Preparazione e caratterizzazione di nuovi nanocompositi elastomerici mediante stampa 3D

Il presente lavoro di tesi si è incentrato sulla preparazione e caratterizzazione di manufatti elastomerici mediante Additive Manufacturing, sfruttabili per l'abbigliamento sportivo. Sono stati studiati diversi parametri di stampa, tra cui la geometria di riempimento, angoli di deposizione, infill e velocità di stampa, al fine di ottenere prestazioni ottimizzate confrontabili con materiali convenzionali. Inoltre sono state utilizzate per lo scopo diverse matrici elastomeriche caratterizzate da differente durezza Shore A. Le proprietà termiche dei manufatti stampati sono state studiate attraverso analisi TGA e DSC. Invece, le prestazioni meccaniche sono state analizzate attraverso DMA, prove di trazione e prove di compressione/espansione. Infine, è stato sviluppato un materiale innovativo nanocomposito al fine di ampliare il campo di utilizzo della FDM. Il materiale è stato caratterizzato tramite le classiche tecniche di analisi termiche e meccaniche.

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.

CeO2 depositato su schiuma di Cu per la riduzione elettrochimica selettiva di 5-idrossimetilfurfurale a 2,5-bis(idrossimetil)furano

Il 5-idrossimetilfurfurale (HMF) è una delle principali molecole piattaforma ricavabili da biomassa e può essere trasformato, con diversi processi, in altre molecole utili, tra cui il 2,5-bis(idrossimetil)furano (BHMF), utilizzato nel campo dei polimeri come precursore, e ottenibile tramite reazione di idrogenazione. L’idrogenazione elettrocatalitica dell’HMF è una via sostenibile per ottenere BHMF che opera a temperatura e pressione ambiente, utilizzando acqua come solvente e sorgente di idrogeno, evitando l’utilizzo di H2 gassoso. Per catalizzare la reazione vengono utilizzate schiume di rame con alta area superficiale che possono essere ricoperte con fase attiva a base di argento per aumentarne l’attività. In questo lavoro, viene realizzato e studiato un nuovo tipo di elettrocatalizzatore a base di ceria elettrodepositata su schiuma di rame, con l’obiettivo di replicare o migliorare i risultati ottenuti con i catalizzatori Ag/Cu. Le prestazioni dei catalizzatori dei catalizzatori Ce/Cu sono state studiate in soluzioni di HMF 0,05 M, 0,10 M e 0,50 M e confrontate con schiume Ag/Cu e Cu bare. I catalizzatori a base di Ce dimostrano la capacità di convertire selettivamente HMF in BHMF. A 0,05 M i catalizzatori Ag/Cu si sono dimostrati i migliori per conversione, selettività, efficienza faradica e produttività, invece, i catalizzatori Ce/Cu forniscono risultati migliori rispetto alla schiuma di rame in termini di selettività e produttività, che risulta comparabile con quello dei catalizzatori Ag/Cu. A 0,10 M i catalizzatori Ce/Cu riescono a migliorarsi in termini di conversione e a superare i catalizzatori Ag/Cu in produttività, grazie al minore tempo di reazione impiegato. All’aumentare della concentrazione di HMF, comunque, i risultati di selettività dei catalizzatori Ce/Cu diminuiscono ma rimangono in linea con quelli ottenuti con i catalizzatori Ag/Cu.

Resine bio-based da oli vegetali: applicazioni industriali in prodotti vernicianti rinnovabili a basso impatto ambientale

La tesi riguarda lo studio di resine polimeriche derivanti da oli vegetali, impiegabili come leganti nei prodotti vernicianti per l’edilizia ed altri settori. I prodotti vernicianti plant-based sono stati confrontati con altri prodotti attualmente commercializzati, provenienti da fonti fossili. Considerata la produzione ingente dei prodotti vernicianti su base mondiale (8,31 kg/persona) sarebbe determinante impiegare delle fonti rinnovabili per garantirne una produzione sostenibile, diminuendo l’inquinamento, ritardando l’esaurimento del petrolio e riducendo le emissioni di CO2 e di conseguenza l’effetto serra ed il cambiamento climatico. Sono state trattate, quindi, alcune vie di sintesi “green” di leganti poliuretanici ed epossidici per prodotti vernicianti ad elevate prestazioni. Gli oli vegetali sono stati scelti come materie prime in quanto relativamente economici e disponibili in grandi quantità, risultando adatti per produzioni su scala industriale. Sono inoltre riportati i metodi di formulazione di uno smalto opaco bio-based per esterni (ad es. infissi e staccionate) e una vernice opaca per parquet (interni). Le formulazioni sperimentali sono state poi caratterizzate e confrontate con altri prodotti fossil-based presenti in commercio. I prodotti vernicianti sono stati sottoposti a test di brillantezza (gloss), adesione, presa di sporco, durezza, resistenza all’abrasione e resistenza chimica.

Sintesi e caratterizzazione di batterie tipo rocking chair basate sugli analoghi del blu di Prussia

La rapida espansione del mercato delle batterie incalza lo sviluppo di materiali elettrodici basati su elementi largamente disponibili sulla crosta terrestre, rispettosi dell'ambiente ed economicamente sostenibili. Nel presente elaborato si effettua lo studio di elettrodi basati sugli analoghi del blu di Prussia (PBA) come una classe di composti inorganici che presenta diverse proprietà elettrochimiche adatte per applicazioni legate all’energy storage. A tal riguardo, la sintesi del PBA ferro esacianocobaltato (FeHCC) è stata effettuata mediante un metodo di coprecipitazione semplice e poco costoso. L’utilizzo di tecniche analitiche quali XAS, PXRD, MP-AES e TGA ha permesso di ricavare la composizione del ferro esacianocobaltato, dell'esacianoferrato di titanio e del manganese esacianoferrato nonché diverse informazioni di carattere strutturale. In seguito, le prestazioni elettrochimiche degli elettrodi sono state valutate mediante voltammetria ciclica, utilizzando come agenti intercalanti gli ioni K+ e Na+ contenuti nel relativo elettrolita acquoso.Infine, grazie ai dati così ottenuti, è stato possibile assemblare e testare diversi layout di coin cell in configurazione rocking chair completamente basate su elettrodi PBA; anche in questo caso, la voltammetria ciclica e le tecniche galvanostatiche sono state utilizzate per valutare le prestazioni elettrochimiche e raccogliere informazioni sulla capacità gravimetrica ottenibile da questi dispositivi.

Intercalazione di grafene ossido in idrossidi doppi a strato per lo sviluppo di capacitori ibridi

In questo lavoro, sono state valutate le prestazioni di quattro tipi di LDH (Co/Al e Co/Fe entrambe con e senza GO nella soluzione di elettrodeposizione) per l'applicazione in stoccaggio di energia, andando a confrontare le capacità specifiche calcolate da voltammetrie cicliche e curve galvanostatiche di carica/scarica. I risultati di tali analisi hanno mostrato come l’LDH a base di Al sia più adatto all’applicazione di accumulo di energia, rispetto a quello con il Fe. Ulteriori caratterizzazioni, come l’XRD ed il SEM accoppiato con l'EDX, hanno confermato la maggior applicabilità dei LDH di Co/Al rispetto a quelli di Co/Fe, in quanto i primi presentano: una struttura più cristallina, una morfologia più uniforme ed un’intercalazione dell’ERGO migliore. Dopo la fase di scelta dell’LDH più performante ci si è dedicati alla caratterizzazione di un capacitore ibrido operante in fase liquida. Concluse le analisi, si è notato come l’ERGO porti all'aumento delle prestazioni del sistema (risultato in linea con quello riscontrato tramite lo studio degli LDH come componenti catodici singoli). Grazie allo studio delle performance a lungo termine è stato possibile verificare come l’ERGO aumenti la stabilità del sistema quando si sottopone quest’ultimo a stress protratto nel tempo. Successivamente, si è proseguito con lo studio di un capacitore ibrido operante in fase solida. Come nel caso del sistema in fase liquida, si è riscontrato un aumento di performance dovuto alla presenza di ERGO nella struttura finale degli LDH.

Studio dell'attenzione dei conducenti tramite i sistemi neurali

Il presente elaborato ha studiato i sistemi di assistenza avanzata al conducente (ADAS), focalizzandosi sull’Adaptive Cruise Control (ACC). Si sono studiati diversi aspetti comportamentali dei conducenti in funzione del sistema ACC come il visual behaviour dei conducenti, i dati cinematici del veicolo (driving behaviour) e il tempo di percezione-reazione in situazioni critiche. Si è descritta la sperimentazione svolta in sito e le strumentazioni innovative, tra le quali il Mobile eye tracker, utilizzate per la raccolta dati. Per eseguire l’elaborazione dei dati sono state applicate tecniche di machine learning, mediante l’applicazione di una rete neurale artificiale realizzata appositamente per questo studio, risultando uno dei primi nel settore ad utilizzare tale metodologia. Si è descritto il codice della rete e valutate le prestazioni della stessa. Infine sono state eseguite analisi sul comportamento dei conducenti in funzione dello stato (on/off) del sistema.

Analisi dei regimi di miscelazione in sistemi gas-liquido agitati meccanicamente, mediante tecnica sperimentale della ERT

Nell’industria chimica i processi di miscelazione hanno un impatto considerevole sulla maggior parte delle operazioni unitarie ed è, pertanto, di fondamentale importanza studiarne i meccanismi. Per tale motivo, durante questo lavoro di tesi sono stati investigati i regimi di miscelazione all’interno di reattori agitati meccanicamente, che contengono miscele bifase gas-liquido. In particolare, l’analisi è stata condotta su un fermentatore realizzato in scala di laboratorio in cui è stata installata una girante a pale concave che prende il nome di BT-6, con la tecnica sperimentale della tomografia a resistenza elettrica (ERT). L’obiettivo del presente elaborato consiste nell’esaminare la distribuzione della fase gassosa con l’utilizzo di suddetta tecnica all’interno del liquido, in quanto parametro chiave per la progettazione e la valutazione delle prestazioni di questo tipo di apparecchiature. Attraverso l’utilizzo della tomografia, si misura la distribuzione di conducibilità della sostanza da cui, mediante l’implementazione di un algoritmo, si risale alla frazione di gas dispersa in fase liquida. Infine, i vari regimi di miscelazione analizzati durante questo lavoro di tesi, sono stati confrontati con prove analoghe condotte in una precedente sperimentazione su una girante di tipo Rushton.

Big data analytics for proactive and predictive maintenance in electric car battery packs

The idea behind the project is to develop a methodology for analyzing and developing techniques for the diagnosis and the prediction of the state of charge and health of lithium-ion batteries for automotive applications. For lithium-ion batteries, residual functionality is measured in terms of state of health; however, this value cannot be directly associated with a measurable value, so it must be estimated. The development of the algorithms is based on the identification of the causes of battery degradation, in order to model and predict the trend. Therefore, models have been developed that are able to predict the electrical, thermal and aging behavior. In addition to the model, it was necessary to develop algorithms capable of monitoring the state of the battery, online and offline. This was possible with the use of algorithms based on Kalman filters, which allow the estimation of the system status in real time. Through machine learning algorithms, which allow offline analysis of battery deterioration using a statistical approach, it is possible to analyze information from the entire fleet of vehicles. Both systems work in synergy in order to achieve the best performance. Validation was performed with laboratory tests on different batteries and under different conditions. The development of the model allowed to reduce the time of the experimental tests. Some specific phenomena were tested in the laboratory, and the other cases were artificially generated.

Theoretical and experimental study of novel hybrid composite and metal-composites interfaces

The growing demand for lightweight solutions in every field of engineering is driving the industry to seek new technological solutions to exploit the full potential of different materials. The combination of dissimilar materials with distinct property ranges embodies a transparent allocation of component functions while allowing an optimal mix of their characteristics. From both technological and design perspectives, the interaction between dissimilar materials can lead to severe defects that compromise a multi-material hybrid component's performance and its structural integrity. This thesis aims to develop methodologies for designing, manufacturing, and monitoring of hybrid metal-composite joints and hybrid composite components. In Chapter 1, a methodology for designing and manufacturing hybrid aluminum/composite co-cured tubes is assessed. In Chapter 2, a full-field methodology for fiber misalignment detection and stiffness prediction for hybrid, long fiber reinforced composite systems is shown and demonstrated. Chapter 3 reports the development of a novel technology for joining short fiber systems and metals in a one-step co-curing process using lattice structures. Chapter 4 is dedicated to a novel analytical framework for the design optimization of two lattice architectures.

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.

Towards cheaper, safer and low environmental impact materials for energy storage devices: natural resources-derived carbon based electrodes and aqueous electrolytes for supercapacitors

The growing market of electrical cars, portable electronics, photovoltaic systems..etc. requires the development of efficient, low-cost, and low environmental impact energy storage devices (ESDs) including batteries and supercapacitors.. Due to their extended charge-discharge cycle, high specific capacitance, and power capabilities supercapacitors are considered among the most attractive ESDs. Over the last decade, research and development in supercapacitor technology have accelerated: thousands of articles have been published in the literature describing the electrochemical properties of the electrode materials and electrolyte in addition to separators and current collectors. Carbon-based supercapacitor electrodes materials have gained increasing attention due to their high specific surface area, good electrical conductivity, and excellent stability in harsh environments, as well as other characteristics. Recently, there has been a surge of interest in activated carbon derived from low-cost abundant sources such as biomass for supercapacitor electrode materials. Also, particular attention was given to a major challenging issue concerning the substitution of organic solutions currently used as electrolytes due to their highest electrochemical stability window even though their high cost, toxicity, and flammability. In this regard, the main objective of this thesis is to investigate the performances of supercapacitors using low cost abundant safe, and low environmental impact materials for electrodes and electrolytes. Several prototypes were constructed and tested using natural resources through optimization of the preparation of appropriate carbon electrodes using agriculture by-products waste or coal (i.e. Argan shell or Anthracite from Jerrada). Such electrodes were tested using several electrolyte formulations (aqueous and water in salt electrolytes) beneficing their non-flammability, lower cost, and environmental impact; the characteristics that provide a promising opportunity to design safer, inexpensive, and environmentally friendly devices compared to organic electrolytes.

A robotic platform for precision agriculture and applications

Agricultural techniques have been improved over the centuries to match with the growing demand of an increase in global population. Farming applications are facing new challenges to satisfy global needs and the recent technology advancements in terms of robotic platforms can be exploited. As the orchard management is one of the most challenging applications because of its tree structure and the required interaction with the environment, it was targeted also by the University of Bologna research group to provide a customized solution addressing new concept for agricultural vehicles. The result of this research has blossomed into a new lightweight tracked vehicle capable of performing autonomous navigation both in the open-filed scenario and while travelling inside orchards for what has been called in-row navigation. The mechanical design concept, together with customized software implementation has been detailed to highlight the strengths of the platform and some further improvements envisioned to improve the overall performances. Static stability testing has proved that the vehicle can withstand steep slopes scenarios. Some improvements have also been investigated to refine the estimation of the slippage that occurs during turning maneuvers and that is typical of skid-steering tracked vehicles. The software architecture has been implemented using the Robot Operating System (ROS) framework, so to exploit community available packages related to common and basic functions, such as sensor interfaces, while allowing dedicated custom implementation of the navigation algorithm developed. Real-world testing inside the university’s experimental orchards have proven the robustness and stability of the solution with more than 800 hours of fieldwork. The vehicle has also enabled a wide range of autonomous tasks such as spraying, mowing, and on-the-field data collection capabilities. The latter can be exploited to automatically estimate relevant orchard properties such as fruit counting and sizing, canopy properties estimation, and autonomous fruit harvesting with post-harvesting estimations.

Sustainable pavements for rural scenarios: laboratory and in-situ characterization of recycled materials and innovative construction solutions

Growing need for infrastructure has led to expanding research on advances in road pavement materials. Finding solutions that are sustainable, environmentally friendly and cost-efficient is a priority. Focusing such efforts on low-traffic and rural roads can contribute with a significant progress in the vital circulatory system of transport for rural and agricultural areas. An important alternative material for pavement construction is recycled aggregates from solid wastes, including waste from civil engineering activities, mainly construction and demolition. A literature review on studies is made; it is performed a planned set of laboratory testing procedures aimed to fully characterize and assess the potential in-situ mechanical performance and chemical impact. Furthermore, monitoring the full-scale response of the selected materials in a real field construction site, including the production, laying and compaction operations. Moreover, a novel single-phase solution for the construction of semi-flexible paving layers to be used as alternative material to common concrete and bituminous layers is experimented and introduced, aiming the production and laying of a single-phase laid material instead of a traditional two phases grouted macadam. Finally, on a parallel research work for farming pavements, the possible use of common geotechnical anti-erosive products for the improvement of soil bearing capacity of paddock areas in cattle husbandries of bio-farms is evaluated. this thesis has clearly demonstrated the feasibility of using the sustainable recycled aggregates for low-traffic rural roads and the pavements of farming and agriculture areas. The pavement layers constructed with recycled aggregates provided satisfying performance under heavy traffic conditions in experimental pavements. This, together with the fact that these aggregates can be available in most areas and in large quantities, provides great impetus towards shifting from traditional materials to more sustainable alternatives. The chemical and environmental stability of these materials proves their soundness to be utilized in farming environments.

Enhancing the reliability of electric transportation motors through insulation coordination and improved qualification

The ambitious goals of increasing the efficiency, performance and power densities of transportation drives cannot be met with compromises in the motor reliability. For the insulation specialists the challenge will be critical as the use of wide-bandgap converters (WBG, based on SiC and GaN switches) and the higher operating voltages expected for the next generation drives will enhance the electrical stresses to unprecedented levels. It is expected for the DC bus in aircrafts to reach 800 V (split +/-400 V) and beyond, driven by the urban air mobility sector and the need for electrification of electro-mechanical/electro-hydraulic actuators (an essential part of the "More Electric Aircraft" concept). Simultaneously the DC bus in electric vehicles (EV) traction motors is anticipated to increase up to 1200 V very soon. The electrical insulation system is one of the most delicate part of the machine in terms of failure probability. In particular, the appearance of partial discharges (PD) is disruptive on the reliability of the drive, especially under fast repetitive transients. Extensive experimental activity has been performed to extend the body of knowledge on PD inception, endurance under PD activity, and explore and identify new phenomena undermining the reliability. The focus has been concentrated on the impact of the WGB-converter produced waveforms and the environmental conditions typical of the aeronautical sector on insulation models. Particular effort was put in the analysis at the reduced pressures typical of aircraft cruise altitude operation. The results obtained, after a critical discussion, have been used to suggest a coordination between the insulation PD inception voltage with the converter stresses and to propose an improved qualification procedure based on the existing IEC 60034-18-41 standard.