il progetto è stato incentrato sulla possibilità di produrre materiali compositi utilizzando un sistema resina-indurente interamente ottenuto da fonti rinnovabili con fibre naturali totalmente green e sintetiche. In particolare, è stata studiata la possibilità di utilizzare l’adenina, una molecola atossica e derivante da fonte rinnovabile, per la produzione di compositi con fibre di lino, juta, carbonio vergine e riciclato con resina epossidica da fonte bio. In particolare è stato ottimizzato il ciclo di cura e sono state caratterizzate le proprietà termiche e meccaniche dei materiali prodotti mediante analisi DSC (Differential Scanning Calorimetry), DMA (Dynamic Mechanical Analysis) e TGA (Termo-Gravimetric-Analysis). Per comprendere meglio la reticolazione delle resine epossidiche, si è studiato il meccanismo di reazione tra l’adenina e un precursore epossidico attraverso spettroscopia 1H-NMR (Nuclear Magnetic Resonance).

Sviluppo di materiali compositi a base di Aquivion® PFSA per la valorizzazione catalitica del furfuril alcol

L'elaborato di tesi si è posto l'obiettivo di studiare la sintesi e l'attività catalitica di diversi materiali compositi a base di Aquivion, resina pefluorosolfonica dalle caratteristiche superacide, e vari ossidi su una reazione di valorizzazione catalitica del furfuril alcol. I test catalitici sono stati inizialmente svolti allo scopo di determinare l'influenza delle caratteristiche del catalizzatore e delle condizioni operative. La comparazione dei risultati ottenuti ha successivamente permesso di trarre ulteriori informazioni interessanti sul meccanismo di reazione. In particolare, le proprietà superficiali degli ossidi indagati hanno giocato un ruolo determinante per la generazione di acqua a partire dal solvente alcolico, acqua che è risultata fondamentale per alcuni step della reazione.

Rinforzi grafenici in nanofibre per la modifica di materiali compositi

I CFRP laminati offrono vari vantaggi rispetto ai materiali metallici: su tutti un peso ridotto e migliori proprietà meccaniche. Tuttavia, hanno un basso damping (smorzamento delle vibrazioni) e una bassa resistenza alla delaminazione, che possono portare a forti limitazioni durante la vita d’uso del materiale. Lo scopo del seguente elaborato riguarda la produzione di vari tessuti nanofibrosi in polimeri termoplastici, tra cui Nylon 66, eventualmente additivati con grafene, da includere in laminati compositi al fine di migliorare i problemi sopracitati. I tessuti nanofibrosi sono stati ottenuti mediante la tecnica dell'elettrofilatura, dopo ottimizzazione delle soluzioni e del processo stesso. Prima di essere integrate, le membrane sono state caratterizzate morfologicamente tramite analisi SEM e termicamente mediante analisi DSC. I laminati nano-modificati, prodotti tramite laminazione manuale, sono quindi stati caratterizzati meccanicamente. In particolare, è stata valutata la tenacità a frattura interlaminare in Modo I e II tramite test DCB e ENF. Inoltre, sono stati eseguiti anche test Three-Point Bending al fine di avere un quadro più completo sulle proprietà meccaniche dei compositi nano-modificati.