Studio e progettazione di giunti incollati di tipo strutturale per applicazioni aeronautiche

Il presente elaborato è stato approfondito e sviluppato presso lo stabilimento della Blackshape Aircraft S.p.A. sito in Monopoli (Bari). L’obiettivo è stato principalmente orientato sull’individuazione di un metodo di progettazione di giunzioni incollate fra laminati in CFRP basato su di un modello matematico in grado di prevederne la resistenza. Per realizzare tale studio sono stati necessari approfondimenti preliminari relativi al comportamento meccanico dei laminati in materiale composito e agli studi condotti da Hart-Smith sulla teoria degli incollaggi. E’ stato determinato un metodo analitico per il calcolo della lunghezza di sovrapposizione degli aderenti. Il criterio di resistenza del giunto individuato, basato sulla teoria del cedimento multiassiale di Von Mises, è stato approvato dalla Agenzia Europea per la Sicurezza Aerea, EASA. A livello numerico-pratico è stato preso in esempio il giunto fra i gusci di fusoliera relativi al nuovo velivolo Blackshape con certificazione VLA (Very Light Aircraft).

Effetto di impatti sul comportamento crashworthiness di materiali compositi

Attività sperimentale riguardante lo studio dei materiali compositi, nell’ambito della progettazione a crashworthiness, svolto, tramite test dei provini realizzati nell’attività di tirocinio, presso i laboratori didattici della Scuola di ingegneria e architettura, sede di Forlì. Il lavoro di tesi, si è basato sulla valutazione dell’energia assorbita dai provini in materiale composito, tramite prove quasi-statiche; per questo tipo di prove sono stati utilizzati provini autostabilizzanti, rinforzati in fibra di carbonio e matrice in resina epossidica. Prima di procedere alla sperimentazione, sono stati studiati i risultati ottenuti da precedenti sperimentazioni eseguite da colleghi, per valutare quale fosse la configurazione migliore di provino, in termini di geometria, e trigger, che garantisse elevate energie di assorbimento. Dopo una panoramica dei materiali compositi, con riferimento alle caratteristiche e proprietà, alle diverse tipologie che si possono avere in ambito industriale, è spiegato il concetto di crashworthiness, le varie tipologie di test di impatto e le varie tipologie di rottura alla quale può essere soggetto un provino. Si è di seguito descritto come è stata valutata la scelta del tipo di geometria e del trigger, che sarebbero stati utilizzati per la progettazione del provino, e si è accennato al processo di laminazione svolta presso i laboratori della Scuola per la fabbricazione del provino. Al termine della descrizione dei tester usati per la sperimentazione sono, infine, illustrati i risultati delle prove svolte, con successivi commenti.

Caratterizzazione sperimentale di materiali compositi soggetti ad impatto sul bordo

Il materiale composito è entrato nell’ambiente industriale rivoluzionando il concetto di progettazione delle strutture e permettendo il raggiungimento di prestazioni molto più elevate, rispetto ai materiali tradizionali. Infatti, i compositi sono in grado di garantire elevata resistenza e leggerezza, proprietà molto richieste in svariati ambiti industriali. Un suo notevole impiego è riscontrabile nell’industria aeronautica, dove le principali case produttrici di aeromobili hanno investito un apprezzabile quantitativo di risorse economiche nella realizzazione di velivoli con una sempre maggiore percentuale di questo materiale. Il composito, nonostante ci siano testimonianze del suo utilizzo già durante la seconda guerra mondiale, viene tutt’ora ritenuto “nuovo”; questo poiché molte delle sue caratteristiche non sono state ancora esaurientemente analizzate. Le conoscenze ad esso relative presentano ancora, infatti delle lacune, come il loro comportamento a seguito di un impatto. L’obiettivo della presente tesi è quello di indagare, attraverso una campagna sperimentale innovativa, il comportamento del CFRP di fronte a tale problematica, prestando particolare attenzione alla casistica dell’impatto sul bordo. Su tale argomento infatti, non si hanno esempi in letteratura né normative a cui fare riferimento. I campioni, impiegati nel presente studio, sono stati realizzati scegliendo una configurazione cross-ply, che ben si adatta alle successive fasi della campagna. Sui provini ottenuti sono stati eseguiti gli impatti, con l’utilizzo di un pendolo di Charpy, alcuni centrali e altri laterali, con due differenti energie. Questa prima parte della campagna sperimentale è stata svolta presso i laboratori hangar di Forlì, della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna. La caratterizzazione del materiale è avvenuta mediante prove a compressione. Il processo è stato eseguito per verificare l’influenza che l’impatto genera sulle proprietà meccaniche a compressione. Per poter eseguire una campagna di test ottimale, si è vista necessaria un’attenta analisi delle varie attrezzature utilizzabili per le prove a compressione. La scelta è ricaduta sull’attrezzatura CLC (Combined Loading Compression), la quale è risultata essere la più affidabile e maneggevole per le prove oggetto di studio. La fase relativa allo svolgimento delle prove a compressione è stata eseguita presso i laboratori ENEA di Faenza –Unità Tecnica Tecnologie dei Materiali Faenza (UTTMATF).

Sviluppo di un protettivo a base di benzotriazolo per il rivestimento di superfici metalliche e beni culturali

Il BTA (benzotriazolo), largamente impiegato nei protettivi per metalli utilizzati commercialmente, in particolare per la conservazione dei beni culturali, presenta problematiche riguardo il progressivo impoverimento di quest'ultimo legato alla sua volatilità, con conseguente perdita di efficacia antiossidante del film e rischi per la salute e per l'ambiente, data la tossicità del composto. Lo scopo di questo lavoro è stato di mettere a punto un polimero per il coating ecofriendly (PLA, polimero proveniente da materie prime rinnovabili) ed efficiente (polimero funzionalizzato con BTA, il quale essendo legato chimicamente alla catena di polimero, è maggiormente trattenuto all'interno del materiale) come valida alternativa a quelli reperibili commercialmente. In questo lavoro di tesi è stato sintetizzato un derivato funzionalizzato del benzotriazolo, molto usato per la conservazione dei beni culturali, in modo da essere utilizzato come iniziatore di polimerizzazione ROP di rac-lattide. In questo modo sono stati messi a punto, modulandone il peso molecolare attraverso la variazione della quantità di iniziatore, alcuni polimeri di poli-acido lattico con una molecola di benzotriazolo legata alla estremità carbossilica di ogni catena, legame che ne limita molto la fuoriuscita dal film. In seguito è stata testata l'efficacia di questi polimeri come alternativa a quelli utilizzati commercialmente nel campo della conservazione dei beni culturali, applicando uno strato di essi su dei provini di bronzo e sottoponendoli a diversi processi di invecchiamento, confrontando il loro comportamento con quello di un prodotto commerciale preso a paragone e con quello di PLA privo di funzionalizzazioni additivato di benzotriazolo. Particolare attenzione è stata posta, non solo sul tasso di degradazione al quale sono andati in contro, ma, visto l'ambito artistico, anche le modificazioni estetiche che i provini hanno subito dopo l'applicazione e dopo l'invecchiamento servendosi di misure di colore e foto che ne monitorassero i cambiamenti.

Modello bayesiano per la regressione di dati troncati con applicazione a dati biologici

In questa tesi vengono valutati gli effetti sui modelli di regressione lineare da parte di troncature deterministiche dei dati analizzati, e viene proposto un metodo alternativo per effettuare queste regressioni, che rimuova queste distorsioni. In particolare vengono discussi questi effetti nel campo della ricerca biologica, come nel progetto Mark-Age. Il progetto Mark-Age ha come obiettivo quello di ottenere un set di biomarcatori per l'invecchiamento, attraverso l'uso di metodi di data learning in analisi di tipo trasversale; elaborando cioè diverse variabili misurate sulle popolazioni esaminate riguardanti più sistemi fisiologici contemporaneamente e senza escludere interazioni locali fra queste. E' necessario tenere conto in queste analisi che questi dati sono deterministicamente troncati per via dei criteri di selezione sull’età dei partecipanti, e che questo ha un effetto rilevante sui metodi di analisi standard, i quali invece ipotizzano che non vi sarebbe alcuna relazione fra l’assenza di un dato ed il suo valore, se questo fosse misurato. In questa tesi vengono studiati gli effetti di questa troncatura sia per quanto riguarda la selezione di modelli ottimali, che della stima dei parametri per questi modelli. Vengono studiati e caratterizzati questi effetti nell'ambito di un toy model, che permette di quantificare la distorsione e la perdita di potenza dovuta alla troncatura. Viene inoltre introdotto un appropriato metodo di regressione, chiamato Tobit, che tenga conto di questi effetti. Questo metodo viene infine applicato ad un sottoinsieme dati del progetto Mark-Age, dimostrando una notevole riduzione del bias di predizione, ottenendo anche una stima della precisione di queste predizioni.

Characterization of a dual-energy X-ray absorptiometry system for soft tissues assessment and their correlations with metabolic state

Il crescente utilizzo di sistemi di analisi high-throughput per lo studio dello stato fisiologico e metabolico del corpo, ha evidenziato che una corretta alimentazione e una buona forma fisica siano fattori chiave per la salute. L'aumento dell'età media della popolazione evidenzia l'importanza delle strategie di contrasto delle patologie legate all'invecchiamento. Una dieta sana è il primo mezzo di prevenzione per molte patologie, pertanto capire come il cibo influisce sul corpo umano è di fondamentale importanza. In questo lavoro di tesi abbiamo affrontato la caratterizzazione dei sistemi di imaging radiografico Dual-energy X-ray Absorptiometry (DXA). Dopo aver stabilito una metodologia adatta per l'elaborazione di dati DXA su un gruppo di soggetti sani non obesi, la PCA ha evidenziato alcune proprietà emergenti dall'interpretazione delle componenti principali in termini delle variabili di composizione corporea restituite dalla DXA. Le prime componenti sono associabili ad indici macroscopici di descrizione corporea (come BMI e WHR). Queste componenti sono sorprendentemente stabili al variare dello status dei soggetti in età, sesso e nazionalità. Dati di analisi metabolica, ottenuti tramite Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) su campioni di urina, sono disponibili per circa mille anziani (provenienti da cinque paesi europei) di età compresa tra i 65 ed i 79 anni, non affetti da patologie gravi. I dati di composizione corporea sono altresì presenti per questi soggetti. L'algoritmo di Non-negative Matrix Factorization (NMF) è stato utilizzato per esprimere gli spettri MRS come combinazione di fattori di base interpretabili come singoli metaboliti. I fattori trovati sono stabili, quindi spettri metabolici di soggetti sono composti dallo stesso pattern di metaboliti indipendentemente dalla nazionalità. Attraverso un'analisi a singolo cieco sono stati trovati alti valori di correlazione tra le variabili di composizione corporea e lo stato metabolico dei soggetti. Ciò suggerisce la possibilità di derivare la composizione corporea dei soggetti a partire dal loro stato metabolico.

Analisi del comportamento a fatica di un laminato al variare della sequenza di impilamento e delle dimensioni

I materiali compositi rivestono un ruolo fondamentale nell’industria aeronautica e nel settore delle competizioni automobilistiche. La possibilità di progettare i materiali in funzione della loro applicazione permette una crescente diffusione del loro utilizzo, e l’ampliamento delle applicazioni a moltissimi altri settori, sia per componenti di tipo strutturale, sia di tipo estetico. Nonostante la quantità di studi sul comportamento a fatica dei compositi, non sono ancora presenti risultati attendibili per la previsione della resistenza e della vita a fatica in relazione ad un determinato tipo di sollecitazione; non almeno a livello dei materiali tradizionali. L’obiettivo della tesi è indagare eventuali variazioni del comportamento a fatica di un laminato in CFRP in relazione al variare di parametri quali dimensioni e sequenza di impilamento delle ply. Per tale scopo sono state realizzate delle prove per il calcolo del comportamento a fatica, in particolare prove di flessione in 3 punti, e si sono poi confrontati tra loro i risultati sperimentali e correlati al variare dei parametri di interesse.

Firmware development and testing for L1/L2 IBL upgrade

Il lavoro di questa tesi riguarda principalmente l'upgrade, la simulazione e il test di schede VME chiamate ReadOut Driver (ROD), che sono parte della catena di elaborazione ed acquisizione dati di IBL (Insertable B-Layer). IBL è il nuovo componente del Pixel Detector dell'esperimento ATLAS al Cern che è stato inserito nel detector durante lo shut down di LHC; fino al 2012 infatti il Pixel Detector era costituito da tre layer, chiamati (partendo dal più interno): Barrel Layer 0, Layer 1 e Layer 2. Tuttavia, l'aumento di luminosità di LHC, l'invecchiamento dei pixel e la richiesta di avere misure sempre più precise, portarono alla necessità di migliorare il rivelatore. Così, a partire dall'inizio del 2013, IBL (che fino a quel momento era stato un progetto sviluppato e finanziato separatamente dal Pixel Detector) è diventato parte del Pixel Detector di ATLAS ed è stato installato tra la beam-pipe e il layer B0. Questa tesi fornirà innanzitutto una panoramica generale dell'esperimento ATLAS al CERN, includendo aspetti sia fisici sia tecnici, poi tratterà in dettaglio le varie parti del rivelatore, con particolare attenzione su Insertable B-Layer. Su quest'ultimo punto la tesi si focalizzerà sui motivi che ne hanno portato alla costruzione, sugli aspetti di design, sulle tecnologie utilizzate (volte a rendere nel miglior modo possibile compatibili IBL e il resto del Pixel Detector) e sulle scelte di sviluppo e fabbricazione. La tesi tratterà poi la catena di read-out dei dati, descrivendo le tecniche di interfacciamento con i chip di front-end, ed in particolare si concentrerà sul lavoro svolto per l'upgrade e lo sviluppo delle schede ReadOut Drivers (ROD) introducendo le migliorie da me apportate, volte a eliminare eventuali difetti, migliorare le prestazioni ed a predisporre il sistema ad una analisi prestazionale del rivelatore. Allo stato attuale le schede sono state prodotte e montate e sono già parte del sistema di acquisizione dati del Pixel Detector di ATLAS, ma il firmware è in continuo aggiornamento. Il mio lavoro si è principalmente focalizzato sul debugging e il miglioramento delle schede ROD; in particolare ho aggiunto due features: - programmazione parallela delle FPGA} delle ROD via VME. IBL richiede l'utilizzo di 15 schede ROD e programmandole tutte insieme (invece che una alla volta) porta ad un sensibile guadagno nei tempi di programmazione. Questo è utile soprattutto in fase di test; - reset del Phase-Locked Loop (PLL)} tramite VME. Il PLL è un chip presente nelle ROD che distribuisce il clock a tutte le componenti della scheda. Avere la possibilità di resettare questo chip da remoto permette di risolvere problemi di sincronizzazione. Le ReadOut Driver saranno inoltre utilizzate da più layer del Pixel Detector. Infatti oltre ad IBL anche i dati provenienti dai layer 1 e 2 dei sensori a pixel dell’esperimento ATLAS verranno acquisiti sfruttando la catena hardware progettata, realizzata e testata a Bologna.

Influenza dei parametri di processo delle caratteristiche meccaniche di materiali compositi

Lo scopo di questa tesi è valutare la resistenza a compressione e il valore del modulo elastico di tre laminati ottenuti con lo stesso materiale composito, CFRP, distinti in fase di laminazione dall’utilizzo di tre diverse tipologie di distaccante (peel-ply, film distaccante e controstampo). In questo modo è stato possibile valutare come quest’ultimi abbiano influito, in modo diverso per ogni laminato, sull’omogeneità dello spessore, sul peso, sulla fuoriuscita di resina e sulla percentuale volumetrica delle fibre. Tali fattori a loro volta hanno caratterizzato i valori di resistenza a compressione e modulo elastico. Nei capitoli successivi è descritto un metodo di analisi a compressione dei materiali compositi, a matrice epossidica rinforzata con fibre di carbonio (CFRP), denominato Combined Loading Compression (CLC) Test Method, basato sull’applicazione, combinata, del carico sul campione, a taglio e all’estremità. La realizzazione dei provini è stata effettuata presso i laboratori dell’università: sono stati realizzati 3 laminati, per ognuno dei quali si è scelto di utilizzare su ogni pezzo una diversa tipologia di distaccante: controstampo, film distaccante e peel-ply, allo scopo di valutare quanta resina uscirà dal manufatto una volta in autoclave e quanta variazione di spessore avremo. Da ognuno di questi laminati sono stati ricavati 5 provini. La campagna sperimentale è stata condotta presso il Laboratorio Tecnologie dei Materiali Faenza (TEMAF). L’elaborazione dei dati è stata effettuata mediante l’utilizzo del software Office Excel, in cui sono stati calcolati i parametri fondamentali, suggeriti dalla normativa ASTM D6641/D6641M, per la caratterizzazione meccanica a compressione dei materiali CFRP.

Calcolo strutturale ed ottimizzazione sedile in materiale composito per elicottero ultraleggero

Il lavoro svolto consiste nel processo di ottimizzazione strutturale di un sedile in materiale composito per un elicottero ultraleggero, attraverso un processo iterativo di simulazione FEM e modifiche al progetto, interpretando i dati ricavati dalle simulazioni, nel rispetto della normativa FAR 27. I risultati ottenuti hanno permesso di dimezzare il peso iniziale e resistere meglio agli sforzi, con implicazioni benefiche anche sul costo finale del prodotto che presenta minori costi del materiale e tempi di lavorazione ridotti sia in fase di laminazione che in fase di ciclo di cura in autoclave.

Applicazioni Wireless in Body Area Network

Negli ultimi dieci anni si è rinnovata l’esigenza di sviluppare nuove tecnologie legate alla telemedicina, specie a seguito dello sviluppo dei sistemi di telecomunicazione che consentono ad ogni persona di avere a disposizione sistemi portatili, come gli smartphone, sempre connessi e pronti a comunicare. Lo stesso sviluppo si è avuto all’interno dei sistemi sanitari in cui è diventato fondamentale informatizzare le attività ospedaliere per via del contesto demografico a cui si va incontro: invecchiamento della popolazione e aumento del numero di pazienti affetti da malattie croniche. Tutti questi aspetti portano all’attuazione di un cambiamento strategico. Le Body Area Network, fulcro di questo lavoro di tesi, rappresentano la risposta a questa necessità. Si spiegano l'architettura e le tecnologie abilitanti per la realizzazione di queste reti di sensori, gli standard di comunicazione tramite i quali avviene la trasmissione dei dati e come le reti si interfacciano con i pazienti e le strutture sanitarie. Si conclude con una panoramica sui sensori di una BAN e alcuni esempi in commercio.

Valutazione numerica del comportamento di materiali compositi sottoposti ad impatti "near edge"

Simulazione numerica con software Abaqus di impatti a bassa energia su laminati di fibra di carbonio con matrice epossidica per la previsione della formazione di delaminazioni interne. Confronto tra impatti centrali al provino e in prossimità del bordo.

Experimental characterization of carbon-fiber-reinforced polymer laminates

The goal of this thesis is to make static tensile test on four Carbon Fiber Reinforced Polymer laminates, in such a way as to obtain the ultimate tensile strength of these laminates; in particular, the laminates analyzed were produced by Hand Lay-up technology. Testing these laminates we have a reference point on which to compare other laminates and in particular CFRP laminate produced by RTM technology.

Strategie di conservazione per bronzi esposti all'aperto: studio di metodologie di pulitura, patinazione e consolidamento

Con l’aumento dell’acidità e degli inquinanti nelle deposizioni umide, la corrosione atmosferica dei bronzi esposti all’aperto è stata accelerata e la stabilità della patina di prodotti di alterazione, che solitamente protegge parzialmente il substrato metallico, risulta compromessa. La patina costituisce il supporto reale nelle condizioni d’impiego dell’inibitore o del protettivo, il quale viene applicato in seguito ad una pulitura del manufatto corroso che non espone il metallo nudo. L’inibitore attualmente più utilizzato, benzotriazolo (BTA), risulta non totalmente adeguato nei confronti del bronzo, tossico per l’ambiente e sospetto cancerogeno per l’uomo. Occorre quindi sviluppare soluzioni alternative per la conservazione dei bronzi all’aperto: a questo scopo, il presente lavoro di tesi si è sviluppato in tre fasi: (i) patinazione via invecchiamento artificiale accelerato, simulando la pioggia battente (dropping test) e la pioggia stagnante (wet&dry) su campioni di bronzo quaternario Cu-Sn-Zn-Pb, al fine di produrre un substrato rappresentativo, diversificando le patine prodotte dalle due geometrie di esposizione, sul quale possa essere applicato un inibitore o protettivo. La patinazione artificiale ha permesso di riprodurre efficacemente le due tipologie di patine naturali: le superfici patinate in pioggia battente hanno mostrato il tipico arricchimento in Stagno dovuto alla decuprificazione, mentre le superfici patinate in pioggia stagnante hanno presentato la comparsa dei tipici prodotti precursori dei solfati basici. (ii) pulitura di una patina naturale su bronzo quaternario (fontana del XVII sec.) mediante sabbiatura criogenica (dry-ice blasting), al fine di verificare l’efficienza di questa tecnica per preparare le superfici patinate all’applicazione di un inibitore o protettivo e il suo eventuale utilizzo in sostituzione alle tecniche tradizionali. La sabbiatura criogenica si è tuttavia dimostrata non selettiva nei confronti dei depositi calcarei, dimostrandosi non utilmente applicabile. (iii) protezione di superfici di bronzo quaternario, patinate artificialmente simulando la pioggia battente, mediante un trattamento innovativo di biopatinazione ottenuto applicando il ceppo fungino Beauveria Bassiana, potenzialmente in grado di convertire in ossalati i prodotti di corrosione della patina naturale. Lo scopo è quello di valutare l’efficienza protettiva della biopatina in seguito ad un invecchiamento accelerato simulante la pioggia battente. La biopatinazione è risultata applicabile anche a superfici arricchite in Stagno artificialmente (dropping test), ma la biopatina ottenuta non si è mostrata in grado di limitare i fenomeni corrosivi. Si ritengono necessarie ulteriori prove per valutarne l’efficienza a più lungo termine.

Preparazione e proprietà di trasporto di gas di membrane a base di polimeri e nanoplatelets grafenici per la cattura di CO2 da processi energetici

Lo scopo di questo studio sperimentale è stato quello di determinare l’effetto dell’aggiunta di piccole quantità (1wt%) di grafene e ossido di grafene al poli(1-trimetilsilil-1-propino) (PTMSP). Il PTMSP è uno dei polimeri più promettenti per la separazione di gas tramite membrane polimeriche grazie al suo elevato volume libero (26%). Sono state studiate sia membrane spesse (60-180 micron) preparate per solvent casting che sottili (2-10 micron) preparate per spin coating supportate su un film poroso di polipropilene commerciale. L’ossido di grafene aumenta la permeabilità del PTMSP, mentre il grafene ha mostrato un comportamento variabile in funzione del protocollo di preparazione che è risultato dipendere fortemente dalla velocità di evaporazione del solvente. Le membrane così ottenute sono state testate al permeometro. È stata osservata una dipendenza della permeabilità in funzione dello spessore del film e del grado di invecchiamento. In particolare, la presenza di nanofiller riduce il grado di invecchiamento dei film di PTMSP. Nel caso specifico della coppia di gas permeanti He/CO2, i campioni hanno mostrato un comportamento intercambiabile di selettività all’He o alla CO2, modulabile in funzione della temperatura tra 30-60°C e del filler utilizzato.