Thèses sur le sujet « Reticolanti »

La produzione di sedili auto rappresenta una delle principali applicazioni delle schiume poliuretaniche flessibili a bassa densità. La forte necessità di riduzione del peso totale del veicolo si traduce in una richiesta di significative riduzioni di densità dei materiali utilizzati per l’interno vettura. Tale riduzione deve tuttavia essere associata a migliorate proprietà, nel senso del mantenimento delle performance nel tempo, della sicurezza e del comfort. Ricerche di mercato hanno evidenziato la necessità di sviluppare schiume poliuretaniche con elevate performance in termini di comfort, associate a significative riduzioni di densità e significative riduzioni di spessori applicati, nell’ottica di produrre sedili sempre più sottili consentendo la massima flessibilità di design dell’interno del veicolo. Scopo del presente progetto è lo sviluppo di una nuova chimica associata a quella del poliuretano che permetta di ottenere un elevato comfort. Il corpo umano e maggiormente sensibile a vibrazioni con frequenza tra i 4 e gli 8 Hz. In questo intervallo di frequenze le vibrazioni trasmesse sono correlate con l’isteresi del materiale stesso. Solitamente basse isteresi sono associate a bassa trasmissività delle vibrazioni. I produttori di auto hanno quindi cominciato a valutare il comfort di un sedile in termini di isteresi del materiale stesso. Nel caso specifico è considerato un sedile confortevole se possiede una isteresi inferiore al 18%. Le performance in termini di comfort devono essere associate anche ad una bassa emissione di composti organici volatili, con particolare attenzione ad ammine e aldeidi, ad un 15% di riduzione di densità (l’obiettivo è raggiungere una densità di 60 g/L a fronte di una densità attuale che si colloca nel range 75-80 g/L), con proprietà fisico meccaniche e resistenza all’invecchiamento in grado di soddisfare i capitolati delle case automobilistiche. Recentemente la produzione di SMPs (silane-modified polymers) ricopre un ruolo fondamentale nel mercato dei sigillanti e degli adesivi. L’idea di utilizzare questa famiglia di silani nella produzione di schiume poliuretaniche flessibili risiede nel fatto che, esattamente come in sigillanti e adesivi, ci possa essere una reazione successiva a quella di formazione del PU che possa dare ulteriore reticolazione della frazione morbida. La reazione di post-curing del silano ha incontrato diverse problematiche relative alla scarsa reattività del silano stesso. Per attivare la reazione di idrolisi e oligomerizzazione si è utilizzato un acido di Brønsted (DBSA) ma l’interazione con le ammine presenti nel poliolo formulato, necessarie alla reazione di formazione del legame uretanico, ne hanno inibito l’attività.

Lo scopo di questo progetto di dottorato riguarda la sintesi di una nuova classe di molecole reticolanti per polimeri utilizzati nel mondo degli pneumatici. In particolare, queste molecole devono essere stabili a temperatura ambiente ma in grado reagire termicamente con la matrice polimerica a temperature maggiori di 100 °C, formando legami covalenti irreversibili. Questi funzionalizzanti devono essere anche semplici da sintetizzare, integrabili in un processo industriale, versatili, economici, relativamente poco tossici e in grado di interagire con il polimero senza però influenzarne significativamente le proprietà. In questo contesto è stato realizzato un sistema in grado di generare due specie reattive in due range di temperature diverse: la prima funzionalità genera un carbene, la seconda una specie 1,3-dipolare di tipo nitrilimminico. Entrambe le specie sono in grado di fornire cicloaddotti con sistemi olefinici. Dopo un’attenta ricerca bibliografica al fine di individuare i sistemi più adatti, sono stati sintetizzati sia composti noti in letteratura sia nuovi, cercando di modulare la temperatura di attivazione di queste strutture. Tutti i sistemi sintetizzati sono stati caratterizzati mediante analisi NMR e IR. La caratterizzazione è stata completata dall’analisi termogravimetrica (TGA), con la quale si è rilevata la temperatura di attivazione delle funzionalità presenti; nonchè la temperatura alla quale dovrebbe avvenire la reazione di cicloaddizione. Infine, sui sistemi più interessanti selezionati, sono state eseguite delle prove di reattività su sistemi polimerici modello e facilmente processabili su scala di laboratorio, al fine di dimostrare l’effettiva funzionalizzazione per via termica. Le molecole che presentavano caratteristiche tecnologiche più interessanti sono state preparate in quantità nell’ordine dei grammi necessari a condurre prove in mescola tramite un mini-mescolatore “Brabander”. Queste mescole sono state poi analizzate tramite RPA (Rubber Process Analyzer) per osservare eventuali effetti positivi dei polimeri funzionalizzati. Il sistema a due temperature di attivazione differenti è stato impiegato per studiare possibili effetti sulla morfologia delle fasi all’interno di blend polimerici: si sfrutta la diversa reattività delle componenti carbenica e nitrilimminica cercando di migliorare l’interazione dei due polimeri nonché le proprietà fisiche del materiale risultante. Tutti le mescole sono state caratterizzate anche tramite swelling, trazioni Dumbbell, DSC, DMA, frequency sweep e densità.
The aim of this PhD project concerns the synthesis of a new class of cross-linking molecules for polymers used in the world of tires. In particular, these molecules must be stable at room temperature but capable of reacting thermally with the polymer matrix at temperatures greater than 100 ° C, forming irreversible covalent bonds. These functionalizers must also be simple to synthesize, integrable in an industrial process, versatile, economical, relatively low toxic and able to interact with the polymer without significantly affecting its properties. In this context, a system that is able to generate two reactive species in two different temperature ranges was created: the first functionality generates a carbene, the second a 1,3-dipolar species of the nitrilimino type. Both species are capable of providing cycloadducts with olefinic systems. After careful bibliographic research in order to identify the most suitable systems, both known and new compounds were synthesized, trying to modulate the activation temperature of these structures. All synthesized systems were characterized by NMR and IR analyzes. The characterization was completed by thermogravimetric analysis (TGA), with which the activation temperature of the functions present was detected; as well as the temperature at which the cycloaddition reaction should take place. Finally, on the most interesting selected systems, reactivity tests were performed on model polymeric systems that could be easily processed on a laboratory scale, in order to demonstrate the actual functionalization by thermal means. The molecules that presented the most interesting technological characteristics were prepared in quantities in the order of grams necessary to conduct compound tests using a "Brabander" mixer. These compounds were then analyzed by RPA (Rubber Process Analyzer) to observe any positive effects of the functionalized polymers. The system with two different activation temperatures was used to study possible effects on the morphology of the phases within polymeric blends: the different reactivity of the carbene and nitrilimine components is exploited, trying to improve the interaction of the two polymers as well as the physical properties of the resulting material. All compounds were also characterized by swelling, Dumbbell traction, DSC, DMA, frequency sweep and density.

Questa tesi tratterà l'argomento dell'enumerazione dei cammini reticolari, ovvero una successione di punti nel reticolato euclideo dove ogni punto è determinato dal precedente aggiungendo (tramite la usuale somma termine a termine) un elemento dall'insieme dei passi. Affronteremo l'argomento avendo introdotto preliminarmente alcune restrizioni come, per esempio, l'imposizione che il cammino non entri in determinati sottoinsiemi del piano, oppure sull'insieme dei passi che vogliamo usare. Il primo capitolo è una premessa con gli strumenti principali che verranno utilizzati. Per quanto riguarda il calcolo umbrale molti dettagli sono stati omessi per favorire lo scorrimento del documento e per evitare di andare fuori argomento. Il secondo capitolo contiene alcuni tra i metodi che sono stati utilizzati per contare i cammini. Si è partiti da un problema reale, il Ballot Problem, e lo si è trasformato in un problema astratto, ovvero contare i cammini da (0,0) a (\beta, \alpha), chiedendo che l'ordinata rimanga sempre maggiore (o maggiore o uguale) di k volte l'ascissa, per un certo k intero positivo. La soluzione è stata data guardando il problema da punti di vista differenti: chi l'ha risolto dal punto di vista combinatorio, chi ha ridotto il calcolo a situazioni più semplici (usando il "metodo delle immagini" o il "lemma ciclico"), chi ha notato che una particolare applicazione del calcolo umbrale permetteva di trovare una formula per la soluzione, chi ha usato strumenti dell'analisi complessa e funzionale. Il terzo e ultimo capitolo contiene un rapido elenco di alcune successioni numeriche, e delle rispettive proprietà, che vengono generate a seconda di come scegliamo le restrizioni: i numeri di Catalan, di Narayana, di Schroeder, di Motzkin e di Delannoy.

Nel presente documento vengono illustrate le potenzialità delle micro strutture reticolari e le relative tecniche di additive manufacturing necessarie per realizzarle. A partire da questo vengono presentate le problematiche relative all'analisi FEM di tali strutture, confrontando i risultati ottenuti dalle simulazioni con dati sperimentali ricavati da articoli scientifici. Tali difficoltà sono legate alla complessità di queste strutture e all'elevato numero di elementi. Infine, viene proposto un approccio di tipo "building block" per risolvere le difficoltà computazionali sopra citate e vengono valutati pro e contro di questa soluzione.

Nella presente tesi sono state modellate in Ansys due tipologie di travi P.R.E.M comunemente utilizzate nella pratica. Lo scopo è stato quello di determinare i parametri che maggiormente influenzano la stabilità delle due tipologie di travi in fase 1. I parametri analizzati sono stati: l'altezza della trave, l'altezza dell'irrigidimento verticale e il tipo di caricamento (simmetrico e eccentrico). Il processo di calcolo è stato automatizzato interfacciando Matlab ed Ansys.

La tesi tratta dell'ottimizzazione di alcune tipologie di strutture reticolari. Per sviluppare i problemi analizzati ci si è avvalsi del software Grasshopper, conducendo poi l'ottimizzazione mediante un algoritmo genetico.

La bioelettronica studia come connettere ed interpretare i segnali di sistemi biologici con quelli elettronici. Fino a poco tempo fa i dispositivi utilizzati erano costituiti da materiali semiconduttori inorganici come il silicio, che risultano incompatibili con la crescita cellulare, e non permettono una trasduzione diretta di segnali biologici in elettrici. Sono stati perciò sostituiti da materiali organici, ovvero polimeri conduttori, più morbidi, biocompatibili e capaci di trasdurre i segnali ionici in quelli elettronici. È qui che nasce la bioelettronica organica. Questa tesi si è occupata della fabbricazione e caratterizzazione di Transistor Elettrochimici Organici (OECTs) basati sul polimero conduttivo poli(3,4-etilenediossitiofene):poli(stirenesulfonato) (PEDOT:PSS), disponibile in soluzione acquosa e attualmente largamente utilizzato. Questi transistor hanno molteplici applicazioni, in particolare i dispositivi qui descritti sono stati progettati per un’innovativa applicazione, ovvero per la misura dell’integrità di tessuti cellulari. Per fare ciò questi dispositivi devono resistere alle condizioni a cui sono esposti durante le analisi dei tessuti, nonché essere veloci, per poter avere risposte sensibili in ambito biologico. Lo scopo di questa tesi è l’ottimizzazione di questi dispostivi tramite la modifica di alcuni parametri. È difatti possibile aumentarne la velocità di risposta modificando la lunghezza del canale cambiando la metodologia di fabbricazione, o aumentarne la durabilità all’interno del medium in cui sono immersi, a discapito delle prestazioni elettriche, cambiando la percentuale di reticolante utilizzata nella soluzione di PEDOT:PSS. Si è potuto osservare che i transistor con un canale di 2mm e concentrazione di reticolante all’1% nella soluzione di PEDOT:PSS sono i più efficienti, in quanto combinano durabilità del film polimerico nel tempo a dei tempi di risposta nello spegnimento dei dispositivi brevi e stabili.

L'ingegneria tissutale è progredita notevolmente negli ultimi anni, ma la ricostruzione del tessuto tendineo resta ancora oggi una sfida, per la sua complessa struttura multiscala e le proprietà meccaniche che possiede in virtù del suo ruolo di raccordo tra ossa e muscoli. Nel presente lavoro di tesi si descrive la realizzazione, reticolazione e caratterizzazione di supporti porosi tridimensionali elettrofilati, pensati per la rigenerazione del tessuto tendineo.

Nel presente elaborato di tesi viene descritto un metodo di indagine che, mediante prove dinamiche e misure di accelerazione, si propone di identificare eventuali danneggiamenti in strutture reticolari spaziali. L’identificazione consiste, sulla base di dati sperimentali in termini di frequenze proprie del sistema, nel determinare, con la migliore precisione possibile l’area della sezione trasversale degli elementi. Il problema è formulato come un problema di ottimizzazione e l’identificazione è condotta mediante l’utilizzo di Algoritmi Genetici (brevemente GAs). In particolare, una funzione obiettivo misura la differenza tra le grandezze misurate sperimentalmente e le grandezze ottenute numericamente mediante un codice FEM della struttura in esame. Il principio cui sono ispirati gli algoritmi genetici fa sì che questi ricerchino il miglior individuo all’interno di una popolazione che rappresenta le possibili soluzioni del problema. Si riportano i dati ottenuti, mediante prove dinamiche, su una struttura reale, che permettono di ottenere informazioni sui parametri modali: frequenze proprie e smorzamento. Si confrontano, infine due differenti tipi di sensori di accelerazione, dimostrando la validità e i possibili benefici dell'utilizzo di sensori con tecnologia MEMS nell'ambito della misura delle vibrazioni.

The materials and methods used for the preparation of interpenetrated polymer network (IPN) by UV curing processes are reported. In particular, recent developments on the formation and characterization of some sequential IPN based on mixtures of commercially available diglycidyl ether of bisphenol-A (DGEBA) epoxy resins and UV curable epoxy-dimethacrylate resins are discussed. Finally, the photopolymerization kinetic behavior and thermal properties of some UV curable mixtures based on the modified epoxy-dimethacrylate resins for the preparation and characterization of a grafted sequential IPN are described. Interpenetrated Polymer Networks (IPN) are often used to describe a combination of at least two polymers forming two distinct networks, where at least one polymer is polymerized or crosslinked in the immediate presence of the other. In an IPN, each polymer is crosslinked to itself, but not to the other, so two polymer networks are interpenetrated each to other. These highly crosslinked polymer materials can be achieved by using thermosetting multifunctional oligomers, such as epoxy, polyurethanic and acrylic commercially available resins. Recently, our contribution in this research field has exploited the second approach in which a commercially available diglycidyl ether of dimethacrylate bisphenol-A (DGEBA) epoxy resin (commonly called vinylester or epoxy-dimethacrylate resin: EPDMA) were modified with phtalic anhydride to prepare a grafted seq-IPN. A ring opening reaction of PA anhydride was promoted by hydroxyl groups on EPDMA chains by using 4- dimethylaminopyridine (DMAP) as catalyst. The modified EPDMA resins provides a novel approach for preparing grafted seq-IPN by using commercially available DGEBA epoxy and modified EPDMA resins. The obtained results suggest that the modified EPDMA resins can represent a convenient method to reduce the phase separation after curing providing a fine control of the final mechanical and optical properties. Besides, the temperature for the thermal curing in a grafted seq-IPN can be conveniently lowered at 90 °C. Finally, the preparation of grafted-seq-IPN can be easily obtained by firstly UV curing of methacrylate groups in modified EPDMA resins and then applying a thermal treatment to crosslink epoxy groups in a temperature range between 90° and 105°C. This curing sequence allows reaching quite high Tg values and good conversion degrees both for UV and thermal curing treatments.

La valutazione dello stato di salute delle costruzioni, unitamente all'identificazione e quantificazione di eventuali danneggiamenti in esse presenti, costituiscono un tema di fondamentale importanza nell'ambito dell'Ingegneria Civile. Contestualmente, la necessità di ottenere risultati attendibili, in aggiunta al bisogno di arrecare il minimo disturbo possibile alle strutture indagate, ha condotto allo sviluppo di criteri all'avanguardia in grado di rispondere alle esigenze suddette. Le metodologie maggiormente impiegate nella diagnostica e nel monitoraggio delle strutture possono essere sostanzialmente suddivise in: • Tecniche di identificazione di tipo statico; • Tecniche di identificazione di tipo dinamico Le prime vengono impiegate nella valutazione di parametri variabili lentamente, durante un periodo di osservazione significativo a farne percepire la tendenza, e vengono utilizzate per la valutazione di lesioni negli edifici dovute a spostamenti e rotazioni degli stessi. Le seconde, trovano applicazione nella valutazione delle caratteristiche vibrazionali della struttura oggetto di indagine (frequenze, modi propri, smorzamenti). Il progredire della Ricerca Scientifica, parallelamente all'introduzione di strumenti di calcolo dalle importanti capacità computazionali , ha reso possibile lo sviluppo di metodologie avanzate (non distruttive) basate su specifici approcci numerici, in grado di restituire importanti informazioni in merito ai sistemi strutturali indagati. All'interno del presente lavoro di tesi viene riportato il risultato di un approccio numerico/sperimentale inerente il tema dell'identificazione strutturale. L'attenzione viene rivolta all'identificazione del danneggiamento all'interno di strutture reticolari, mediante l'utilizzo di Algoritmi Genetici e prove dinamiche.

Lo scopo dell'attività descritta in questa tesi di laurea è una preliminare valutazione delle caratteristiche di assorbimento dei carichi che presentano le strutture reticolari. L’assorbimento degli impatti è molto importante in aeronautica, dove per motivi di sicurezza occorre che le strutture si deformino in caso di incidente, preservando per quanto possibile i passeggeri. Questo elaborato è suddiviso in una prima parte di ricerca bibliografica sulle strutture reticolari, dette strutture lattice, realizzabili solamente grazie alla tecnologia di additive manufacturing data la loro complessità strutturale. In particolare, la ricerca si focalizza sulla struttura elementare delle celle, sulle proprietà meccaniche che ne derivano, sui materiali utilizzabili per la loro realizzazione e sulle strategie di fabbricazione delle strutture lattice, con particolare riferimento alla tecnologia additiva FDM. Nella seconda parte dell’elaborato, è illustrato il lavoro di disegno al CAD di alcune strutture lattice e la relativa resistenza a compressione, valutata mediante l’utilizzo del simulatore integrato nel software Solidworks. Infine, sono mostrati e discussi i risultati ottenuti.

Le strutture reticolari con non linearità geometriche e materiali vengono spesso analizzate mediante approcci numerici. Soluzioni dell’equilibrio in forma chiusa si trovano solamente per casi semplici di riferimento e sotto l’ipotesi di materiale elastico lineare. Tale ipotesi non è consistente con l’effettivo comportamento di solidi reali soggetti a grandi deformazioni. Pertanto, il lavoro di tesi riporta una formulazione analitica interamente non lineare per il problema dell’equilibrio e stabilità di strutture reticolari. Le aste della struttura reticolare sono riguardate come solidi iperelastici di materiale omogeneo, comprimibile e isotropo. I campi di spostamento e deformazione sono considerati grandi, senza alcuna restrizione. Il problema a valori al contorno viene risolto, ricavando così le equazioni che governano l’equilibrio. Di conseguenza, la stabilità delle configurazioni di equilibrio viene studiata attraverso un criterio energetico. La formulazione è dapprima sviluppata per il traliccio di von Mises (arco a tre cerniere), il quale rappresenta il caso più semplice di struttura reticolare. Nonostante la sua apparente semplicità, tale sistema esibisce diversi tipi di comportamento post-critico, tra cui snap-through e biforcazione. La trattazione viene poi estesa al caso della struttura reticolare a tre aste, la quale rappresenta un importante problema di riferimento, poiché mostra diversi punti critici e configurazioni di equilibrio stabili non simmetriche. Si riportano alcune applicazioni della teoria a materiali polimerici, utilizzando il modello di Mooney-Rivlin per l’energia di deformazione elastica delle aste della struttura. I risultati hanno particolare importanza per quanto concerne la validazione di simulazioni agli elementi finiti o di altre procedure numeriche. La trattazione non lineare per l’analisi di strutture reticolari in elasticità finita si applica anche allo studio del comportamento meccanico di materiali nanostrutturali. Nello specifico, in questo lavoro si analizza il grafene soggetto a grandi deformazioni piane. Gli atomi del reticolo cristallino esagonale rappresentano nodi connessi tra loro da elementi strutturali continui, le cui caratteristiche sono determinate attraverso un’equivalenza energetica con il potenziale interatomico dei legami chimici. L’equilibrio viene risolto per i casi di carico uniassiale ed equibiassiale. I risultati del lavoro dimostrano l’isotropia del grafene per piccole deformazioni, proprietà che viene persa per grandi deformazioni dando origine a un comportamento anisotropo. Si osservano inoltre soluzioni multiple e instabili dopo valori critici di deformazione. A differenza di molti altri studi in letteratura, il modello presentato in questo lavoro di tesi tiene conto delle non linearità geometriche e materiali. Ciò è necessario per una modellazione accurata del comportamento meccanico del grafene, in quanto questo materiale può raggiungere deformazioni a rottura superiori a 15-20%. I risultati dello studio permettono quindi di approfondire la comprensione dei meccanismi di deformazione del grafene e del suo complesso comportamento meccanico.
The analysis of truss structures involving geometric and material nonlinearities is often performed by means of numerical approaches. Closed-form solutions of the equilibrium are provided only for simple benchmark problems, under the inconsistent hypothesis of linear constitutive behavior of the material. This hypothesis does not reflect the actual behavior of solids subjected to large deformations. Therefore, in this thesis, a fully nonlinear analytical formulation of the equilibrium and stability of truss structures is presented. The bars of the truss are regarded as hyperelastic bodies composed of a homogeneous, compressible and isotropic material. Both displacement and deformation fields are large, without any restriction. The boundary-value problem is written and the equations governing the equilibrium are derived. The stability of the equilibrium configurations is assessed through an energy criterion. The formulation is firstly obtained for the von Mises (or two-bar) truss, which is the simplest case of truss structure. Despite its apparent simplicity, it exhibits various types of post-critical behaviors, such as snap-through and bifurcation. The formulation is then extended to the three-bar truss, which is an important benchmark test because it shows a number of critical points and stable asymmetric configurations. Several applications to rubber-like materials are performed by assuming a Mooney-Rivlin law for the stored energy function of the bars. The results are of great importance for the validation of finite element simulations and other numerical procedures. The nonlinear formulation for the analysis of truss structures can be applied to the study of the mechanical behavior of nanostructured materials. In particular, this work is focused on the response of graphene subjected to large in-plane deformations. The atoms of the graphene lattice structure are viewed as nodes connected by continuum elements, whose properties are determined through an energy equivalence with the interatomic potential of the chemical bonds. The equilibrium solutions are given for the cases of uniaxial and equibiaxial tensile loads. The results show that graphene is isotropic only for small deformations, while anisotropy arises for large deformations. Multiple and unstable solutions are found after critical values of deformation. Differently from many other studies in literature, the model presented in this work accounts for both geometric and material nonlinearities. This is necessary for an accurate analysis of the mechanical behavior of graphene, because it can easily experience strains larger than 15-20% prior to failure. The results allow therefore to deepen the understanding of the mechanics of deformation of graphene and provide insights into its complex mechanical behavior.

Le resine epossidiche più diffuse industrialmente sono a base di diglicidil etere del bisfenolo A (DGEBA) e vengono reticolate con indurenti di tipo amminico; tali sostanze però hanno impatti negativi sulla salute umana e sull’ambiente. Il pensiero alla base di questo progetto, nasce dalla possibilità di utilizzare indurenti amminici derivanti da fonte rinnovabile per la formulazione e produzione di nuovi sistemi di resine epossidiche. Dopo test preliminari su vari composti, è stato utilizzato come nuovo indurente bio-based l’adenina, ed in particolare è stato studiato il suo comportamento con una resina epossidica a base di DGEBA. Questa formulazione è stata utilizzata per validare l’uso di adenina come indurente. Successivamente il DGEBA è stato sostituito con una resina commerciale da infusione per lavorare in condizioni più simili al reale. Questi due sistemi sono stati caratterizzati tramite analisi termogravimetrica (TGA), calorimetrica a scansione differenziale (DSC in modalità dinamica e isoterma) e analisi dinamico-meccanica (DMA). I risultati ottenuti hanno fornito importanti informazioni su questa nuova classe di indurenti amminici da fonte rinnovabile decisamente promettenti.

Nel presente elaborato di Tesi si è voluto esaminare il comportamento del polietilene reticolato (XLPE) sottoposto ad invecchiamento di tipo radiativo e termico. In particolare, è stato oggetto dell’analisi, studiare l’impatto che questa tipologia di invecchiamento ha avuto sulle sue proprietà elettriche, chimiche e meccaniche al variare dei tempi di esposizione alle condizioni stabilite. Il materiale studiato è stato ottenuto tramite la lavorazione di pellets di polietilene a bassa densità (LDPE), che sono stati prima soggetti a criomacinazione per ottenere le polveri di materiale da cui si sono poi ottenuti i campioni di polietilene reticolato. Questo processo, in particolare, è stato realizzato tramite stampaggio in compressione semplice tramite una pressa. Successivamente, è stato condotto l’invecchiamento in camera climatica ad una temperatura di 75° C e ad una potenza radiativa pari a 4 mW. L’analisi delle proprietà elettriche del materiale è stata effettuata tramite spettroscopia dielettrica che permette di ottenere risultati circa grandezze come la permettività reale ed immaginaria. Sono stati, inoltre, condotti studi chimici attraverso analisi di tipo: DSC, tecnica di analisi termica utilizzabile per misurare la temperatura e il flusso di calore associato alle transizioni che avvengono in un campione; OIT, che permette di ottenere risultati sui tempi di ossidazione del materiale; FTIR per l’analisi dei gruppi chimici; spettrofotometria per studiare il cambiamento di proprietà come trasparenza e colore del materiale e crosslinking. Si è altresì voluto studiare il comportamento meccanico del materiale al variare dei tempi di invecchiamento, tramite prove di trazione effettuate con la macchina di trazione, al fine di ottenere i rispettivi valori di sforzo a rottura, Modulo di Young e Elongation at Break. Alla luce delle prove effettuate sono stati analizzati e discussi i risultati ottenuti.

Il presente elaborato ha come obiettivo l’identificazione dei danneggiamenti presenti in strutture reticolari in acciaio mediante l’utilizzo di frequenze di vibrazione e algoritmi euristici (processi iterativi non deterministici che simulano un fenomeno esistente in natura) nonché la valutazione della loro performance in presenza di rumore. Le analisi richieste vengono condotte mediante l’utilizzo del software MATLAB R2020a il quale è ampiamente adoperato in analisi numerica e programmazione computazionale. Oggigiorno, l’individuazione del danno presente nelle strutture civili sta diventando un’esigenza sempre più incalzante cosicché sono stati sviluppati diversi metodi di monitoraggio e di indagine non distruttiva. L’obiettivo principale del monitoraggio è determinare ed identificare il danno presente in un sistema strutturale mediante l’analisi dei cambiamenti di risposta del modello in esame. A questo scopo sono stati introdotti tre algoritmi euristici dell’intelligenza computazionale: Algoritmi genetici, Particle Swarm Optimization e Simulated Annealing, questi metodi inversi vengono impiegati nell’individuazione del minimo globale della funzione obiettivo che governa il problema. Per valutare la robustezza di questi metodi in funzione del rumore, è necessario far ricorso all’analisi modale per sistemi a più gradi di libertà che contribuisce alla determinazione delle frequenze sperimentali (‘f_exp’) e identificate (‘f_ID’) necessarie all’applicazione degli algoritmi. Infine, le analisi richieste si eseguono sulla base dei valori medi e delle deviazioni standard associate alle aste costituenti la struttura reticolare, per le diverse configurazioni di danno e di rumore previste. I risultati finali mostreranno che, in funzione delle analisi condotte per diverse configurazioni di danno, l’algoritmo genetico possiede una prestazione superiore rispetto agli altri metodi analizzati e costituisce un’euristica affidabile nella risoluzione del problema trattato.

Sono stati sintetizzati due diversi complessi inorganici di Fe0, ciascuno di questi presenta come sostituenti un Ciclopentadienone -contenente sostituenti diversi nei due casi, un carbene tipo NHC -funzionalizzato con due gruppi amminici- e due carbonili. I composti sono stati utilizzati come indurenti per resine epossidiche. Sono testati entrambi su resina DGEBA per indagare il comportamento di sistemi DGEBA - Complesso di Fe: sono state preparate diverse formulazioni, sulle quali è stato ottimizzato il processo di cura tramite analisi TGA e DSC. Il composto che ha dato i migliori risultati è stato testato anche su resina commerciale Elan-tron® EC 157 nelle medesime condizioni. Una volta ottimizzato il trattamento di cura sui sistemi resina-indurente è stato valutato il comportamento alla fiamma di EC157-Complesso di Fe attraverso analisi in cono calorimetro. Dalle analisi di bruciatura, su Elan-tron® EC 157 reticolato con uno dei due indurenti sintetizzati, è emersa un’azione anti fiamma svolta da quest’ultimo.

Il lavoro di tesi dimostra la fattibilità nell'utilizzo di un materiale "non convenzionale" come il bambù nel miglioramento sismico di un edificio esistente. Si propone un sistema di retrofitting innovativo che possa essere strutturale, energetico e sostenibile. Considerando le buone prestazioni meccaniche del bambù, nella sua forma naturale, sotto sforzi di compressione e trazione paralleli alle fibre, si definisce un esoscheletro per cui il materiale riesca a lavorare prettamente in regime membranale. Si progetta, quindi, un sistema di controventamento reticolare, facendo riferimento alle caratteristiche delle strutture diagrid. Attraverso un'analisi preliminare bidimensionale si valutano le capacità del sistema di retrofitting. In particolare, si studiano una serie di casistiche, variando le dimensioni dei culmi, il loro numero per asta, e valutando l'efficacia dell'impiego del bambù ingegnerizzato e dell'acciaio. Si confrontano i parametri modali e le sollecitazioni taglianti. Si definisce la configurazione con prestazioni migliori: sistema reticolare ibrido acciaio-bambù. Definita attraverso l'analisi preliminare la configurazione ottimale, si studia il comportamento spaziale della struttura attraverso un modello numerico tridimensionale. Si conferma la capacità del sistema di sgravare la struttura esistente di una quota parte delle sollecitazioni taglianti e di ridurre gli spostamenti di piano. Si ipotizzano l'ancoraggio alla struttura esistente e la modalità di connessione fra culmi, analizzando le soluzioni proposte in letteratura. I culmi sono soggetti a verifiche di resistenza e instabilità. Si valuta, inoltre, il sistema proposto in relazione a tecnologie innovative presenti nell'attuale panorama ingegneristico: pannelli sismo-resistenti, con duplice funzione di miglioramento sismico ed energetico, e reticolari di controventamento in acciaio, applicate a bassi edifici.

Il basso tasso d'usura e l'alta resistenza meccanica dell'UHMWPE reticolato e additivato ha posto l'attenzione verso l'uso di teste femorali con diametri maggiori per diminuire il rischio d'impingement e dislocazioni. Questo richiede l'utilizzo d'inserti acetabolari più sottili di quelli attualmente in commercio. In quest'ottica è necessario porre particolare attenzione alla resistenza meccanica d'inserti più sottili, e all'efficacia della vitamina E nel combattere l'effetto dell'ossidazione che si manifesta in seguito al processo di reticolazione. Lo scopo del lavoro è quindi di studiare un inserto più sottile di quelli attualmente in commercio per verificarne le performance. Tale studio è svolto su una serie di taglie (compreso inserto prodotto ad-hoc con spessore di 3,6 mm) con spessore di 5,6 mm e di 3,6 mm dalle quali viene isolato il worst-case tramite analisi FEM. Con prove sperimentali è testata la resistenza meccanica del worst-case, e sono monitorate le deformazioni subite e l'ossidazione del campione. Dagli studi FEM è risultato che le tensioni sono mediamente le stesse in tutti i campioni, anche se si sono registrate tensioni leggermente superiori nella taglia intermedia. A differenza delle attese la taglia in cui si sono riscontrate le tensioni massime è la F (non è l'inserto che ha diametro inferiore). A seguito della messa a punto del modello FEM si è identificato un valore d'attrito inferiore a quello atteso. In letteratura i valori d'attrito coppa-inserto sono più grandi del valore che si è identificato tramite simulazioni FEM. Sulla base dei risultati FEM è isolato il worst-case che viene quindi sottoposto a un test dinamico con 6 milioni di cicli atto a valutarne le performance. Gli inserti di spessore ridotto non hanno riportato alcun danno visibile, e la loro integrità strutturale non è stata modificata. Le considerazioni preliminari sono confermate dalla verifica al tastatore meccanico e dall'analisi chimica, dalle quale non si sono evidenziate particolari problematiche. Infatti, da queste verifiche si rileva che l'effetto del creep nella prova accelerata è pressoché trascurabile, e non si riscontrano variazioni dimensionali rilevanti. Anche dall'analisi chimica dei campioni non si evidenzia ossidazione. I valori d'ossidazione dell'inserto testato sono analoghi a quelli del campione non testato, anche quando viene confrontato con l'inserto in UHMWPE vergine si evidenzia un'ossidazione di molto superiore. Questo prova che la vitamina E inibisce i radicali liberi che quindi non causano l'ossidazione con susseguente fallimento dell'inserto. Dai risultati si vede che i campioni non subiscono danni rilevanti, le deformazioni elastiche monitorate nel test dinamico sono pressoché nulle, come gli effetti del creep misurati analizzando i dati ottenuti al tastatore meccanico. Grazie alla presenza della vitamina E non si ha ossidazione, quella rilevata è vicina a zero ed è da imputare alla lavorazione meccanica. Secondo tali considerazioni è possibile affermare che la riduzione dello spessore degli inserti da 5,6 mm a 3,6 mm non ha conseguenze critiche sul loro comportamento, e non comporta un fallimento del dispositivo.

Il presente elaborato è finalizzato a determinare un metodo di indagine che consenta l’identificazione e la valutazione di danneggiamenti in strutture reticolari, mediante l’utilizzo di modi di vibrare e reti neurali artificiali. Nell’ambito dell’ingegneria civile, con il termine Structural Health Monitoring, si identificano le metodologie di monitoraggio che permettono l’individuazione di anomalie strutturali, consentendo la valutazione, in modo continuo ed automatizzato, dello stato di salute di un’opera. Metodologie Deep Learning, applicate allo SHM, sono al centro della ricerca scientifica degli ultimi anni, grazie ai progressi tecnologici e all’introduzione di strumenti di calcolo dalle notevoli capacità computazionali, in grado di elaborare grandi quantità di dati. In questo contesto, la metodologia di apprendimento supervisionato proposta si basa sull’utilizzo di una rete neurale convoluzionale (CNN), capace, sulla base di un dataset di informazioni dinamiche relative alle configurazioni di danno previste, di riconoscere e classificare la condizione strutturale di un’opera, identificando, localizzando e quantificando un eventuale danneggiamento. La classificazione della condizione strutturale avviene sulla base del training specifico della rete realizzato su grandi quantità di informazioni generate analiticamente da un modello strutturale. L’elaborazione dei dati di esempio, consente alla rete di identificare automaticamente le caratteristiche di interesse del problema, e di prevedere la condizione strutturale per dati in input non ancora visionati. In questa analisi, il parametro Modal Assurance Criterion (MAC), strumento di confronto tra modi di vibrare, viene utilizzato come indicatore dello stato di salute strutturale. Il problema di identificazione del danno viene valutato, ponendo le basi per ulteriori analisi, mediante l’applicazione del metodo su due casi studio, relativi, rispettivamente, ad un modello piano e ad uno spaziale.

Il seguente elaborato affronta, nella sua prima parte, gli effetti che vari disturbi esterni ed incontrollabili, possono provocare sui parametri modali della struttura durante il monitoraggio dinamico, portando ad un'errata valutazione della salute di salute dell'opera. Allo scopo di ridurre questo problema, nella seconda parte della tesi, viene analizzata una struttura reticolare in acciaio sottoposta a indice di danno, temperatura e livello di rumore variabile. Tale modello è stato utilizzato per la ricerca di una metrica robusta che, indipendentemente dai disturbi esterni applicati, riesca a fornire una precisa ed esatta identificazione del danno strutturale, e quindi, conseguentemente, una valida valutazione dello stato di conservazione dell'opera. Una volta eseguite tutte le analisi e valutazioni del caso, la relazione determinata è stata applicata a diverse tipologie di strutture, al fine di verificarne la sua validità. Nell'ultima parte dell'elaborato sono state riportate le conclusioni, in cui si è validata l'analisi eseguita e i suoi conseguenti risultati.

Questa tesi riguarda lo studio della reazione fotoindotta del 9-10 dinitroantracene (DNO2A) ad antrachinone (AQ) con l’ausilio di una tecnica spettroscopica senza precedenti nel campo. Lo studio tramite spettroscopia Raman dei fononi reticolari (variazioni fisiche) e dei modi intramolecolari (variazioni chimiche) di reagente e prodotto, simultaneamente al manifestarsi della reazione, è infatti un metodo potente, diretto, in situ e non distruttivo per studiare una reazione solido-solido che coinvolge spettacolari movimenti micro-meccanici nel cristallo singolo del reagente durante l’irraggiamento. L’ulteriore vantaggio della confocalità amplia ulteriormente il campo di applicazione di questa tecnica, permettendo un’analisi su scala spaziale inferiore al micrometro, con la possibilità di mappature a livello molecolare da confrontare con l’immagine microscopica del campione[9]. Abbiamo inoltre visto che ampie ricostruzioni strutturali avvengono nel corso della reazione. Le conseguenze, a livello microscopico, si riflettono sulla modificazione strutturale della cella elementare; quelle a livello macroscopico mostrano una sorprendente relazione fotone incidente/energia meccanica prodotta. Infine lo studio di questa reazione in celle ad alta pressione ha ampliato il corpo di conoscenze della reazione oggetto della tesi.

La tesi ha come oggetto l’analisi computazionale e sperimentale di pali reticolari innovativi realizzati mediante la tecnologia di stampa 3D metallica riferita come Wire-and-Arc Additive Manufacturing. Il progetto di questa tesi consiste nel design di un palo reticolare innovativo mediante software di disegno parametrico. Il palo ha una sezione tubolare “atomizzata” che forma una superficie esterna di tipo reticolare (“lattice structure”) costituita da elementi rettilinei continui. La continuità dei filamenti costituenti la struttura reticolare è garantita grazie alla tecnologia di realizzazione di tipo additivo per metalli di tipo Wire-and-Arc Additive Manufacturing che supera la richiesta di connessione di più elementi grazie alla realizzazione di un unico elemento tubolare di tipo reticolare. L’innovazione consiste nell’alta flessibilità di personalizzazione, in quanto la geometria è in grado di potersi adattare parametricamente a diverse esigenze generando un elemento ad hoc. Pluralità di ingombri, raffittimenti localizzati e sezioni di spessore variabile in altezza rendono possibili applicazioni diversificate. La parte sperimentale della tesi mira a indagare l’elemento di intersezione delle aste che formano il palo reticolare in acciaio inossidabile stampato mediante la tecnologia Wire-and- Arc Additive Manufacturing. Sono stati eseguiti test di laboratorio a trazione su elementi che simulano i nodi di collegamento presenti in un elemento reticolare stampato in 3D. Il fine ultimo delle sperimentazioni conseguite è l’analisi delle differenze e/o similitudini nel comportamento sotto sollecitazione meccanica dei nodi quali punti critici di un elemento strutturale.

Il progetto di dottorato che verrà presentato in questa tesi è focalizzato sullo sviluppo di un metodo sperimentale per la produzione di protesi personalizzate utilizzando il processo di fabbricazione additiva di Selective Laser Melting (SLM). L’obiettivo è quello di definire una condizione di processo ottimizzata per applicazioni in ambito chirurgico che possa essere generalizzabile, ovvero che ne garantisca la riproducibilità al variare dell’anatomia del paziente e che rappresenti la base per estendere il metodo ad altre componenti protesiche. Il lavoro si è sviluppato lungo due linee principali, la cui convergenza ha permesso di realizzare prototipi di protesi complete utilizzando un solo processo: da una parte la produzione di componenti a massima densità per il raggiungimento di elevate resistenze meccaniche, buona resistenza ad usura e corrosione e controllo di tensioni residue e deformazione delle parti stampate. Dall’altra si sono studiate strutture reticolari a geometria e porosità controllata per favorire l’osteointegrazione della componente protesica post impianto. In questo studio sono stati messe a confronto le possibili combinazioni tra parametri di processo e sono state individuate le correlazioni con le proprietà finali dei componenti stampati. Partendo da queste relazioni si sono sviluppate le strategie tecnologiche per la progettazione e la produzione dei componenti. I test sperimentali svolti e i risultati ottenuti hanno dimostrato la fattibilità dell’utilizzo del processo SLM per la produzione di protesi personalizzate e sono stati fabbricati i primi prototipi funzionali. La fabbricazione di protesi personalizzate richiede, però, anche la progettazione e la produzione di strumentario chirurgico ad hoc. Per questo motivo, parallelamente allo studio della lega di Cromo Cobalto, sono stati eseguiti i test anche su campioni in INOX 316L. Anche in questo caso è stato possibile individuare una finestra operativa di processo che garantisse proprietà meccaniche comparabili, e in alcuni casi superiori, a quelle ottenute con processi convenzionali.
This dissertation presents the development of an experimental method for the production of personalised prostheses by additive manufacturing; specifically, Selective Laser Melting (SLM). The aim of this thesis is to optimise the process for surgical applications, ensuring the reproducibility of prosthesis characteristics independently of variations in patient anatomy. The work follows two main lines of study, whose convergence has allowed the production of prostheses using a single process. Firstly, the production of maximum density components with high mechanical strength and good wear and corrosion resistance was carried out. Subsequently, lattice structures with controlled porosity were studied to promote the osseointegration of implants. Relationships between the process parameters and final properties of SLM components were identified. Based on these results, a new manufacturing strategy was developed for prosthesis production. The performed experiments and obtained results demonstrated feasibility of the SLM process for production of personalised prostheses. Following this outcome, the first functional prototypes were produced. The manufacturing of patient-specific prostheses also requires the design and production of personalised surgical instruments. Experimental tests on AISI 316L components were therefore carried out. It was also possible in this case to identify a process window that guarantees comparable mechanical properties with conventional processes.

When we speak about “travi reticolari miste“ we refer to a composite steel-concrete beam made up of a steel truss encased in cast in place concrete. The steel structure is typically composed of a plate or straight bars at the bottom, straight bars at the top and diagonal web bars: all these elements are connected with welded joints in a typical pyramidal shape. These beams have a particular feature: they can bear their own weight and the weight of the slabs without any provisional support during the “first phase” and then they can collaborate with the cast in place concrete during the “second phase”. The Italian Code - DM 14.01.2008 and Circolare 02.02.2009 n° 617/C.S.LL.PP – deals with this kind of structures in §4.6 “Other materials costructions” and then in “Linee guida per l’utilizzo di travi tralicciate in acciaio conglobate nel getto di calcestruzzo collaborante e procedure per il rilascio dell’autorizzazione all’impiego” (Sept 2011): composite beams are classified in three groups (A – B – C) depending on their features and for each group suitable norms are prescribed. In particular, for “A” beams we can refer to §4.3 of DM 2008 or to Ec4, for “B” beams we can refer to §4.1 of DM 2008 or to Ec2 while “C” beams require the authorization of Italian Superior Council of Public Works. Welded joints are very important in encased composite steel-concrete structures: the beam behavior depends on forces and stresses that pass through these joints and weldings must have specific geometrical characteristics and dimensions in order to provide an established strength and ductility. However welding process isn’t so easy because of elements geometry: in fact joints connect rounded surfaces, weldings can’t have the exact designed features and this problem represents the weak point of these beams. “TRR Ponte” was studied in order to realize a different type of encased composite beam in wich weldings could be achieved in a more precise way: in TRR Ponte top and web bars are not directly connected but they are jointed through a steel rectangular gusset plate that becomes a plane surface on which welding process is easier and faster. Furthermore bars are welded to the rectangular plates through corner joints that have precise geometrical characteristics and dimensions: in this way weldings can really provide the required strength and ductility. At the same time connection plates reduce the buckling lengths of compressed elements, that are diagonal and top bars: if slenderness is reduced, the design buckling resistance is higher and so the steel beam is more stable during the first phase, when concrete isn’t casted yet. Then there is another very important aspect: in TRR Ponte beams web bars can be put together and welded to the straight bars trough the connection plates working on a plane and then all the beam can be composed. In this way every step of the productive process is more efficient and functional. TRR Ponte is made up of S355 steel type elements, so it can be considered an “A” beam following Italian Code and “Linee Guida”: this means that it should be designed as a steel truss beam to calculate its shear resistance. However, even if during the first phase there are only steel elements, in the second phase a composite beam is made up also of concrete and the struts that develop could influence and improve the shear behavior of the element. At the same time, we can’t use reinforced concrete algorithms because they are based on adherence between concrete and steel elements: in “A” composite beams we don’t use roughened steel bar so the bond stress capacity is very low and we need specific models to correctly evaluate composite beams shear resistance. In this research a new shear design model is developed and it is based on the “Strut-and-Tie method” and on the equilibrium equations applied to composite truss nodes. Experimental tests have shown the development of concrete struts between the rigid joints of the steel truss and so the formation of a composite truss as presumed in the Strut-and-Tie model adopted was confirmed. Also the TRR Ponte failure mechanism was exactly predicted by the design analytical algorithm even if failure beams loads were higher than expected. TRR Ponte shear behavior has been studied also by FEM numerical analysis: the simplified FEM model proposed allow to know the failure mechanism in a fast way and give a collapse load very close to the experimental one. The fatigue behavior of TRR Ponte could be another important aspect to analyze: joint connections and beam fatigue experimental tests could show new possible applications of TRR Ponte, for example integral bridges. In this type of structures, bearings and expansion joints are eliminated so that the sub-structure (piers and abutments) and the super-structure (deck slub) are made monolithic: composite beams could be used to realize the deck slab because during the first phase they could be connected to the abutments and then in the second phase casting concrete would integrate the structure.
Con “travi reticolari miste” si indica una particolare tipologia di travi costituite da una reticolare in acciaio inglobata in un getto di calcestruzzo completato in opera. Il traliccio è costituito da un insieme di elementi saldati in stabilimento tra i quali si può individuare un corrente superiore formato generalmente da barre, un corrente inferiore formato da barre o da un piatto, elementi diagonali in barre disposte in modo da dare alla trave la classica forma piramidale e che possono essere organizzate, ove necessario, in più pareti. Il funzionamento di questo tipo di travi avviene per fasi: Il funzionamento di questo tipo di travi avviene quindi per fasi: durante la prima fase la trave è a tutti gli effetti una reticolare in acciaio che viene posta in opera e sulla quale vengono appoggiati i solai ed è pertanto progettata, oltre che per il peso proprio, per i carichi permanenti strutturali, mentre invece durante la seconda fase avviene il getto integrativo di calcestruzzo che, una volta maturato, permetterà alla trave di portare i carichi permanenti non strutturali e accidentali. Nel DM 14.01.2008 e Circolare 02.02.2009 n° 617/C.S.LL.PP si parla travi tralicciate in acciaio conglobate nel getto di calcestruzzo collaborante al paragrafo §4.6 “Costruzioni di altri materiali” e poi nelle “Linee guida per l’utilizzo di travi tralicciate in acciaio conglobate nel getto di calcestruzzo collaborante e procedure per il rilascio dell’autorizzazione all’impiego” (Settembre 2011): le travi reticolari miste vengono classificate in tre categorie (A – B – C) in base alle loro caratteristiche e si indica di far riferimento al §4.3 del DM 2008 o all’Ec4 (strutture composte) per le travi “A”, al §4.1 del DM 2008 o all’ Ec2 (strutture in calcestruzzo armato) per le travi “B” mentre per le travi “C” è richiesta una specifica autorizzazione da parte del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici. Le connessioni saldate della reticolare in acciaio giocano un ruolo fondamentale per il funzionamento della trave reticolare mista: il trasferimento delle tensioni avviene attraverso i nodi del traliccio e quindi le saldature che li costituiscono devono avere precise caratteristiche in modo da garantire determinate risposte in termini di resistenza e duttilità. Tuttavia nelle travi reticolari miste le saldature vanno a collegare delle superfici curve in quanto i correnti e le anime di parete hanno sezione circolare e pertanto il cordone che si va a realizzare non ha caratteristiche geometriche precise. La “TRR Ponte” nasce proprio dall’idea di realizzare una trave reticolare mista nella quale le saldature possano essere realizzate in modo diverso: in essa infatti gli elementi del traliccio vengono collegati mediante un fazzoletto metallico che diventa una superficie piana sulla quale è possibile eseguire a tutti gli effetti dei cordoni d’angolo con caratteristiche precise e misurabili. Non solo, il processo di saldatura risulta più veloce e agevole per l’operatore e, inoltre, il fazzoletto riduce la lunghezza libera di inflessione degli elementi compressi diagonali e del corrente superiore aumentando il carico critico che porta all’instabilità la trave e quindi ne migliora il comportamento in prima fase. Infine, gli elementi diagonali possono essere posizionati e saldati ai fazzoletti sul piano di lavoro e successivamente, una volta realizzate tutte le pareti, si può procedere con l’assemblaggio dell’intera trave, con una notevole razionalizzazione del processo produttivo. La trave TRR Ponte è realizzata in acciaio da carpenteria e quindi, da normativa, dovrebbe essere dimensionata a taglio come una trave di categoria “A”, ovvero considerando il solo traliccio in acciaio. Tuttavia appare restrittivo trascurare completamente la presenza del getto di seconda fase in quanto la formazione di bielle di calcestruzzo potrebbe influire sul comportamento ultimo della trave e sulle modalità di collasso. Allo stesso tempo però l’applicazione degli algoritmi del cemento armato non sembra essere opportuna in quanto essi si basano sull’aderenza tra calcestruzzo e acciaio quale meccanismo di trasferimento delle tensioni: nelle travi di categoria “A” si utilizza acciaio da carpenteria e comunque si ritiene che il funzionamento generale di una trave reticolare mista si basi soprattutto sulla trasmissione degli sforzi attraverso i nodi saldati del traliccio. Per questi motivi si è proposto un diverso modello analitico per lo studio del comportamento a taglio di queste travi: esso si basa sul metodo “Strut-and Tie”, ovvero sull’ipotesi della formazione all’interno della trave di un traliccio iperstatico composto dalla reticolare in acciaio e dalle bielle compresse in calcestruzzo del getto collaborante, e ad esso sono state applicate le equazioni di equilibrio ai nodi per la valutazione delle azioni interne. I test sperimentali condotti hanno dimostrato la formazione delle bielle di calcestruzzo all’interno della reticolare in acciaio e quindi hanno confermato l’ipotesi di traliccio iperstatico composto formulata con il metodo “Strut-and-Tie”. Inoltre le travi TRR Ponte sono arrivate al rottura secondo le modalità previste in fase di dimensionamento anche se per carichi superiori rispetto a quelli di progetto. Il comportamento a taglio delle travi TRR Ponte è stato studiato anche attraverso analisi numerica: in particolare, si è sviluppato un modello FEM semplificato che, a fronte di un ridotto onere computazionale, si è dimostrato efficace nel descrivere i meccanismi di collasso e stimare dei carichi a rottura prossimi a quelli ottenuti dalle prove sperimentali. Un altro importante aspetto da analizzare potrebbe essere il comportamento a fatica della trave TRR Ponte: test sulle connessioni e sull’intero elemento potrebbero portare a nuovi campi di applicazione della trave TRR Ponte come ad esempio i ponti integrali. In questa tipologia di ponti i dispositivi di appoggio e i giunti di dilatazione vengono eliminati e la sovrastruttura (impalcato) viene resa solidale con la sottostruttura (pile e spalle): dato il loro funzionamento per fasi, le travi reticolari miste potrebbero essere utilizzate per la realizzazione dell’impalcato e dei collegamenti con le altre parti strutturali del ponte.

L’obiettivo di questo elaborato è caratterizzare dei provini con strutture reticolari prodotti per additive manufacturing, in particolare tramite Selective Laser Melting (SLM). Lo studio si sviluppa tramite due metodi di analisi: il primo che prevede l’uso delle prove di compressione per caratterizzare tali provini e il secondo di Digital Image Correlation (DIC) che permette di mostrare le deformazioni e gli spostamenti dei provini in maniera puntuale anziché globale, come avviene nelle prove di compressione. Nell’ultima parte si sono considerate le due analisi utilizzate e sono state confrontate evidenziando come la DIC possa essere considerata un metodo di analisi valido e efficace nello studio di strutture geometriche reticolari. Infine, sono state esposte le possibili applicazioni di tali strutture con geometrie complesse soprattutto in campo biomedico, in particolar modo nella costruzione di protesi per caviglia.

L' argomento di questa tesi tratta l'analisi di una copertura reticolare a forma libera di grande luce. Partendo da una modellazione FEM della reticolare risolta al calcolatore si è cercato un metodo di analisi semplificato alternativo per l'individuazione approssimata delle sollecitazioni che nascono in seguito ai carichi. Ripercorrendo i passi sviluppati dal metodo americano per il calcolo dei solai a fungo, si individuano le sezioni portanti principali della forma strutturale, deducendo l'andamento del momento flettente dagli sforzi in corrispondenza dei correnti tesi e compressi. Sulle stesse sezioni sono stati costruiti dei modelli mono e bidimensionali semplificati che cercano di rappresentare, con diversa scala di precisione, l'andamento della sollecitazione flettente realmente presente nella struttura. Dall'analisi del momento flettente risultante dai modelli monodimensionali si individuano le modifiche effettuabili sulla geometria strutturale con lo scopo di migliorarne la risposta globale ed i parametri di progetto utili per il dimensionamento. Al termine si sono confrontati i risultati ottenuti dalle due strutture analizzate, ovvero con o senza le modifiche alla geometria, riportando alcuni parametri caratteristici del comportamento strutturale e traendo così conclusioni sulla soluzione migliore.

Il presente lavoro di tesi dà il via ad un progetto di ricerca il cui scopo ultimo è lo sviluppo di un software di modellazione Computer Aided Engineering (CAE) in grado di prevedere l’espansione che avviene durante la fase di esplosione di un manufatto formato tramite stampaggio ad iniezione, a partire da materiali polimerici a matrice poliolefinica espansibile e reticolabile. Una stima accurata ed a priori dell’espansione nelle tre dimensioni tramite un software del genere, comporterebbe un tangibile e consistente risparmio economico e temporale durante il processo di progettazione di stampi utilizzati per la produzione industriale in serie di prodotti termoindurenti superleggeri con microstruttura cellulare a celle chiuse. Una prima fase del lavoro sperimentale è stata orientata verso la ricerca di correlazioni matematiche tra i coefficienti di espansione nelle varie dimensioni di provini standardizzati. Le correlazioni sono state determinate con successo ed è stata anche testata la loro stabilità rispetto ad una variazione della formulazione del materiale stampato. La seconda e ultima fase del lavoro sperimentale ha invece testato l’influenza di una modifica dei parametri di stampaggio sulle correlazioni precedentemente determinate. Infine, è stata proposta una prima ipotesi di un modello concettuale del processo, consistente con i risultati ottenuti.

L’attività sperimentale presentata in questo elaborato è focalizzata sull’analisi del comportamento a flessione di provini realizzati con tecnologia SLM (Selective Laser Melting), al fine di realizzarne una completa caratterizzazione in campo elastico. L’obiettivo è, quindi, quello di fornire informazioni specifiche sulle proprietà meccaniche di tali strutture reticolari (anche denominate “lattice”) in CrCoMo, in modo tale che esse possano poi essere implementate nell’analisi FEM (Finite Element Method) di veri e propri oggetti realizzati con tale tecnologia; ad esempio nel caso in esame, per la realizzazione di protesi che garantiscano ottimi livelli di resistenza meccanica e di resistenza all’usura, e che al contempo, grazie alla geometria e alla porosità controllata che contraddistingue tali strutture, permettano l’osteointegrazione della componente protesica post impianto. Il lavoro di analisi tensionale delle strutture lattice è stato possibile grazie all’impiego di una pressa meccanica appositamente costruita ed utilizzando un sistema di misurazione ottico costituto da una telecamera. Le immagini dei provini, ottenute a valori dei carichi flessionali crescenti, hanno così permesso la caratterizzazione del provino mediante DIC (Digital Image Correlation). I test sperimentali svolti e i risultati ottenuti hanno consentito una completa caratterizzazione a flessione delle diverse strutture lattice in CrCoMo studiate; quindi si è compiuto un passo avanti verso la possibilità di attuare, in futuro, analisi FEM su componenti realizzati con queste particolari strutture.

Gli impianti nucleari di terza generazione sono stati progettati in modo da funzionare per un periodo di vita intorno ai quarant’anni, nonostante questo è necessario estendere la loro operatività fino a sessant’anni. Un ruolo importante sarà ricoperto dai cavi elettrici operanti nell’impianto, che vengono solitamente indagati attraverso invecchiamenti artificiali del materiale polimerico, che costituisce il principale composto nello strato isolante, arrivando quindi a definire una valutazione operativa di quello che è il loro tempo di fine vita. Quando i campioni polimerici vengono sottoposti a trattamenti di invecchiamento ad alta temperatura in tempi brevi, essi degradano con effetti che sono imputabili alla diffusion limited oxidation (DLO). Questa tesi tratta il problema della misurazione sperimentale di caratteristiche meccaniche con gradiente spaziale di campioni invecchiati artificialmente in presenza di DLO, utilizzando il polietilene reticolato, principale componente nell’isolante dei cavi elettrici per impianti nucleari. il modulo elastico viene misurato adottando due diverse tecniche. Inizialmente è stato usato un approccio più globale mediante il test di rigonfiamento, al fine di valutare le proprietà di massa; in seguito le proprietà dipendenti dalla profondità sono state indagate mediante nanoindentazione, tecnica che permette di valutare l’andamento del modulo elastico lungo il profilo del campione. I risultati sono poi confrontabili con le analisi chimiche, che sono invece in grado di definire la distribuzione dell’intensità di ossidazione con l’uso di Spettrometria di massa di ioni secondari e a tempo di volo. Questo studio fornisce una solida metodologia per la determinazione sperimentale delle proprietà meccaniche locali di materiali polimerici dopo l’invecchiamento accelerato artificialmente (in condizioni di DLO).

Questo elaborato offre uno spunto sullo stato dell’arte della tecnologia SLM (Selective Laser Melting) con particolare attenzione all’influenza dei parametri di processo sulla qualità del prodotto finale; propone svariati esempi di prove meccaniche quasi statiche e di fatica eseguite sulle celle più comuni in letteratura, sottolineando la varietà dei difetti legati al meccanismo di fusione e alla scelta di parametri di stampa non ottimizzati; mette in luce l’importanza della DIC (Digital Image Correlation) per la comprensione della dinamica eterogenea del comportamento delle strutture reticolari. A questa prima parte si aggiunge una campagna sperimentale svolta su provini in CoCrMo, nelle condizioni as build e dopo un trattamento termico, dedicata allo studio delle prestazioni a fatica in condizioni compression-compression per la costruzione della curva di Wöhler. Tutte le prove sono monitorate registrando sequenze di foto per ciascun campione in momenti diversi del test e destinate all’analisi DIC mediante il software GOMcorrelate®.

Le strutture tensegrali sono particolari strutture reticolari costituite da elementi compressi (aste) e tesi (cavi) presollecitati in uno stato di auto-equilibrio, dove l’insieme di componenti compressi è posto all’interno di una rete continua di elementi tesi. La tesi si propone di analizzare la statica e la dinamica delle strutture tensegrali, mettendo in particolare evidenza le principali proprietà che ne contribuiscono a determinare l’equilibrio. Un aspetto chiave nella progettazione di questi sistemi è il problema della ricerca di forma: differentemente da altre tipologie strutturali, parte degli sforzi di progetto finalizzati all’ottenimento di un buon comportamento meccanico-strutturale vengono spesi solo per trovare una configurazione di equilibrio stabile in assenza di carico applicato. Per la risoluzione del problema della ricerca di forma o form-finding, è possibile riferirsi a diversi metodi, di natura statica o cinematica. In questa tesi, ci si concentrerà in particolare sul metodo delle densità di forza che consente la determinazione della configurazione auto-equilibrata della struttura tensegrale a partire dalle equazioni di equilibrio.

Il crescente interesse per la salvaguardia dell’ambiente, principalmente motivato dai disastri naturali che sono incorsi numerosi nell’ultimo ventennio, ha dato un’ulteriore spinta alla ricerca sulle fonti di energia “green” rinnovabile non derivanti da combustibili fossili, che permetta all’uomo di continuare a provvedere ai propri fabbisogni in maniera più “rispettosa”. Infatti, le fonti energetiche rinnovabili che il nostro pianeta ci mette a disposizione sono innumerevoli: dall’energia meccanica ed elettrica prodotta dal vento, alle biomasse, la cui combustione in appositi impianti permette generazione termica e cogenerazione di calore ed elettricità; l’energia prodotta dalle maree e dalle correnti marine o, ancora, fonti di energia idroelettrica che sfruttano le precipitazioni tramite il dislivello di acque. Ma tra tutte queste fonti energetiche rinnovabili, quella che potrebbe di sicuro essere la più sfruttata per la produzione di energia è rappresentata dal Sole. Lo sfruttamento dell’irraggiamento solare, infatti, ha assunto un ruolo fondamentale nella ricerca e nello sviluppo di tecnologie che possano convertire la luce solare in energia elettrica e renderla fruibile a tutti in maniera semplice e, ultimamente, anche non eccessivamente onerosa dal punto di vista economico. Questo lavoro di ricerca di dottorato ha avuto come focus cercare di trovare nuove soluzioni per la realizzazione di un componente fondamentale per la produzione di moduli fotovoltaici di ultima generazione, nello specifico moduli fotovoltaici bifacciali con tecnologia ad etero-giunzione di silicio amorfo e cristallino; tale componente è rappresentata dall’incapsulante polimerico, il quale ha il compito di salvaguardare e proteggere l’intero modulo fotovoltaico e tutte le sue componenti interne, dall’azione usurante delle condizioni ambientali. Scopo principale di un’incapsulante fotovoltaico è quindi, riuscire a tutelare il funzionamento delle celle fotovoltaiche dagli stress atmosferici; dunque le principali proprietà che tale componente deve avere sono: elevata barriera contro l’ingresso di acqua, ossigeno o altri gas; elevate proprietà ottiche, ovvero di trasparenza nel dominio del visibile (per evitare un abbassamento del rendimento delle celle fotovoltaiche le quali in condizioni di una non adeguata trasparenza non riuscirebbero ad incamerare una sufficiente energia irradiata dal sole per poi convertirla); una buona adesione con le altre componenti del modulo, quali le celle ed i vetri esterni, al fine di evitare delaminazione e/o ingresso di umidità. In questo lavoro si è provveduto alla formulazione e caratterizzazione di materiali alternativi per l’incapsulamento fotovoltaico, avendo come base di riferimento i materiali attualmente in uso. A tal proposito si è cercato di migliorare le prestazioni di tali materiali, creando delle miscele polimeriche contenenti agenti reticolati e additivi utili allo scopo. Dallo studio della bibliografia e dall’esperienza del tutor aziendale, si sono evinte due problematiche ricorrenti: la prima è dovuta all’ingiallimento dell’incapsulante sottoposto all’azione dell’irraggiamento, che se troppo precoce abbassa notevolmente le prestazioni dell’intero modulo; la seconda è dovuta alla delaminazione dei moduli nel corso della loro vita utile. Dunque, si è cercato di trovare una soluzione a tali problematiche, le quali, se risolte, porterebbero ad un notevole incremento delle prestazioni e ad una maggiore durata nel tempo dei dispositivi. Nel primo capitolo di questa tesi di dottorato si è voluto inserire qualche riferimento storico riguardante gli inizi dello sviluppo della tecnologia Fotovoltaica, fino ad arrivare alla tecnologia dei moduli bifacciali ad etero-giunzione di silicio amorfo e cristallino prodotta dalla 3 SUN S.r.l. in collaborazione con ENEL GREEN POWER. A seguire, nel secondo capitolo, verranno riportati degli studi che ci sono in letteratura, riguardanti gli attuali incapsulanti fotovoltaici, quelli che si sono adoperati in passato e che sono stati sostituiti con nuove tecnologie, alle volte non più performanti ma di sicuro più economiche; i processi di laminazione dei moduli fotovoltaici, nonché le problematiche tecniche legate ad essi. Gli ultimi capitoli della tesi riportano i risultati sperimentali ottenuti, relativi alla formulazione dei materiali, alle tecniche di lavorazione e di caratterizzazione ed infine, le conclusioni alle quali si è giunti.

L’obiettivo di questo elaborato è creare e raccogliere una serie di dati e conoscenze relative alle strutture lattice, tramite un lavoro di ricerca su testi affini alla materia e online su siti specializzati, al fine di offrire un documento riassuntivo di tutti i punti focali indispensabili nello studio di simulazioni numeriche a compressione di strutture lattice. Altra parte del lavoro consiste nel creare, attraverso le esperienze acquisite man mano, una serie di passaggi, analizzati singolarmente in un software commerciale agli elementi finiti, da effettuare per importare progetti, inserire materiali, analizzare la qualità, impostare coordinate di riferimento, valutare i giusti parametri, allo scopo di offrire un documento specializzato da cui partire per effettuare valutazioni numeriche a compressione di strutture di qualunque tipo. L’ultimo obiettivo è capire quali sono i parametri più influenti nell’analisi di due strutture lattice, sottoposte a prove di compressione assiale a buckling, risultato di fondamentale importanza, che va a contribuire alla validazione di risultati già ottenuti da aziende e laureandi, un macro lavoro che sta riguardando, in tempi recenti, lo sviluppo di tali strutture in campo ingegneristico aerospaziale, civile e biomedico.

Il compound a matrice poliolefinica studiato è un materiale espandibile e reticolabile, usato per la produzione di manufatti espansi a celle chiuse mediante stampaggio ad iniezione. In questo progetto di tesi il compound viene studiato dal punto di vista reologico, per cercare di prevedere il grado di espansione del manufatto stampato. La correlazione tra l’analisi reometrica e il coefficiente di espansione del manufatto finale potrebbe essere sfruttata per un controllo di qualità del materiale, permettendo così di prevedere il comportamento e le dimensioni finali del manufatto prima dello stampaggio. Lo scopo dello studio è quello di prevedere le dimensioni del manufatto finale partendo da un campione derivante dai granuli del compound a matrice poliolefinica. La prima parte dello studio si concentra sull’analisi del materiale in condizioni ideali, cioè campioni che contengono solo agente reticolante e campioni che contengono esclusivamente agente espandente, valutando l’influenza di questi additivi singolarmente. La seconda parte si concentra sull’analisi del materiale in condizioni reali, co-presenza di reticolante ed espandente, e sulla ricerca di una correlazione tra le analisi reometriche e il coefficiente di espansione. L’ultima parte dello studio si focalizza sull’applicazione di un metodo di previsione lineare delle dimensioni di manufatti stampati, partendo da mescole incognite. Le tecniche di analisi impiegate spaziano da quelle termogravimetriche (TGA), calorimetriche (DSC) a quelle reometriche sui provini derivanti dai granuli, mentre sui campioni stampati sono state eseguite prove dimensionali, prove di densità, prove di durezza (SHORE A e Ascker C) e prove di abrasione.

La presente tesi descrive il metodo e i risultati relativi alla progettazione e validazione sperimentale di una nuova struttura reticolare porosa per protesi vertebrali di tipo lombare. Fratture vertebrali, tumori spinali e deformità post-traumatiche comportano molto spesso la rimozione del corpo vertebrale danneggiato, nota come Total Vertebral Body Replacement (VBR). La ricostruzione della colonna vertebrale consiste in un’artrodesi spinale, dove un impianto vertebrale, denominato “gabbia”, viene inserito dopo una corpectomia totale in combinazione con un sistema di fissazione secondario. Tecniche di produzione additiva di recente sviluppo consentono la produzione di differenti strutture trabecolari in titanio ad elevata porosità (ad es. strutture giroidali), in grado di assicurare elevati livelli di fusione ossea e vascolarizzazione. Tuttavia, questi tipi di impianto mostrano numerose complicazioni, tra le quali contatti localizzati tra le placche terminali protesiche e le placche terminali vertebrali, e valori del modulo elastico della struttura molto elevati che aumentano il rischio di ipo-sollecitazione ossea (stress shelding) e i fenomeni di subsidenza della struttura. In questo lavoro, viene presentata un’originale struttura porosa per impianti ossei vertebrali trabecolari. Il lavoro si focalizza sulla progettazione e la convalida sperimentale di una nuova struttura in titanio in stampa 3D, che ha lo scopo di incrementare la durata a fatica dell’impianto, e allo stesso tempo, ottenere proprietà meccaniche simili a quelle dell’osso trabecolare umano. La soluzione proposta è un’innovativa struttura in metamateriale reticolare biocompatibile composta da una geometria a cubi auxetici altamente porosa che presenta un valore del coefficiente di Poisson negativo. La definizione della struttura ottimale si basa su un processo di progettazione efficiente e robusto che considera le problematiche operative in fase di resezione del corpo vertebrale e le sollecitazioni critiche che agiscono lungo il tratto spinale. Allo scopo di valutare la risposta strutturale del sistema per differenti configurazioni dell’architettura proposta, vengono utilizzati modelli 2D e 3D agli elementi finiti della struttura. L’ottimizzazione identifica specifiche combinazioni dei parametri geometrici della struttura auxetica in grado di ridurre la tensione massima sul sistema per deformazioni fino al 3% della struttura. Al fine di verificare la risposta strutturale della soluzione proposta, è stato realizzato un prototipo della geometria in lega di titanio (Ti6Al4V ELI) tramite la tecnica di stampa 3D a sinterizzazione laser DMLS, eseguendo una prova di compressione statica sul provino e monitorando il campo degli spostamenti con un sistema di correlazione d’immagini digitale (DIC). I risultati sperimentali confermano le previsioni numeriche in termini di coefficiente di Poisson e caratteristiche meccaniche. Confrontando la soluzione proposta con le strutture presenti in letteratura, si nota una notevole riduzione delle sollecitazioni puntuali sul sistema poroso con eccellenti proprietà elastiche in combinazione con una buona facilità di realizzazione.
This thesis describes the method and the results of the design and experimental validation of a new porous lattice structure for a lumbar vertebral prosthesis. Unstable vertebral body compression fractures, spinal tumors and post-traumatic deformities require a total vertebral body replacement (VBR). The reconstruction of the vertebral segment consists of a spinal arthrodesis, where a vertebral implant, also called cage, is inserted after a total corpectomy in combination with an internal spinal fixation device. Recently developed additive manufacturing techniques allow the production of titanium biomaterials (i.e. gyroid lattice structures) with interconnected porosity which ensures high tissue ingrowth and vascularization. However, these implants show several complications, including a localized contact between prosthetic and vertebral endplates, and higher modulus of elasticity which increases stress shielding and potential subsidence. In this work, a novel porous lattice structure was developed for human cancellous bone vertebral implants. The work focuses on the design and experimental validation of a new 3D printed titanium-based lattice structure, with the aims to improve fatigue life resistance and, at the same time, to achieve similar mechanical properties to that of the human trabecular bone. The proposed solution is an innovative meta-biomaterials that consists of a high porous auxetic rotating cubes geometry with negative value of Poisson’s ratio. The structural design of this structure is based on an efficient and robust design process, which considers the most critical factors of the vertebral body resection and the lumbar spinal fatigue loading. In order to evaluate the mechanical response of the VBR lattice structure for different rotating auxetic configurations, 2D and 3D finite element models of the system were used. The optimization identified some peculiar configurations of the auxetic lattice system that can reduce the maximum stresses for global strains up to 3%. To assess the structural response of the proposed architecture, we manufactured a prototype in titanium alloy material (Ti6Al4V ELI) through the direct metal laser sintering (DMLS) 3D-printing technique and performed a compressive test by measuring the displacement field of the specimen through a digital imagine correlation (DIC). The experimental results confirmed the numerical predictions in terms of Poisson’s ratio and mechanical properties. By comparing the proposed solution with the actual VBR lattice structures from the literature, it appears a noticeable stress reduction with improved elastic properties combined with an easy manufacturing.