Fibre naturali nel settore dei compositi: confronto fibre di lino vs. fibre di carbonio

I materiali compositi possiedono proprietà funzionali e di resistenza sempre più performanti grazie alla natura dei rinforzanti in fibra di carbonio, i quali però sono caratterizzati da criticità relative al processo di trasformazione altamente energivoro e dispendioso, all’inquinamento collegato alla produzione delle fibre e al trattamento di sizing, nonché alla difficoltà nello stadio di separazione dei costituenti del manufatto composito e del conseguente riciclo. A causa di queste problematiche sono stati introdotti in produzione materiali a matrice epossidica rinforzata con fibre di lino. Lo studio è stato indirizzato verso la caratterizzazione delle materie prime che compongono i manufatti, quindi fibre e semilavorati, mediante analisi termiche dinamiche in DSC e TGA con il fine di determinare la composizione e resistenza dei singoli componenti e la misura della variazione nel comportamento quando sono uniti per comporre i prepreg. Sono state eseguite delle prove di igroscopicità, umidità e densità per ottenere una panoramica precisa sulle differenze nella struttura delle fibre in carbonio e lino che le differenzia in modo apprezzabile. Sono stati laminati compositi reticolati secondo tecnologia in autoclave, le cui proprietà sono state definite mediante prove termiche dinamiche in DSC, TGA, DMA, prove alla fiamma mediante conocalorimetro, prove fisiche di igroscopicità, umidità e densità, prove ottiche al SEM in seguito ad una rottura in trazione. Parte del progetto seguito è stato direzionato all’ottimizzazione del ciclo produttivo in autoclave. La simulazione del nuovo ciclo di cura industriale, RAPID, è stata eseguita per valutare la variazione della Tg finale e il grado di curing, nonché le proprietà termiche e meccaniche già valutate nel ciclo di cura, STANDARD.

Elettrofilatura di miscele di cheratina e PLA caricate con ossido di grafene per la produzione di materiali nanofibrosi

In questo elaborato di tesi sperimentale sono state preparate delle nanofibre elettrofilate di cheratina e PLA caricate con differenti percentuali in peso di grafene ossido. In questo particolare sistema, la dimensione del nano-rinforzo è paragonabile alla dimensione delle nanofibre (circa 150 nm), contrariamente alle convenzionali dimensioni dei rinforzi utilizzati per creare materiali compositi. La matrice polimerica utilizzata è una miscela costituita da cheratina e PLA che ha mostrato interazioni positive di interfase tra i due polimeri. Sono stati studiati gli effetti dei parametri di processo di elettrofilatura sulla morfologia delle nanofibre ottenute. Inoltre, è stata studiata l’influenza del grafene ossido sul processo di elettrofilatura, sulla morfologia delle nanofibrose, sulla viscosità delle miscele dei due polimeri e sulle proprietà termiche e meccaniche delle membrane nanofibrose elettrofilate. Tutte le miscele preparate sono state elettrofilate con successo ed i diametri delle nanofibre ottenute variano da 60-400 nm. I dati sperimentali hanno mostrato una diminuzione del diametro delle nanofibre all’aumentare della concentrazione di grafene ossido dovuta alla diminuzione di viscosità e probabile aumento della conducibilità delle soluzioni contenenti. Le analisi termiche hanno messo in evidenza che c’è un effetto nucleante del grafene ossido che induce, probabilmente, l’organizzazione delle catene proteiche. Le analisi meccaniche in trazione hanno mostrato un aumento del modulo di Young e del carico a rottura delle nanofibre elettrofilate caricate con grafene ossido.

Preparazione mediante elettrofilatura di membrane polimeriche composite per scopi catalitici.

Vi è un crescente interesse verso lo studio di materiali compositi nanostrutturati. Tra questi risultano di particolare interesse le membrane polimeriche composite. Questi materiali presentano proprietà uniche, sono già largamente utilizzate in ambito bio-medicale, industriale e in molti processi di separazione di effluenti liquidi e gassosi. Un’altra applicazione di grande interesse è l’utilizzo di queste membrane come catalizzatori, in particolare per lo sviluppo di sistemi in flusso. Le membrane polimeriche composite per scopi catalitici vengono prodotte inserendo una fase attiva inorganica nella matrice polimerica; una delle tecniche di produzione è l’elettrofilatura. Questa tecnica permette di ottenere fibre polimeriche di diametro sub-micrometrico, sfruttando l’azione di un intenso campo elettrico. In questo lavoro è stata studiata la preparazione di membrane catalitiche aventi come matrice polimerica il Nylon 6,6 e il polietileneossido (PEO), contenenti come fase attiva Au e Pd. La produzione di queste membrane viene studiata per una possibile applicazione in sistemi in flusso per l’ossidazione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale (5-HMF) ad acido 2,5 furan-dicarbossilico (FDCA). Questa reazione è molto importante, in quanto consente di ottenere monomeri plastici di origine vegetale, come può essere l’FDCA.

Preparazione mediante elettrofilatura di membrane catalitiche per l'ossidazione dell'HMF

L’aumento della domanda di energia ha portato a un elevato sfruttamento delle fonti fossili. Per questo motivo si sono cercate risorse di tipo rinnovabili per produrre energia e prodotti chimici. Le biomasse rispettano tali requisiti. Tra gli aspetti più importanti nell’utilizzo di biomasse c’è la possibilità di produrre prodotti chimici, in altre parole molecole piattaforma dalla quale ottenere prodotti con elevato valore aggiunto. Il 5-idrossimetilfurfurale (HMF) presenta dei gruppi funzionali che permettono di ottenere molecole interessanti come l’FDCA, il quale grazie alla struttura simile all’acido terfatlico può essere utilizzato per l’ottenimento di un bio-polimero (PEF). La reazione di ossidazione selettiva tra i vari sistemi catalitici testati, i catalizzatori a base di metalli nobili quali Au e Pd, presentano elevata attività e selettività, ma scarsa produttività ottenibile nei sistemi discontinui rendendo difficile l’applicazione industriale. La messa a punto di membrane ibride polimero-inorganiche per scopi catalitici vengono prodotte inserendo una fase attiva inorganica all’interno della matrice polimerica; una telle tecniche di produzione è l’elettrofilatura. La tecninca consiste nell’applicazione di un campo elettrico che permette di ottenere delle fibre con diametro ub-micrometrico. In questo lavoro si sono preparate delle membrane polimeriche catalitiche mediante elettrofilatura con matrice polimerica a base di polivinil alcol e acidopoliacrilico e un polimero commerciale della DuPont (Hytrel® G4777), contenenti come fase attiva Au e Pd. Queste membrane poi sono state testate per l’ossidazione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale (5-HMF) ad acido 2,5 furan-dicarbossilico (FDCA), prima in ossigeno con un reattore batch e successivamente utilizzando acqua ossigenata in un reattore semicontinuo.

Algoritmo di stima degli stati di carica e salute per batterie al litio mediante filtro di Kalman duale

L’obiettivo di questa tesi è lo studio dell’applicazione del filtro di Kalman Duale per la stima dei principali parametri di batteria. Si è realizzato un algoritmo che consente la stima del SoC e dei parametri basandosi su riferimenti di tensione provenienti da modelli matematici e da prove di laboratorio. La scelta del Kalman duale consente uno studio più completo dei parametri di batteria visto che permette di operare su circuiti equivalenti più complessi con maggiori informazioni sull’evoluzione della batteria nel tempo. I risultati dimostrano l’efficacia del DEKF nello stimare la tensione e lo stato di carica con errori minori rispetto a precedenti test effettuati con altri filtri di Kalman. Si ha però una difficoltà alla convergenza su alcuni parametri a causa dell’elevato carico computazionale che porta ad un aumento del rumore. Perciò, per studi futuri si dovrà aumentare la precisione con cui la stima duale opera sulla matrice dei parametri del circuito equivalente. Questo porterà a migliori prestazioni anche su circuiti più complessi.

Membrane elettrofilate di miscele cheratina/PLA caricate con grafene ossido per il rilascio controllato di farmaci

Nell’ultimo periodo, si è sviluppato un forte interesse nella produzione di materiali a base proteica per il settore biomedicale e cosmetico, in particolare per il rilascio controllato di farmaci. In questo studio sono stati sviluppati, tramite elettrofilatura, dei materiali nanocompositi, costituiti da una matrice di cheratina, ottenuta da lana, e PLA caricata con grafene ossido e con Rodamina-B, un indicatore particolarmente usato in chimica analitica per valutare il rilascio di determinati sistemi. Tali materiali, caratterizzati morfologicamente e strutturalmente, sono stati testati in vitro come sistemi per il rilascio controllato di farmaci, usando la Rodamina per la maggiore facilità di rilevazione, valutando soprattutto l’influenza del grafene ossido sull’entità del rilascio. I risultati ottenuti hanno evidenziato come l’ossido di grafene influisca in maniera significativa sull’entità del rilascio, rallentando la quantità di Rodamina rilasciata nelle prime 48 ore. Studi per l’applicazione di questi materiali nell’ingegneria tissutale e nella medicina rigenerativa saranno oggetto di studi futuri.

Recupero di fibre di carbonio mediante pirogassificazione per la realizzazione di materiali di seconda generazione verso un modello di economia circolare

Lo scopo del presente elaborato di tesi è quello di ottimizzare il recupero, tramite pirogassificazione, delle fibre di carbonio derivanti da scarti e rifiuti di materiali compositi. Inoltre è stato valutato il riutilizzo delle fibre di carbonio riciclate per la produzione di materiali compositi di seconda generazione. Sono stati investigati diversi agenti di sizing per valutare un eventuale miglioramento dell'adesione fibra-matrice. Sulle singole fibre di carbonio riciclate è stata effettuata la caratterizzazione meccanica (prove a trazione) e morfologica (SEM). Inoltre, i materiali compositi realizzati sono stati caratterizzati meccanicamente (prove a trazione, a flessione e DMA), termicamente (TGA, DSC) e morfologicamente (SEM).

Studio del processo di progettazione di una stampella sensorizzata

Lo studio presentato in questa tesi vuole riportare la ricerca e l’analisi di una nuova esperienza di utilizzo di una stampella, spinto dalla richiesta di migliorare la performance e l’interfaccia dello strumento con un paziente con rilevanti difficoltà motorie. Analizzando lo stato dell’arte e la ricerca in ambito ortopedico, la stampella risulta essere lo strumento più comunemente utilizzato in caso di riabilitazione o difficoltà motorie, ma, allo stesso tempo, comporta rischi e ulteriori danni al paziente, nel caso vi sia un uso scorretto dello strumento. Lo scopo principale del progetto è fornire un supporto, sia al paziente, sia alla terapia, tramite l’ottimizzazione e il miglioramento di alcuni elementi costituenti di una stampella e l’implementazione di un nuovo servizio. Durante lo studio sono stati sfruttati i metodi dell’ingegneria industriale, utili per le fasi di sviluppo del progetto, ma si è cercato anche di dare importanza alla user experience, riportando considerazioni e opinioni di diversi utilizzatori della stampella. Si spera che il risultato sia uno strumento funzionale, utile e soprattutto che vada incontro alle esigenze non solo dell’utente, ma anche delle figure che lo assistono, come il medico ortopedico o il fisioterapista.

Determinazione della performance di membrane composite per la purificazione di gas

In questo elaborato vengono presentati i risultati di una attività sperimentale incentrata sulla ricerca di membrane a matrice mista per la separazione di gas da miscele. In questo lavoro viene descritta la preparazione di membrane in polisulfone e membrane a matrice mista polisulfone con ZIF-8 a quattro diversi caricamenti percentuali, PSf+ZIF-8 2%, 4%, 8% e 16%. Vengono anche esposti i risultati delle prove di caratterizzazione di tali membrane. E' stato condotto un esame attraverso microscopia elettronica a scansione (SEM) sulla sezione e sulla superficie delle cinque membrane. Sono esposti i risultati dei test di permeazione condotti attraverso un permeometro a volume costante. Le prove sono state fatte per tutte le membrane con sei diversi gas penetranti (H2, He, O2, CO2, CH4 e N2) a tre diverse temperature (35°C, 50°C e 65°C) ottenendo i valori dei coefficienti di permeabilità, solubilità e diffusività. Sono state calcolate le selettività ideali per ogni coppia di gas per tutte le membrane e le energie di attivazione. Sono stati fatti paragoni con i risultati di letteratura e ricercate correlazioni predittive per le proprietà di trasporto delle membrane in funzione di diversi parametri.

Studio sull'impronta eolica nel Sangiovese di Modigliana

Il concetto di terroir risulta molto importante al fine di caratterizzare un determinato prodotto e sottolinearne le tipicità, soprattutto considerando la vastità del mondo enologico. La rilevanza del vento sulle proprietà sensoriali delle uve e del vino, pur oggetto di narrazioni enologiche, è stata sorprendentemente trascurata dall’investigazione scientifica. Il lavoro di Tesi ha studiato la possibile influenza del vento sul Sangiovese coltivato nell’areale viticolo di Modigliana. Lo stato dell’arte sul ruolo del vento in Viticoltura indica che esso può influenzare la fisiologia delle viti nonché la composizione delle uve modificando la composizione amminoacidica. Le strette interazioni tra vite, suolo, bosco, valli e fenomeni atmosferici, che caratterizzano il territorio di Modigliana, giocano un ruolo importante sulle proprietà sensoriali e sulla tipicità delle uve e dei vini. L'elaborato finale ha evidenziato la possibile azione del vento nell’espressione del terroir. che potrebbe estrinsecarsi attraverso l’amplificazione delle relazioni tra sistemi viticoli e matrice paesaggistica coinvolgendo il trasporto aereo di composti volatili e, probabilmente, anche di microrganismi di rilevanza enologica. Il lavoro avviato in campo in un vigneto circondato da boschi, con la messa a punto di un modello sperimentale per lo studio del vento, consentirà di approfondire le conoscenze scientifiche sull’impronta eolica sul Sangiovese di Modigliana. L’approccio multidisciplinare adottato è risultato prezioso per comprendere appieno le interazioni tra le diverse componenti del terroir, la biodiversità dei paesaggi e la cultura collettiva, e cogliere i meccanismi che alimentano la diversità enologica. Vivere e lavorare dentro il paesaggio hanno trasmesso la complessità e la reale potenzialità di un agroecosistema che si estende alla matrice paesaggistica, anche in virtù del vento, e il fascino di decodificare scientificamente eccellenze enologiche e narrazioni eoliche.

Sviluppo di processi di geopolimerizzazione innovativi

Il seguente elaborato di tesi è finalizzato allo studio, alla preparazione e alla caratterizzazione di campioni geopolimerici sintetizzati in laboratorio. I geopolimeri sono materiali allumino silicatici a matrice polimerica ottenuti, attraverso un trattamento termico a bassa temperatura (generalmente inferiore ai 150-200°C), da una polvere reattiva a composizione prevalentemente allumino silicatica, e un attivatore alcalino, che può essere sotto forma di soluzione o di polvere. Questi materiali innovativi, presentano una versatilità notevole per quanto riguarda le applicazioni potenziali. Infatti, avendo proprietà termiche, meccaniche e chimico-fisiche ottimali possono essere impiegati in differenti settori produttivi e/o industriali, dal settore edile e delle grandi opere fino a quello aeronautico e automobilistico . I materiali geopolimerici sono utilizzati in molteplici campi d’applicazione perché risultano essere economicamente vantaggiosi e relativamente semplici da produrre. In questo lavoro di tesi sono stati prodotti differenti campioni a matrice geopolimerica, utilizzando diversi materiali come precursori e due tipologie di attivatore alcalino. Sui campioni geopolimerici realizzati sono state effettuate numerose analisi: XRD, SEM, analisi dell'andamento interno della temperatura dei campioni durante il trattamento termico in incubatore a 80°C, e infine anche delle prove meccaniche preliminari di compressione verticale, investigando il comportamento di alcuni campioni geopolimerici rappresentativi una volta sottoposti a una pressione assiale di 30 MPa, 60 MPa e 90 MPa, per una durata compresa tra le 24 e le 48 ore, a carico costante.

"Razionalizzazione mediante VSM e tecniche Kaizen del flusso del valore nel processo produttivo di getti in ghisa: il caso Fonderie di Montorso S.p.a.”

La stesura del seguente elaborato di tesi è avvenuta simultaneamente all’inizio di un progetto Lean presso il plant produttivo, situato a Crevalcore (Bo), di Fonderie di Montorso Spa, azienda produttrice di getti in ghisa. Lo scopo del seguente elaborato è di descrivere l’implementazione di un progetto Lean in uno dei settori più antichi esistenti. Negli ultimi decenni, si è sentito molto parlare di Lean production in settori come quello dell’automotive ma, raramente, si sente parlare di lean thinking o kaizen in settori metalmeccanici. I processi produttivi tipici di una fonderia, infatti, sono difficilmente prevedibili e controllabili come può essere un processo di assemblaggio di componenti. Trasferire, dunque, un sistema di gestione della produzione, il Toyota Production System, nato in una linea di assemblaggio, in un settore con una grande quantità di vincoli di progettazione e produzione, è una sfida, una sfida necessaria per rispondere ad una situazione di estrema variabilità della domanda, in cui il mercato richiede i prodotti in maniera rapida e puntuale. Per rimanere, dunque, competitivi è necessario un cambiamento radicale, una rivisitazione di tutti i processi aziendali partendo dall’arrivo dell’ordine, alla spedizione dello stesso. Alla luce di ciò, nel corso della trattazione, sono state svolte analisi al fine di ridurre il Lead time di partenza da 18 a 4 settimane, ponendo molta attenzione al coinvolgimento delle persone, il vero motore del cambiamento. Le parole cardine di questo elaborato sono: standardizzazione dei processi, eliminazione dei colli di bottiglia, aumento della comunicazione tra le funzioni aziendali, prioritizzazione dei clienti e per ultimo, ma non per importanza, la valorizzazione del gemba.

Valutazione dell'effetto dei campi elettrici pulsati sulle cinetiche di salagione di branzino fresco

In questo studio è stato valutato l'impatto dei campi elettrici pulsati applicati a diverse intensità (0.3, 0.9 e 1.5 kV/cm) su campioni di branzino fresco prima del processo di salamoiatura. Dopo 24, 96, 144 e 92 ore sono stati determinati il peso, il contenuto in acqua, la percentuale di NaCl, l'attività dell'acqua e il contenuto in TBARS nei campioni allo scopo di verificare la possibilità di accelerare il trasferimento di massa nella matrice, e in secondo luogo per valutare l'effetto dei campi elettrici pulsati sull'ossidazione lipidica.

Ri-costruire per ri-generare. Un modello per le periferie urbane

In Italia, quasi il 90% delle abitazioni esistenti sono state edificate prima degli anni Settanta del Novecento, se consideriamo la tipologia costruttiva, le normative per la sicurezza strutturale in ambito sismico e il comportamento energetico, ne deriva che la maggior parte non risponde agli standard vigenti. A questo si aggiunge la consapevolezza che il patrimonio residenziale costruito in quel periodo, e che occupa le prime periferie delle città, non si presta per sua natura costitutiva ad essere oggetto di interventi di riqualificazione che siano giustificabili in termini di costi-benefici dal punto di vista economico e per ottimizzazione ingegneristica. È opportuno ripensare piani e programmi di rinnovamento non circoscritti alle categorie di risanamento, efficientamento, manutenzione, adeguamento, ma che siano in grado di assumere in positivo il tema della sostituzione secondo il paradigma del ri-costruire per ri-generare per sviluppare strategie a medio-lungo termine per soddisfare un quadro esigenziale-prestazionale coerente con la legislazione europea, in termini di sicurezza, efficienza e impatto ambientale, e promuovere la pianificazione e lo sviluppo sostenibile delle città. L’edilizia circolare è qui intesa come un’attività finalizzata alla costruzione e gestione degli edifici all’interno di un ecosistema economico basato sulla circolarità dei processi. L’obiettivo della ricerca è duplice: (i) metodologico, rivolto alla formalizzazione di un modello innovativo d’intervento associato ai principi della circolarità e basato sulla conoscenza approfondita del patrimonio esistente; e (ii) progettuale, prevede la progettazione di un prototipo di unità abitativa e l’applicazione del modello ad un caso di studio, che viene assunto come applicazione sperimentale ad un contesto reale e momento conclusivo del processo. La definizione di una matrice valutativa consente di formulare indicazioni operative nella fase precedente l’intervento per rendere espliciti, attraverso un indice sintetico di supporto decisionale, i criteri su cui fondare le scelte tra le due macro-categorie di intervento (demolizione con ricostruzione o rinnovo).

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.