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.

Morte cardiaca improvvisa in Emilia-Romagna: caratteristiche della rete multidisciplinare e risultati dei primi quattro anni

Introduzione: dal 2018 è attiva in Emilia-Romagna una rete multidisciplinare per i casi di morte cardiaca improvvisa (MCI). In questo studio sono riportate le caratteristiche della rete e i risultati dei primi quattro anni di attività. Materiali e metodi: sono inclusi i casi di MCI avvenuti in Emilia-Romagna dal 2018 in soggetti con età > 1 anno e ≤55 anni. L’autopsia è stata eseguita secondo le raccomandazioni internazionali ed il cuore inviato all’Unità di Patologia Cardiovascolare del Policlinico di Sant’Orsola. A seconda degli scenari sono state eseguite analisi genetiche, tossicologiche e microbiologiche. In caso di patologie geneticamente determinate o nelle morti sine materia è stato avviato lo screening familiare. Risultati: nei primi quattro anni di attività sono pervenuti 83 casi (età media 37 anni). In tutti i casi è stato eseguito un esame cardio-patologico completo e in 55 soggetti (66%) l’analisi genetica. Tra i 75 casi completati, è stata identificata una causa certa/altamente probabile di decesso in 66 (88%). Le patologie coronariche sono la patologia più frequentemente diagnostica (20 casi, 27%) seguita dalle cardiomiopatie (21%), mentre in 9 soggetti è stata riscontrata una malattia infiammatoria. L’indagine genetica è stata completata in 42 casi, identificando in 8 una mutazione causativa o una variante verosimilmente patogena (materiale inidoneo in 9). Successivamente, è stato eseguito lo screening in 14 famiglie di probandi deceduti per patologie non acquisite identificando sei soggetti di altrettante famiglie con un fenotipo positivo o dubbio. L’analisi genetica ha permesso di individuare quattro parenti con la stessa mutazione/variante verosimilmente patogena del probando. Complessivamente, in quattro soggetti è stato impiantato un defibrillatore per la prevenzione primaria della MCI. Conclusioni: la rete multidisciplinare della MCI in Emilia-Romagna ha permesso di identificare una causa di decesso in quasi nove casi su dieci, diagnosticare diversi parenti affetti e approntare strategie preventive per la MCI.

Metodi e modelli per l’analisi della domanda di un prodotto industriale

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso Marr S.p.A.: azienda italiana leader nella distribuzione di prodotti alimentari alla ristorazione extra domestica. Il fulcro dell'attività di MARR S.p.A risiede nell'approvvigionamento dei prodotti ai clientii. Per assicurare un servizio efficiente e redditizio è necessaria un'attenta pianificazione logistica, perciò, il lavoro di questa tesi si è concentrato su due aspetti centrali dell'operazione di riordino merce: la predizione della domanda futura dei prodotti, sulla base di dati riferiti al passato e l'individuazione della quantità effettiva da riordinare all'interno dei magazzini dell'azienda. Si è quindi svolta un'attenta analisi dell'attuale gestione dell'approvvigionamento da parte dell'azienda, quindi, ne sono state messe in luce le principali criticità, le quali risiedono nel fatto che il processo di riordino viene eseguito in maniera manuale sulla base dell'esperienza del Responsabile Acquisti. quindi, sono state sviluppate delle proposte di miglioramento delle attività di riordino: attraverso l’applicazione di modelli previsionali, è stato calcolato, per un campione ristretto di prodotti, il loro fabbisogno mensile, successivamente, questi risultati sono stati integrati con i vincoli di tempo di copertura e minimo d’ordine. Sono stati definiti e calcolati alcuni indici che potessero esprimere il grado di miglioramento della performance aziendale. I risultati avuti attraverso il lavoro di tesi cosa dimostrano quanto l’utilizzo di metodi basati sulle serie storiche forniscano una stima dei volumi di vendita futura più affidabili confronto a quelli ottenuti utilizzando i dati di vendita del mese corrente come stima delle vendite future. Attraverso l’utilizzo dei metodi di Media Mobile, Smorzamento Esponenziale e di Holt-Winters si può arrivare ad un livello di precisione maggiore di quello in uso in MARR S.p.A. ed è possibile giungere ad un’ottimizzazione dei magazzini, riducendone la giacenza del 10%.

Studio delle prestazioni di un sistema per il sensing basato sulla modulazione OTFS

Questo elaborato tratta lo studio e l'implementazione della modulazione Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) in sistemi di tipo Joint Sensing and Communication (JSC), ossia sistemi in cui le funzionalità di comunicazione e "sensing" condividono lo stesso hardware e la stessa banda di frequenze. La modulazione OTFS è una recente tecnica di modulazione bidimensionale, progettata nel dominio delay-Doppler, che sta riscuotendo particolare interesse nel panorama delle telecomunicazioni in quanto portatrice di alcuni importanti vantaggi nei sistemi delle reti cellulari. Rispetto alle moderne modulazioni multi-portante, come l'OFDM, l'OTFS si dimostra essere in grado di offrire prestazioni migliori e più robuste in condizioni di connessioni ad alta velocità (High Mobility), con una maggiore efficienza spettrale, in quanto non prevede l'utilizzo di un prefisso ciclico per la gestione del problema dell'ISI. Un altro punto di forza importante della modulazione OTFS è quello di risultare particolarmente adatta e compatibile con le applicazioni di JSC, soprattutto grazie all'estrema robustezza a grandi spostamenti Doppler, e la possibilità di fare "sensing" raggiungendo distanze decisamente maggiori rispetto all'OFDM, grazie all'assenza del prefisso ciclico. Tutto questo però viene al costo di un notevole incremento del sistema, con tempi di esecuzione molto elevati. Dopo aver presentato il sistema OTFS in generale e in ambito JSC, in un particolare scenario, lo si è implementando in MATLAB sviluppando due versioni: una standard e una a complessità ridotta, in grado di raggiungere risoluzioni molto elevate in tempi di calcolo contenuti. Infine questo sistema, in grado di stimare i parametri radar di distanza e velocità radiale relativa, associati ad un certo target, è stato simulato e i risultati relativi alle performance sulla stima dei parametri, in termini di RMSE e CRLB, sono stati riportati e posti a confronto con quelli ottenuti nel caso OFDM, a parità di scenario.

Comunità energetiche rinnovabili e gruppi di autoconsumo collettivo: panorama attuale e simulazione tecnico-economica di un gruppo di autoconsumo collettivo

Questo progetto di Tesi si propone come obiettivo la valutazione della convenienza economica ed ambientale di un Gruppo di Autoconsumo Collettivo da fonti rinnovabili. Per fare ciò, è stata necessaria un’attenta fase di analisi delle normative italiane ed europee attualmente in vigore, in modo da stabilire i requisiti necessari per accedere a questo tipo di configurazione. Successivamente si è iniziata una simulazione tecnico-economica del progetto. Inizialmente è stata proposta l’installazione di un impianto fotovoltaico di potenza 48 kWp e ne è stata calcolata la produzione media annua; in secondo luogo, grazie ai dati forniti dagli attori, è stato possibile effettuare una stima dei consumi annuali di tutto il Gruppo. Infine, sono stati combinati i dati di produzione e consumo per ricavare le quote di autoconsumo e di energia condivisa. Per concludere, tramite i dati estrapolati in precedenza, è stata effettuata una analisi economica dell’investimento, dimostrandone la convenienza, a cui è stata aggiunta una analisi di sensitività per dimostrare la resilienza del progetto verso il cambiamento di alcune ipotesi iniziali.

Caratterizzazione a flessione di materiali compositi per impiego automotive

L’introduzione dei materiali compositi all’interno dell’ambiente industriale ha modificato l’idea di progettazione delle strutture, permettendo il raggiungimento di eccellenti prestazioni difficilmente ottenibili con materiali classici. Grazie all’uso dei compositi si sono ottenute elevata resistenza e leggerezza, caratteristiche di grande interesse nell’industria aerospaziale, delle costruzioni civili e soprattutto del settore automobilistico. Il materiale composito viene considerato oggigiorno un materiale innovativo del quale non si conoscono in modo esaustivo tutte le caratteristiche. Da questa premessa è nata la campagna sperimentale di questa tesi, il cui scopo è la definizione della sequenza di laminazione per la realizzazione della molla posteriore per la sospensione del prototipo da competizione Emilia5, del team Onda Solare. Si è ricercata la configurazione che conferisse una rigidità flessionale maggiore rispetto a quelle campionate. Si è proceduto, quindi, allo studio delle possibili sequenze di laminazione con cui realizzare la molla e sono stati creati i provini utilizzando CFRP unidirezionale, materiale caratterizzato da un’elevata resistenza lungo l’asse longitudinale. I 5 provini realizzati si differenziano principalmente per le metodologie di sovrapposizione delle lamine contigue e per i materiali utilizzati. Sui provini realizzati è stata eseguita una caratterizzazione mediante prova di flessione in tre punti, dalla quale sono stati ricavati i dati necessari alla successiva analisi delle proprietà. Infine, con i risultati ottenuti si è proceduto alla determinazione della sequenza di laminazione ottimale per la realizzazione del prototipo.

Analisi e ottimizzazione strutturale di una pressa di colaggio per la produzione di sanitari

L'odierna volatilità dei costi delle materie prime e il generale aumento dei prezzi legati all'energia, rendono necessario lo sviluppo di strategie atte a contenerne le conseguenze, in modo particolare all'interno delle innumerevoli realtà industriali che risultano inevitabilmente coinvolte. Il seguente elaborato è incentrato sull’analisi del funzionamento di una pressa per il colaggio di articoli sanitari in ceramica e sulla ricerca di soluzioni costruttive alternative del telaio della macchina che garantiscano le medesime prestazioni dell’originale ma con un’eventuale diminuzione sul costo di produzione. Ai fini dell’analisi vengono sviluppati una serie di modelli matematici (sia analitici che basati sui metodi numerici) con l’obiettivo di studiare lo stato deformativo e tensionale della macchina, valutare le condizioni di carico a cui sono soggette le varie giunzioni (saldate e bullonate) e individuare eventuali criticità. Il medesimo approccio è utilizzato nell’analisi delle soluzioni alternative sviluppate all’interno dell’elaborato. Su di esse viene poi svolta una stima dei costi di produzione da confrontare con i costi relativi agli equivalenti semilavorati presenti nella struttura originale, in modo da individuare e valutare un eventuale vantaggio in termini economici.

Studio e validazione sperimentale di componenti in materiale composito avanzato ottenuto da materiale di riciclo

I materiali compositi a matrice polimerica rinforzati con fibra di carbonio (CFRP) si stanno sviluppando in maniera esponenziale negli ultimi anni, con una crescita del 20 – 25% annua, tanto che si prevede una domanda di circa 194.000 tonnellate entro il 2022 per cui è evidente che negli anni a venire dovranno essere smaltiti diversi rifiuti realizzati con tale materiale. Lo stato attuale relativo al riciclo dei CFRP prevede, per la maggior parte di essi, di essere conferiti in discarica o inviati all’inceneritore per ottenere un recupero energetico grazie alla presenza della matrice a base polimerica ma questo non consente il recupero della fibra per cui non è una tecnica che sfrutta l’alto valore del rifiuto. È proprio per questo motivo che si stanno sviluppando diverse metodologie di riciclo dei materiali compositi fibro – rinforzati nell’ottica dell’economia circolare, in particolare, si distinguono in riciclo meccanico, termico e chimico in base ai principi che stanno alla base degli stessi. Si precisa che su scala commerciale è stato realizzato solamente il riciclo termico tramite pirolisi mentre per tutte le altre tecniche si è ancora in fase di sperimentazione e di ricerca in laboratorio. L’obiettivo dell’elaborato di tesi è quello di valutare e approfondire il riciclo dei materiali compositi in fibra di carbonio in modo tale da studiare e validare sperimentalmente due componenti realizzati in materiale composito rinforzato con fibra di carbonio riciclata per poterli confrontare con i medesimi componenti realizzati in fibra nuova così da trarre delle conclusioni in merito alle proprietà meccaniche di rigidezza e resistenza ottenibili. Il lavoro di tesi è stato svolto all’interno dell’azienda Bucci Composites S.p.A. con sede a Faenza, la quale si occupa di progettazione e realizzazione di diversi componenti in materiale composito avanzato per diverse aziende clienti provenienti dai settori automotive, aerospaziale, nautico e industriale più in generale.

Caratterizzazione meccanica di calcestruzzi fibrorinforzati con fibre d'acciaio

L’utilizzo di materiali compositi come i calcestruzzi fibrorinforzati sta diventando sempre più frequente e diffuso. Tuttavia la scelta di nuovi materiali richiede una approfondita analisi delle loro caratteristiche e dei loro comportamenti. I vantaggi forniti dall’aggiunta di fibre d’acciaio ad un materiale fragile, quale il calcestruzzo, sono legati al miglioramento della duttilità e all'aumento di assorbimento di energia. L’aggiunta di fibre permette quindi di migliorare il comportamento strutturale del composito, dando vita ad un nuovo materiale capace di lavorare non solo a compressione ma anche in piccola parte a trazione, ma soprattutto caratterizzato da una discreta duttilità ed una buona capacità plastica. Questa tesi ha avuto come fine l’analisi delle caratteristiche di questi compositi cementizi fibrorinforzati. Partendo da prove sperimentali classiche quali prove di trazione e compressione, si è arrivati alla caratterizzazione di questi materiali avvalendosi di una campagna sperimentale basata sull’applicazione della norma UNI 11039/2003. L’obiettivo principale di questo lavoro consiste nell’analizzare e nel confrontare calcestruzzi rinforzati con fibre di due diverse lunghezze e in diversi dosaggi. Studiando questi calcestruzzi si è cercato di comprendere meglio questi materiali e trovare un riscontro pratico ai comportamenti descritti in teorie ormai diffuse e consolidate. La comparazione dei risultati dei test condotti ha permesso di mettere in luce differenze tra i materiali rinforzati con l’aggiunta di fibre corte rispetto a quelli con fibre lunghe, ma ha anche permesso di mostrare e sottolineare le analogie che caratterizzano questi materiali fibrorinforzati. Sono stati affrontati inoltre gli aspetti legati alle fasi della costituzione di questi materiali sia da un punto di vista teorico sia da un punto di vista pratico. Infine è stato sviluppato un modello analitico basato sulla definizione di specifici diagrammi tensione-deformazione; i risultati di questo modello sono quindi stati confrontati con i dati sperimentali ottenuti in laboratorio.

Implementazione di un sistema ERP. Il caso RIBA Composites.

Riba Composites, azienda specializzata nella lavorazione della fibra di materiali compositi avanzati, si trova in una vantaggiosa situazione di sviluppo e ampliamento del proprio raggio d’azione, e dove le informazioni da gestire sono sempre più numerose. E’ quindi risultato necessario un supporto informativo che gestisca le informazioni. Dal punto di vista produttivo, l’introduzione del sistema informativo ha l’obiettivo di rispondere alle problematiche legate alla gestione dei materiali, sia a livello di materie prime, che di semilavorati e prodotti finiti in modo tale da gestirli con efficienza ed evitando le rotture di stock. L’obiettivo di fondo che Riba vuole perseguire é di crescere e svilupparsi in logica di lean production che, nell’ottica della gestione dei magazzini significa “approvvigionare i materiali solamente nel momento in cui si manifesta un fabbisogno”. Quest’approccio abbandona la attuale logica di pianificazione “a spinta” (push) che prevedeva la programmazione degli approvvigionamenti e la produzione di semilavorati e prodotti finiti attraverso previsioni basate sull’analisi di dati storici o di mercato, e non attraverso gli ordini effettivamente acquisiti su cui si basa la logica di produzione “snella” (pull). L’implementazione di un sistema ERP ha richiesto un’analisi approfondita dell’azienda in cui si opera così come del prodotto finito e del processo produttivo, a tal punto da poter riconoscere le esigenze e le necessità a cui dovrà rispondere il sistema informativo. A questa fase di analisi e raccolta dati segue un momento di assestamento del sistema informativo, in cui solo una parte di articoli viene gestita dal sistema per poter procedere contemporaneamente con la graduale formazione del personale. La durata del progetto in questione è stata stimata di circa 20 mesi, tempo necessario per poter adattare il sistema e le diverse personalizzazioni ad un processo così complesso come la lavorazione della fibra di carbonio. Termine previsto Agosto 2010

Analisi e simulazione FEM del processo di infusione sottovuoto "VARI" di una passerella nautica

Tesi svolta presso l'azienda “Riba composites S.r.l.” con lo scopo di riprogettare una passerella nautica utilizzata in imbarcazioni a vela da competizione, attualmente realizzata mediante formatura in autoclave di tessuti pre-impregnati, per il processo produttivo di Vacuum Assisted Resin Injection (VARI). La formatura in autoclave di tessuti pre-­impregnati è una delle tecnologie più onerose, tra i vari processi produttivi nel settore dei materiali compositi, ma assicura proprietà meccaniche e livelli estetici superlativi. L’obiettivo della Riba Composites è ridurre i costi di produzione per offrire un prodotto dalle proprietà analoghe a un prezzo più competitivo. Nella fase di riprogettazione ci siamo affidati a un software di calcolo agli elementi finiti che simula il processo del VARI, l’applicativo PAM-­RTM, del gruppo ESI. Al fine di ottenere una simulazione quanto più precisa possibile del processo, abbiamo realizzato molteplici prove sperimentali per ricavare i valori di compressibilità e permeabilità dei rinforzi da inserire nel software FEM.

Studio dell’effetto di cicli termici su materiali CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) attraverso prove di caratterizzazione statica

L’intento di questa tesi è fornire un andamento di alcune proprietà dei materiali compositi in fibra di carbonio, CFRP, utilizzati soprattutto nell’ambito aeronautico e navale, esposti quindi a condizioni ambientali specifiche di variazione ciclica della temperatura. Lo studio è effettuato sulle prove di caratterizzazione statica, di compressione, flessione in tre punti e taglio interlaminare, che generano risultati sulla resistenza delle fibre e della matrice e sul modulo elastico a compressione e trazione del composito.