Caratterizzazione microstrutturale e frattografica di componenti in acciaio 316L prodotti tramite Selective Laser Melting

Il Selective Laser Melting è un processo di additive manufacturing che consiste nella realizzazione di componenti metallici tridimensionali, sovrapponendo strati di polvere, che viene via via fusa mediante una sorgente controllata di energia (laser). È una tecnica produttiva che viene utilizzata da più di 20 anni ma solo ora sta assumendo un ruolo rilevante nell’industria. È un processo versatile ma complesso che ad oggi permette di processare solo un numero limitato di leghe. Il presente lavoro di tesi riguarda in particolare lo studio, dal punto di vista microstrutturale, di componenti in acciaio inossidabile austenitico AISI-316L processato mediante Selective Laser Melting, attività svolta in collaborazione con il Gruppo di Tecnologia – Laser del Dipartimento di Ingegneria Industriale. Alla base dell’attività sperimentale è stata svolta anche un’ampia ricerca bibliografica per chiarire lo stato dell’arte sul processo e sulla lega in questione, la microstruttura, i difetti, le proprietà meccaniche e l’effetto dei parametri di processo sul componente finito. Le attività sperimentali hanno previsto una prima fase di caratterizzazione delle polveri di 316L, successivamente la caratterizzazione dei campioni prodotti tramite selective laser melting, in termini di microstruttura e difetti correlati al processo. Le analisi hanno rivelato la presenza di una microstruttura “gerarchica” costituita da melt pool, grani e celle submicrometriche. I difetti rinvenuti sono pori, delaminazione degli strati, particelle di polvere non fuse. Infine è stata eseguita la caratterizzazione frattografica dei campioni sottoposti a prove di trazione e di fatica a flessione rotante (attività condotte dal gruppo Laser) per identificare la morfologia di frattura e i siti di innesco della cricca di fatica.

Modellazione 3D e analisi dello stato tenso-deformativo di una calandra per la produzione di tubi di acciaio a saldatura elicoidale

Il lavoro di indagine che è stato sviluppato nella presente tesi è volto a valutare, attraverso metodi FEM, ossia tecniche numeriche computazionali, le sollecitazioni e le deformazioni che agiscono sul telaio di uno "Stampo", macchina che realizza l'operazione di calandratura della lamiera nella produzione di tubi di acciaio a saldatura elicoidale. In particolare l’analisi riportata in questo documento può ritenersi uno studio preliminare che ha lo scopo di creare un simulatore tenso-deformativo che permetta di realizzare un futuro lavoro di validazione del modello, quindi esso è stato realizzato nel modo più flessibile possibile, in modo che sia agevole, anche in un secondo tempo, introdurvi delle modifiche. Il Software utilizzato per la realizzazione dell'analisi FEM è Salomé-Meca accompagnato dal risolutore Code Aster. Oltre all'analisi sul Telaio dello Stampo si è effettuato uno studio preliminare, di validità generale, in cui si riportano in dettaglio le operazioni da effettuare per lo studio degli Assembly. In particolare è stato utilizzato il software Efficient per la creazione del file di comando.

L'influenza della precompressione nella prova a taglio dei campioni in muratura: uno studio sperimentale

Essendo l’Italia un territorio soggetto a violenti e frequenti sismi, ed avendo un importante patrimonio in muratura, è interessante studiare il rapporto tra i due. La muratura è maggiormente resistente contro forze che agiscono nel suo piano, che generano quindi uno sforzo di taglio. Si andrà dunque a valutare sperimentalmente la resistenza a taglio delle murature. Tale campagna sperimentale sarà svolta su campioni di muratura sotto forma di triplette confezionate con due tipi di malta diversi a tre livelli di precompressione differenti. I risultati così ottenuti saranno infine rielaborati in un grafico, il grafico della legge di Coulomb, che mira a cercare un legame lineare tra le tau e le sigma di precompressione. Un valore aggiunto dello studio sta nel monitoraggio costante della prova, dal quale si nota che la precompressione durante questa varia. Portando dunque a due risultati diversi: il primo è un legame tau-sigma con livelli di sigma normativi e uno con legami di sigma effettivi della rottura. La campagna sperimentale, inoltre, comprende anche la valutazione del modulo elastico per i singoli campioni di laterizio e di malta. La malta sarà provata anche per la resistenza a flessione e compressione.

Caratterizzazione dopo invecchiamento termico e igroscopico di compositi FRP realizzati con differenti resine epossidiche

L'elaborato tratta, inizialmente, delle generalità dei materiali compositi, facendo particolare riferimento agli elementi che contraddistinguono i materiali protagonisti di questa campagna sperimentale (resine epossidiche, fibre, IMR, binder). Successivamente si passa alla trattazione delle varie tecniche usate per produrre un componente in materiale composito, soffermandosi maggiormente sulla tecnica dell’HP-RTM. Inoltre, poichè nell’elaborazione dei risultati ottenuti sono utilizzati curve gaussiane e istogrammi, è inserito un capitolo con informazioni generali sulla statistica e sulle principali distribuzioni di probabilità. Sono, infine, elencati e spiegati i vari materiali utilizzati, con le varie apparecchiature e i due metodi di invecchiamento, igroscopico e termico.

Optical sensing of the fatigue damage state of CFRP under realistic aeronautical load sequences

Abstract: We present an optical sensing methodology to estimate the fatigue damage stateof structures made of carbon fiber reinforced polymer (CFRP), by measuring variations on the surface roughness. Variable amplitude loads (VAL), which represent realistic loads during aeronautical missions of fighter aircraft (FALSTAFF) have been applied to coupons until failure. Stiffness degradation and surface roughness variations have been measured during the life of the coupons obtaining a Pearson correlation of 0.75 between both variables. The data were compared with a previous study for Constant Amplitude Load (CAL) obtaining similar results. Conclusions suggest that the surface roughness measured in strategic zones is a useful technique for structural health monitoring of CFRP structures, and that it is independent of the type of load applied. Surface roughness can be measured in the field by optical techniques such as speckle, confocal perfilometers and interferometry, among others.

Surface irregularity factor as a parameter to evaluate the fatigue damage state of CFRP

This work presents an optical non-contact technique to evaluate the fatigue damage state of CFRP structures measuring the irregularity factor of the surface. This factor includes information about surface topology and can be measured easily on field, by techniques such as optical perfilometers. The surface irregularity factor has been correlated with stiffness degradation, which is a well-accepted parameter for the evaluation of the fatigue damage state of composite materials. Constant amplitude fatigue loads (CAL) and realistic variable amplitude loads (VAL), representative of real in- flight conditions, have been applied to “dog bone” shaped tensile specimens. It has been shown that the measurement of the surface irregularity parameters can be applied to evaluate the damage state of a structure, and that it is independent of the type of fatigue load that has caused the damage. As a result, this measurement technique is applicable for a wide range of inspections of composite material structures, from pressurized tanks with constant amplitude loads, to variable amplitude loaded aeronautical structures such as wings and empennages, up to automotive and other industrial applications.

progettazione e studio delle fasi costruttive di un ponte strallato con impalcato misto acciaio calcestruzzo

Il lavoro di tesi verte sulla progettazione e lo studio delle fasi costruttive di un ponte strallato ad impalcato misto acciaio calcestruzzo. E' stata analizzata la tecnica costruttiva nei suoi vari aspetti di calcolo e pratici di realizzazione, al fine di generare una proposta tecnica impiegabile in future applicazioni infrastrutturali nella copertura di medie - grandi luci.

Damping and Thermomechanical behaviour of CFRP laminates modified with rubbery nanofibers

Nanofibrous membranes are a promising material for tailoring the properties of laminated CFRP composites by embedding them into the structure. This project aimed to understand the effect of number, position and thickness of nanofibrous modifications specifically on the damping behaviour of the resulting nano-modified CFRP composite with an epoxy matrix. An improvement of damping capacity is expected to improve a composites lifetime and fatigue resistance by prohibiting the formation of microcracks and consequently hindering delamination, it also promises a rise in comfort for a range of final products by intermission of vibration propagation and therefore diminution of noise. Electrospinning was the technique employed to produce nanofibrous membranes from a blend of polymeric solutions. SEM, WAXS and DSC were utilised to evaluate the quality of the obtained membranes before they were introduced, following a specific stacking sequence, in the production process of the laminate. A suitable curing cycle in an autoclave was applied to mend the modifications together with the matrix material, ensuring full crosslinking of the matrix and therefore finalising the production process. DMA was exercised in order to gain an understanding about the effects of the different modifications on the properties of the composite. During this investigation it became apparent that a high number of modifications of laminate CFRP composites, with an epoxy matrix, with thick rubbery nanofibrous membranes has a positive effect on the damping capacity and the temperature range the effect applies in. A suggestion for subsequent studies as well as a recommendation for the production of nano-modified CFRP structures is included at the end of this document.

Invecchiamento biologico: la tecnologia per la produzione dei vini della denominazione d’origine “Jerez”

L’elaborato mira a descrivere la tecnologia e le implicazioni chimico-fisiche e sensoriali legati alla produzione dei vini della denominazione Jerez, alcune delle cui caratteristiche dipendono dal processo di invecchiamento biologico, dovuto al metabolismo di alcuni lieviti in grado di svilupparsi in colonie superficiali a costituire un velo di natura polisaccaridica. Dopo un breve excursus sulla storia della zona viticola dell'Andalusia e l’etimologia della parola "Jerez", si è fornita la descrizione delle condizioni pedologiche e climatiche della zona in questione. In seguito, si descrive il disciplinare della D.O. Jerez , la differenziazione dei vini Generosos, definizione e descrizione del metodo "Criaderas y Solera" e il suo funzionamento (saca y rocio). Sono descritti, inoltre, i fenomeni chimici che presiedono la formazione, lo sviluppo e la dissoluzione del velo di flor, soffermandosi sulla generazione o evoluzione di talune molecole responsabili delle caratteristiche sensoriali dei prodotti finali, includendo anche informazioni relative all’invecchiamento ossidativo di alcune tipologie di vini Jerez. Una particolare attenzione è riservata alla tecnologia adottata nei grandi enopoli della provincia di Cadiz, allo scopo di favorire le trasformazioni metaboliche dianzi accennate. Un ulteriore capitolo è stato dedicato alla trattazione dei dati statistici ed economici relativi al mercato andaluso, import ed export dello Jerez e l'andamento del commercio internazionale di questa tipologia di vino. Da ultimo, l'elaborato illustra brevemente altre tipologie di vino prodotte con invecchiamento biologico (Jura e Vernaccia di Oristano).

Innovative electrospun nanofibers for improving delamination resistance and damping of CFRP laminates

Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRPs) are well renowned for their excellent mechanical properties, superior strength-to-weight characteristics, low thermal expansion coefficient, and fatigue resistance over any conventional polymer or metal. Due to the high stiffness of carbon fibers and thermosetting matrix, CFRP laminates may display some drawbacks, limiting their use in specific applications. Indeed, the overall laminate stiffness may lead to structural problems arising from their laminar structure, which makes them susceptible to structural failure by delamination. Moreover, such stiffness given by the constituents makes them poor at damping vibration, making the component more sensitive to noise and leading, at times, to delamination triggering. Nanofibrous mat interleaving is a smart way to increase the interlaminar fracture toughness: the use of thermoplastic polymers, such as poly(ε- caprolactone) (PCL) and polyamides (Nylons), as nonwovens are common and well established. Here, in this PhD thesis, a new method for the production of rubber-rich nanofibrous mats is presented. The use of rubbery nanofibers blended with PCL, widely reported in the literature, was used as matrix tougheners, processing DCB test results by evaluating Acoustic Emissions (AE). Moreover, water-soluble electrospun polyethylene oxide (PEO) nanofibers were proposed as an innovative method for reinforcing layers and hindering delamination in epoxy-based CFRP laminates. A nano-modified CFRP was then aged in water for 1 month and its delamination behaviour compared with the ones of the commercial laminate. A comprehensive study on the use of nanofibers with high rubber content, blended with a crystalline counterpart, as enhancers of the interlaminar properties were then investigated. Finally, PEO, PCL, and Nylon 66 nanofibers, plain or reinforced with Graphene (G), were integrated into epoxy-matrix CFRP to evaluate the effect of polymers and polymers + G on the laminate mechanical properties.

Effects of Accelerated Hygroscopic Ageing on Interlaminar Shear Strength and Glass Transition Temperature of CFRP

This study, which is undertaken in cooperation with Riba-COMPOSITES, investigates the effects of hygroscopic ageing on the Interlaminar Shear Strength and Glass Transition Temperature of short-beams made of carbon fibre reinforced polymer (CFRP) composites provided by two different vendors. The materials have the same weave pattern but differ in the epoxy resin formulation. The tests are done in accordance with ASTM. Accelerated ageing techniques are carried out by immersion of the specimens in deionized water at 70°C for different periods of time, developing different degrees of ageing. The results of the tests confirm that hygroscopic ageing causes a loss of properties and a depression of the glass transition temperature in both the materials. However, since one of the two materials shows more constant property degradation, its behaviour in service conditions should be more easily predictable.

Studio e progettazione di edificio industriale in carpenteria metallica

La tesi ha come oggetto lo studio e la progettazione di un edificio industriale in carpenteria metallica localizzato a Bologna. Definizione ed analisi dei carichi con successiva progettazione e verifica del manto di copertura costituito da un doppio laminato in acciaio strutturale zincato preverniciato che racchiude uno strato di poliuretano espanso ad alta densità con funzione isolante. Progettazione e verifica degli arcarecci in base alla larghezza della fascia di loro pertinenza e ai carichi gravanti sulla copertura. Progettazione e verifica della trave reticolare calcolando singolarmente ed in modo distinto le prime 3 capriate come rappresentative di tutte le tipologie di combinazione di carico a seconda che gli arcarecci che gravano sulla capriata appoggino su 2 o 3 capriate. Progettazione e verifica delle aste della trave reticolare che in relazione all’estesa luce di interasse dei portali verrà realizzata in parte tramite l’adozione di saldature ed in parte tramite bullonature.Progettazione e verifica della baraccatura laterale con scelta del pacchetto coibentato, dell’arcareccio di gronda e di parete e dimensionamento del rompitratta. Progettazione e verifica delle colonne laterali sulle quali grava il peso della sovrastante trave reticolare in combinazione all’azione di taglio e momento provocato dal vento. Progettazione e verifica dei montanti di facciata, o false colonne. Verifica della colonna angolare che sarà soggetta ad uno stato di sollecitazione pluriassiale dovuta all’azione del vento. Progetto e verifica del controventamento di falda e dei controventamenti di parete per limitare il più possibile l’inflessione e lo sbandamento dei correnti superiori delle capriate. Verifica di tutti i collegamenti della capriata: per facilitare le operazioni di trasporto e montaggio si è scelto di dividere la capriata in due metà interamente saldate.Verifica del collegamento di base tra pilastro e plinto di fondazione. Progetto e verifica del plinto di fondazione.

On the characterization of the mechanical behaviour of bonded steel-CFRP adhesive joints

The use of adhesively bonded carbon fiber reinforced polymers (CFRP) is well established to repair metallic structural elements in the aerospace industry for more than three decades. Despite a few exceptions, this technology has yet not been exploited for the steel construction industry where there is a great need to rehabilitate old metallic bridges. For instance, in Europe more than 30% of the railway bridge stock operated for more than 100 years. These bridges are made of old mild steel or puddle iron that exhibits poor behaviour due to the quality of the material itself and degradation caused by the long-term loading or environmental effects. The modest results for Steel/CFRP joints obtained may be due to the type of adhesive used. In fact, most of the previous studies utilized brittle adhesives specially developed for concrete structures. Recent ductile adhesives that made for the automotive industry for metallic joints should be more appropriate. In this study, an experimental investigation on the behaviour of CFRP/steel adhesively bonded joints is presented. A comparison between brittle adhesives and ductile adhesives is conducted. The results show that the ductile adhesives achieve much higher performance than the brittle ones. The brittle adhesives provide more stiffness to the adhesive joint. In the specimens with the ductile adhesives, the failure pattern started by yielding the steel bars first then the adhesive joint which is promising since it can facilitate the design significantly if the steel yielding can be used as a design criterion. The main disadvantage of ductile adhesives is they are usually more expensive than brittle ones. In order to solve this issue, bi-adhesive joints, in which the joint is mainly made of (low cost) brittle adhesive and ductile adhesive in the stress concentration region, are proposed. The results revealed very high improvement up to the yielding strength of the steel bars and with a balanced stiffness.

Debonding and crack propagation in cracked steel beams strengthened with CFRP and subjected to cyclic loads.

The reinforcement methods used to restore or increase the bearing capacity of metal structures are based on the application of steel plates to be bolted or welded to the original structure, which can cause problems to the integrity of the original structure. These difficulties can be overcome with the introduction of fiber-reinforced composite materials. FRPs are characterized by high strength to weight ratio, and they are very resistant to corrosion. In this dissertation a cracked steel I-beam reinforced with Carbon Fiber-Reinforced Polymer will be studied by performing a numerical evaluation of the structure with the commercial Finite Element Method software ABAQUS. The crack propagation will be computed using XFEM, while the debonding of the reinforcement layer will be found by considering a cohesive contact interface between the beam and the CFRP plate. The results will show the efficiency of the strengthening method in increasing the load carrying capacity of the cracked beam, and in reducing the crack opening of the initial notch.

Progettazione della produzione a flusso delle linee di lavorazione e taglio: il caso FOM Industrie

La tesi si intitola "Progettazione della produzione a flusso delle linee di lavorazione e taglio: Il caso Fom Industrie". Si tratta della progettazione di una linea a flusso continuo per le fasi di montaggio meccanico della Linea LT-LMT prodotta dall'azienda. Lo scopo consiste nel conferimento di una maggior efficienza al ciclo produttivo attraverso l'analisi dei tempi ciclo e delle operazioni di montaggio. Nell'elaborato vengono introdotti alcuni dei principi che caratterizzano la Lean Manufacturing spiegando i metodi utilizzati durante la progettazione. Si prosegue con una presentazione dell'azienda facendo riferimento al contesto nella quale è inserita e analizzando il bilancio di esercizio. Viene analizzata la situazione AS-IS riponendo l'attenzione sulla rilevazione delle criticità, sull'osservazione del Layout e sulle problematiche relative allo stoccaggio e approvvigionamento dei materiali. Durante questa fase di analisi sono stati effettuati dei rilievi cronometrici da cui emergono alcuni dati che sono stati interpretati confrontandoli con il tempo di Takt Time calcolato. Successivamente sono state descritte le modifiche tecniche e di ciclo per implementare alcuni miglioramenti nel ciclo produttivo e di conseguenza avere una riduzione dei tempi di montaggio. A questo punto si entra nel cuore della progettazione della produzione a flusso tramite il bilanciamento del lavoro di un operatore addetto al montaggio conseguentemente ad alcune considerazioni effettuate sul tempo impiegato. Si prosegue con il bilanciamento della linea a flusso comprendendo le fasi di picking per arrivare a definire la situazione TO-BE. La situazione futura prevede la standardizzazione di diversi aspetti tra cui la redazione di istruzioni operative e la gestione del materiale necessario a svolgere le operazioni di montaggio. é stato infine progettato il Layout della nuova zona di montaggio concludendo con una valutazione tecnico-economica delle modifiche progettate.