Additive manufacturing: studio delle non conformità geometriche e dimensionali in componenti realizzati mediante tecnica fused deposition modelling

La fabbricazione additiva è una classe di metodi di fabbricazione in cui il componente viene costruito aggiungendo strati di materiale l’uno sull’altro, sino alla completa realizzazione dello stesso. Si tratta di un principio di fabbricazione sostanzialmente differente da quelli tradizionali attualmente utilizzati, che si avvalgono di utensili per sottrarre materiale da un semilavorato, sino a conferire all’oggetto la forma desiderata, mentre i processi additivi non richiedono l’utilizzo di utensili. Il termine più comunemente utilizzato per la fabbricazione additiva è prototipazione rapida. Il termine “prototipazione”’ viene utilizzato in quanto i processi additivi sono stati utilizzati inizialmente solo per la produzione di prototipi, tuttavia con l’evoluzione delle tecnologie additive questi processi sono sempre più in grado di realizzare componenti di elevata complessità risultando competitivi anche per volumi di produzione medio-alti. Il termine “rapida” viene invece utilizzato in quanto i processi additivi vengono eseguiti molto più velocemente rispetto ai processi di produzione convenzionali. La fabbricazione additiva offre diversi vantaggi dal punto di vista di: • velocità: questi processi “rapidi” hanno brevi tempi di fabbricazione. • realizzazione di parti complesse: con i processi additivi, la complessità del componente ha uno scarso effetto sui tempi di costruzione, contrariamente a quanto avviene nei processi tradizionali dove la realizzazione di parti complesse può richiedere anche settimane. • materiali: la fabbricazione additiva è caratterizzata dalla vasta gamma di materiali che può utilizzare per la costruzione di pezzi. Inoltre, in alcuni processi si possono costruire pezzi le cui parti sono di materiali diversi. • produzioni a basso volume: molti processi tradizionali non sono convenienti per le produzioni a basso volume a causa degli alti costi iniziali dovuti alla lavorazione con utensili e tempi di setup lunghi.

Ottimizzazione topologica di componenti per macchina automatica da produrre mediante manifattura additiva

L'azienda IMA S.p.a., leader nel settore delle macchine automatiche per il packging, intende approfondire la conoscenza sui processi di manifattura additiva con l'obiettivo futuro di riuscire a realizzare il 5% di componenti che compongono le macchine della gamma dell'azienda mediante l'utilizzo di queste nuove tecnologie. Il raggiungimento di tale obiettivo comporta un radicale cambio di mentalità rispetto al passato e la creazione di nuove figure professionali e procedure di progettazione dei componenti totalmente nuove ed innovative. In questo contesto, vengono in aiuto i metodi numerici di ottimizzazione topologica. Noti carichi, vincoli, materiali e geometria d'ingombro del particolare, questi metodi vanno a determinare l'ottimale distribuzione del materiale per ottenere un incremento delle prestazioni del componente, andando a collocare il materiale solo in corrispondenza delle zone dove è strettamente necessario. L'ottimizzazione topologica strutturale, ottenimento della massima rigidezza specifica, è stato proprio l'argomento di questo elaborato. E' stato impiegato il software COMSOL Multiphysics 5.2 per implementare il problema di ottimizzazione. Inizialmente abbiamo affrontato problemi semplici, i cui risultati sono reperibili in letteratura. Dopo aver validato la correttezza della nostra implementazione, abbiamo infine esteso il problema a un caso di studio di un componente di una macchina IMA. Il caso di studio riguardava un componente che esegue l'estrazione della fustella piana dal magazzino in cui l'intero pacco fustelle viene riposto dall'operatore. I risultati ottenuti su questo componente sono stati positivi ottenendo un miglioramento della rigidezza specifica di quest'ultimo. L'obiettivo primario dell'elaborato è stato quello di realizzare una panoramica dei metodi di ottimizzazione topologica e riuscire ad applicare questi ad un caso concreto per valutare se tale tipo di progettazione potesse essere adeguato alle esigenze di IMA. L'obiettivo è stato largamente raggiunto.

Analisi e progettazione di soluzioni robotiche per l'alimentazione di macchine automatiche per il tè

Nel presente elaborato è stato valutato l’inserimento di robot commerciali per il caricamento di materiali da processare da macchine automatiche del tè. Sono state affrontate sia valutazioni di tipo progettuale che di tipo economico al fine di poter ottenere e confrontare soluzioni che fossero concretamente realizzabili, in linea con le normative vigenti ed economicamente vantaggiose rispetto alle convenzionali soluzioni senza robot. L’elevato numero di aspetti da considerare ha richiesto lo studio e l’integrazione di campi tematici differenti.

Riparazione del trave di coda di un Cessna Super Skymaster 337A danneggiato

Il presente elaborato ha lo scopo di descrivere le fasi di riparazione del trave di coda di un Cessna Super Skymaster 337A danneggiatosi durante le fasi di rimessaggio in hangar. Per prima cosa andremo ad analizzare le normative in materia di manutenzione degli aeromobili, in particolare la circolare 13 del RAI (Metodi accettabili per la manutenzione degli aeromobili) e la circolare 43.13-1A delle FAA (Acceptable methods, techniques, and practices-Aircraft ispection and repair). Verificheremo poi la tipologia del danno subito dal velivolo e, rifacendoci anche al Service Manual del costruttore, andremo a progettare la riparazione. Riparazioni estese a rivestimenti resistenti su strutture a guscio, infatti, devono preferibilmente essere fatte seguendo le specifiche raccomandazioni del costruttore dell’aeromobile. In molti casi, soprattutto se il danno non è esteso, le parti della riparazione possono essere progettate, e ne può essere dimostrata l’adeguata resistenza, senza calcolare i carichi e le sollecitazioni di progetto, considerando nel modo dovuto il materiale e le dimensioni delle parti originali e dei giunti chiodati. La cosa importante è che la parte riparata dovrà risultare pari all’originale per quanto riguarda la robustezza in relazione a tutti i tipi di carichi e alla rigidezza generale. Nel nostro caso andremo comunque a effettuare un’analisi strutturale per verificare l’effettiva correttezza dei principi contenuti nel manuale di manutenzione. Una volta verificato questo, procederemo con la realizzazione della riparazione soffermandoci sulle caratteristiche dei materiali utilizzati e sulle metodologie utilizzate durante la lavorazione. A lavoro ultimato trarremo poi le dovute conclusioni.

X-Ray Free-Electron Lasers

Recenti sviluppi nella progettazione di impianti di luce di sincrotrone di quarta generazione riguardano la produzione di fasci di luce nella banda dei raggi X con elevate caratteristiche in termini di brillanza, coerenza e impulsi estremamente brevi ( femtosecondo ) . I principali schemi per la produzione della radiazione XFEL riguardano l’impiego di ondulatori con differenti modalità di seeding. L’utilizzo dei fasci di radiazione XFEL nelle linee di luce per applicazioni di imaging, spettroscopia e diffrazione, ha determinato un costante sforzo sia nello sviluppo di dispositivi ottici in grado di selezionare e focalizzare il fascio su dimensioni nanometriche, che nella sperimentazione di tecniche “lensless” in grado di superare i limiti imposti dall’utilizzo di tali dispositivi . I risultati ottenuti nella produzione dei fasci hanno consentito nuove possibilità di indagine nella struttura dei materiali su distanze atomiche nella definizione, senza precedenti di dettagli su scale temporali del femtosecondo, permettendo lo studio, non solo di strutture atomiche in condizioni di equilibrio stabile quanto di stati della materia velocemente dinamici e di non equilibrio. CXDI e Spettroscopia Strutturale Ultraveloce risolte in tempo sono alcune delle tecniche in cui l’utilizzo della radiazione XFEL apre nuove possibilità di indagine agli stati transienti della materia permettendo la ricostruzione della dinamica di processi chimico –fisici su intervalli temporali finora inaccessibili .

Sistema di controllo PID di temperatura con LabVIEW e scheda Arduino

Lo scopo del lavoro svolto e quello di realizzare un sistema di controllo Proporzionale-Integrativo-Derivativo (PID) della temperatura all'interno di un fornetto in una camera a vuoto. Il sistema deve essere in grado di eseguire rampe di temperatura con differenti rapidita di variazione, in vista di un suo futuro impiego nello studio del Desorbimento Termico di diversi materiali. Nella prima parte della tesi, si esaminano le premesse teoriche ai controlli Proporzionali-Integrativi-Derivativi, e sono esposti i metodi di Ziegler-Nichols e di Tyreus-Luyben per ricavare le costanti del PID. Nella seconda parte si descrivono il sistema fisico in esame e l'hardware messo a punto per il sistema di controllo, gestito interfacciandolo con una scheda Arduino. Nella terza parte viene invece trattato il software realizzato con LabVIEW per gestire e controllare l'apparato. Nella quarta parte sono infine mostrati i risultati sperimentali ottenuti, e le conclusioni tratte al termine del lavoro.

Tecniche di rilievo topografico per il monitoraggio del costruito

Il presente lavoro si riferisce ad una delle attività di monitoraggio topografico più diffuse e consolidate: il controllo altimetrico per mezzo della livellazione geometrica di precisione, finalizzato alla determinazione dei dislivelli – e della loro variazione nel tempo – tra capisaldi appositamente istituiti sulla struttura. Va ricordato infatti che in Topografia non è possibile determinare direttamente la quota assoluta di un punto, ma solamente il dislivello, ossia la differenza di quota fra punti della superficie fisica. Il caso di studio si riferisce nello specifico ad un oggetto di grandissimo interesse: le Due Torri di Bologna. La Torre degli Asinelli e la Torre Garisenda di Bologna sono infatti soggette da lungo tempo ad una attività di monitoraggio altimetrico con la tecnica della livellazione geometrica di precisione, oggi realizzata con strumentazione digitale. L’attività viene condotta dall’area di Geomatica del Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali (DICAM) dell’Università di Bologna in collaborazione con il Comune di Bologna. Scopo della tesi è illustrare gli aspetti teorici alla base della tecnica della livellazione geometrica e le operazioni che sono state eseguite sul campo ed in laboratorio, in affiancamento a quanto effettuato dal DICAM con il coordinamento del Prof. G. Bitelli. Nel Capitolo 1 viene descritta la metodologia di rilevamento mediante livellazione geometrica di precisione e la tecnica di elaborazione dei dati tramite la compensazione per osservazioni indirette secondo il principio dei minimi quadrati. Nel Capitolo 2 viene presentato il caso di studio e descritto il rilievo che è stato effettuato durante il periodo della tesi. Vengono illustrate le fasi operative sul campo e la successiva fase di predisposizione dei dati per la compensazione. Infine si illustra l’elaborazione numerica realizzata per la determinazione delle quote nel sistema di riferimento locale utilizzato.

Synthesis and characterization of artificial aggregates and their potential applications in road construction

L’obiettivo del progetto è stato quello di realizzare ed analizzare aggregati artificiali creati attraverso geopolimerizzazione e macro-incapsulazione di paraffina in aggregati leggeri espansi, discutendo i loro possibili impieghi nelle pavimentazioni stradali. Dopo un'accurata calibrazione delle miscele geopolimeriche, sono stati realizzati degli aggregati artificiali, in seguito caratterizzati in accordo con la norma UNI EN 10343, con l'intento di sostituire materiali stradali vergini. Contemporaneamente, sono stati prodotti aggregati leggeri impregnati di paraffina (PCM), in grado di cambiare fase una volta raggiunti all'incirca i 3 °C, e successivamente rivestiti da due strati di resina poliestere e polvere di granito, denominati PLA: sfruttandone le proprietà termiche, si è valutato il loro possibile utilizzo come soluzione anti-icing. L’ultima fase della ricerca è stata incentrata nella realizzazione di aggregati geopolimerici espansi e molto porosi che potessero contenere una elevata quantità di PCM, sostituendo l'argilla espansa utilizzata nella produzione degli PLA.

Rinforzo di pavimentazioni stradali bituminose mediante geogriglie sintetiche

Il termine “sovrastruttura stradale” identifica l’insieme di strati legati e non legati che, partendo dal piano viabile, raggiungono la sommità del rilevato o il piano di posa, nelle sezioni in trincea. Al fine di fornire agli utenti stradali sovrastrutture in grado di sviluppare prestazioni ottimali per lunghi periodi, è necessario che esse siano manutenute utilizzando i metodi via via più consoni al tipo di dissesto che si verifica. Attraverso numerose ricerche è emerso come uno dei fattori di maggiore influenza per il degrado stradale sia da attribuire all’efficacia del collegamento fra i diversi elementi di una sovrastruttura. Gli stati tensionali che si creano all’interfaccia fra due strati adiacenti, se non contrastati adeguatamente, possono provocare effetti dannosi come l’insorgere di fessurazioni ed il distacco fra gli strati. Per contrastare tali fenomeni, si è sviluppata la tecnica di inserire uno strato di rinforzo all’interno della sovrastruttura costituito da materiali metallici o sintetici anche nell’ambito delle costruzioni stradali. La ricerca effettuata in questo elaborato prevede lo studio del collegamento fra gli strati superficiali di una sovrastruttura flessibile rinforzata con geogriglie in fibra di vetro, mediante prove sperimentali condotte con apparecchiatura Leutner. Tale metodologia di prova è utilizzata per valutare la resistenza a taglio all’interfaccia fra i vari strati che compongono la pavimentazione. I campioni di prova sono stati estratti tramite carotatura da una pavimentazione esistente. Come ulteriore indagine, con gli stessi conglomerati sono stati creati nuovi campioni doppio strato mediante compattazione in pressa giratoria. Si è poi ripetuta la prova Leutner, per valutare la possibile variazione dei risultati ottenuti in precedenza e, in tale caso, studiare l’influenza della compattazione sulla resistenza a taglio presente all’interfaccia fra i due strati.

Comportamento fuori piano di pareti in muratura rinforzate con FRCM

Nella presente Tesi è affrontata l’analisi sperimentale e teorica del comportamento di pareti in muratura rinforzate con FRCM e sollecitate da azioni di taglio fuori piano. Lo schema statico adottato per i campioni sperimentati consiste in uno schema appoggio-appoggio, mentre le forze esterne di taglio sono state applicate secondo uno schema di carico a quattro punti. Durante il corso della prova, i pannelli murari sono inoltre stati soggetti ad un carico di precompressione verticale costante, che simula l’effetto della presenza del solaio in un edificio in muratura. Dopo una descrizione teorica delle principali caratteristiche dei materiali compositi e dei loro costituenti, all’interno della Tesi sono richiamati alcuni studi scientifici relativi al comportamento fuori piano di elementi strutturali rinforzati con FRCM. In seguito vengono presentati i materiali impiegati per la campagna sperimentale e le prove di caratterizzazione meccanica eseguite. Vengono poi riportati i risultati sperimentali delle prove a taglio fuori piano in termini di spostamenti, di deformazioni e di scorrimenti, affrontando infine un confronto tra i risultati ottenuti per i campioni esaminati e riportando alcune considerazioni circa la strumentazione impiegata. L’ultima parte della Tesi è dedicata all’analisi teorica delle pareti. Viene proposto un modello teorico per stimare la resistenza fornita dai muri rinforzati, ipotizzando tre possibili modalità di rottura: rottura a trazione della fibra, rottura per distacco tra FRCM e supporto in muratura e rottura per delaminazione interna. Infine, viene riportata la modellazione agli elementi finiti svolta mediante il codice di calcolo MidasFea, che consente di attribuire ai materiali legami costitutivi adeguati per la modellazione di strutture in muratura, cogliendone il comportamento non lineare e il progressivo danneggiamento.

Strength development of single beech wood veneers considering different climate conditions

La tesi di laurea è stata svolta presso l’Università di Scienze Applicate di Rosenheim, in Germania; il progetto di ricerca si basa sulla tecnica di rinforzo conosciuta come “Soil Nailing”, che consiste nella costruzione di un’opera di sostegno nella realizzazione di pareti di scavo o nel consolidamento di versanti instabili. L’obiettivo principale dell’elaborato sarà quello di valutare la fattibilità dell’impiego di tubi fabbricati con legno di faggio, in sostituzione dei chiodi d’acciaio comunemente utilizzati; la scelta di questo tipo di legno è dettata dalla larga disponibilità presente in Germania. La sollecitazione principale su tali tubi sarà di trazione parallela alla fibratura, tramite test sperimentali è stato possibile valutare tale resistenza nelle diverse condizioni in cui si verrà a trovare il tubo dopo l’installazione nel terreno. A tal proposito è necessario specificare che, l’indagine per risalire all’influenza che le condizioni ambientali esercitano sull’elemento, verrà condotta su provini costituiti da un singolo strato di legno; in tal modo si può apprezzare l’influenza direttamente sull’elemento base e poi risalire al comportamento globale. I dati ottenuti dall’indagine sperimentale sono stati elaborati tramite la teoria di Weibull, largamente utilizzata in tecnologia dei materiali per quanto riguarda materiali fragili come il legno; tali distribuzioni hanno permesso la determinazione della resistenza caratteristica dei provini per ogni condizione ambientale d’interesse. Per quanto riguarda la valutazione della fattibilità dell’uso di tubi in legno in questa tecnica di consolidamento, è stato eseguito il dimensionamento del tubo, utilizzando i dati a disposizione ottenuti dall’indagine sperimentale eseguita; ed infine sono state eseguite le verifiche di stabilità dell’intervento.

Grafene: proprietà, sintesi e trasferimento con il ciclododecano

Il grafene è un cristallo bidimensionale di atomi di carbonio, isolato per la prima volta nel 2004 da due fisici che per questo risultato vinsero il premio Nobel per la Fisica nel 2010. Il grafene possiede proprietà chimiche e fisiche superiori, quali un’elevata resistenza chimica e meccanica e un’eccellente conducibilità termica ed elettrica. Inoltre possiede altre due caratteristiche che lo rendono particolarmente promettente in diversi ambiti applicativi: leggerezza e trasparenza ottica. In questo elaborato ho descritto le attività svolte seguendo le ricerche che vengono svolte al CNR-IMM di Bologna, dove questo materiale viene prodotto tramite la tecnica di Chemical Vapor Deposition e studiato per l’integrazione in dispositivi elettronici ed elettro-meccanici innovativi. Durante la mia esperienza di laboratorio all’IMM ho seguito i procedimenti che portano al trasferimento del grafene sintetizzato su substrati catalitici di rame sui substrati finali per la successiva integrazione nella tecnologia del silicio. Nell’elaborato vengono da prima descritte la struttura cristallina ed elettronica e successivamente presentate alcune proprietà di cui gode e messe in relazione con i materiali attualmente in uso. Segue una breve trattazione bibliografica di alcune delle principali tecniche di produzione del grafene, trattando più nel dettaglio la tecnica CVD attualmente in uso per la sintesi di grafene all’interno dei laboratori del CNR-IMM di Bologna. La parte principale di questa esperienza di laboratorio è stato di seguire in prima persona le attuali ricerche del gruppo di lavoro per la messa a punto di un metodo alternativo che utilizza il ciclododecano per il trasferimento del grafene sintetizzato su rame al posto del classico strato sacrificale polimerico di PMMA. Nell’elaborato il confronto tra le due tecniche viene eseguito confrontando i risultati del trasferimento analizzando la morfologia dei campioni finali con tecniche di microscopia elettronica in scansione

Studio sperimentale sulla rottura a fatica in regime fessurato di calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche

Nello studio sperimentale oggetto della tesi è stato indagato il comportamento a fatica policiclica, in regime fessurato, di calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche. Per tale tipologia di prova non esiste una procedura standardizzata; occorre anche osservare come in letteratura le testimonianze di prove policicliche su FRC siano piuttosto limitate soprattutto in riferimento a calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche in regime fessurato. A tale scopo è stata messa a punto una procedura di prova a flessione su tre punti finalizzata a valutare il comportamento a fatica del materiale. Sono stati testati calcestruzzi con lo stesso dosaggio e con la stessa tipologia di fibre sottoposti a carichi ciclici con diversi ampiezza e stress level. La sperimentazione ha riguardato anche prove di flessione su tre punti di tipo monotono condotte sul medesimo materiale e su calcestruzzi non fibrorinforzati. I dati sperimentali ottenuti dalle prove monotone sono stati impiegati come input per una procedura di analisi inversa finalizzata alla definizione della relazione tensione-apertura di fessura per i materiali testati.

Characterization of moisture susceptibility of asphaltic bitumen

La ricerca riguarda lo studio delle modifiche indotte dalla diffusione di acqua e umidità nelle pavimentazioni stradali con riferimento ai materiali bituminosi. Lo scopo è stato quello di analizzare le implicazioni che si sviluppano a livello chimico e reologico in vari bitumi. In questo progetto oltre alla fase sperimentale, è stato utilizzato un software per la simulazione agli elementi finiti. Per quanto concerne la fase di laboratorio, è stato sviluppato un nuovo protocollo di condizionamento. Tre diversi bitumi sono stati soggetti alla diffusione di acqua in forma liquida o vapore, a determinate condizioni ambientali e per svariati intervalli temporali. Grazie a l’utilizzo di due camere climatiche il condizionamento è stato realizzato in modo uniforme a precisi valori temperatura e umidità mantenuti stabili. I materiali analizzati: un bitume soft, uno hard, ed infine uno modificato con l’aggiunta di polimeri. Il dispositivo FTIR-ATR è stato utilizzato per la caratterizzazione chimica, mentre il comportamento reologico è stato analizzato tramite test eseguiti con il DSR. Le avanzate tecnologie presenti nel laboratorio della TU Delft hanno consentito di ottenere notevoli risultati. L’analisi è stata condotta con l’obiettivo di evidenziare i diversi cambiamenti indotti dalla diffusione di acqua liquida o vapore e per analizzare l’influenza della temperatura, del tipo del bitume e dell’incremento del tempo di condizionamento. Una analisi analoga è stata condotta parallelamente, con lo scopo di investigare la correlazione tra il processo di invecchiamento e la diffusione di umidità. Infine, la simulazione agli elementi finiti è stata sviluppata tramite il software CAPA-3D per analizzare il comportamento del bitume in periodi più estesi di diffusione di umidità. Inoltre, il comportamento dei bitumi è stato studiato anche in presenza di particelle di riempitivo. Particelle granitiche e calcaree sono state aggiunte ai bitumi in differenti percentuali.

Studio teorico e numerico delle tecniche di sopraelevazione di edifici esistenti con strutture in legno tipo xlam

In questo elaborato si affronta lo studio della tecnica di sopraelevazione di edifici esistenti in muratura con strutture in legno di tipo XLAM. Le sopraelevazioni, sebbene non siano una tipologia di intervento ancora così diffusa in Italia, offrono numerosi vantaggi e, in tale contesto, le caratteristiche del legno si prestano perfettamente a rendere vantaggioso e pratico questo sistema costruttivo. Partendo dall’analisi delle diverse caratteristiche e proprietà meccaniche che contraddistinguono la muratura e il legno, viene trattata l’interazione tra i due materiali all’interno della medesima struttura, concentrandosi sulla corretta progettazione degli elementi di collegamento. Vengono creati una serie di modelli agli elementi finiti per riprodurre il comportamento di un edificio esistente in muratura allo stato di fatto e a seguito degli interventi di sopraelevazione, analizzando le sollecitazioni che la parte di struttura sopraelevata genera sulla sottostruttura. Lo studio prevede la variazione dell’input sismico, prendendo in considerazione diversi valori di accelerazione di picco (da 0,35g a 0,05g). Particolare attenzione viene riservata per i collegamenti metallici tra sopraelevazione lignea e sottostruttura in muratura. Si propongono due diverse tecniche di sopraelevazione in XLAM: a parete unica e a pareti separate.