Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Energetica e Gestionale - Tesi di Dottorato

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Questa collezione raccoglie le Tesi di Dottorato afferenti al Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Energetica e Gestionale dell'Università della Calabria.

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    Development and characterization of advanced ceramic materials
    (2017-06-29) Lamuta, Caterina; Furgiuele, Franco; Pagnotta, Leonardo
    Il presente lavoro di tesi è incentrato sullo sviluppo e la caratterizzazione di materiali ceramici avanzati. In particolare, tre diversi materiali sono stati prodotti e analizzati, e i risultati ottenuti sono stati presentati in tre differenti capitoli. Il primo capitolo si focalizza sullo studio di rivestimenti ceramici nanostrutturati di zirconia parzialmente stabilizzata con yttria (YSZ), realizzati mediante un processo di Air Plasma Spray (APS). Tali rivestimenti sono stati prodotti presso il centro ricerche ENEA di Brindisi e sono stati caratterizzatti nei laboratori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università della Calabria. L’obiettivo dell’attività di ricerca svolta è stato quello di analizzare l’influenza di alcuni parametri di processo sulle proprietà microstrutturali, meccaniche e tribologiche dei suddetti rivestimenti. E’ stato dimostrato che, modificando in maniera opportuna tali parametri, è possibile controllare la percentuale di aree nanostrutturate contenute all’interno del materiale e quindi conferire al rivestimento proprietà differenti. In tal modo si possono quindi ingegnerizzare tali rivestimenti in funzione dei diversi campi di applicazione, che spaziano dalle produzione di barriere termiche a quella di rivestimenti abradibili, utilizzati per ridurre i flussi di bypass tra le pale e lo statore dei motori a turbina degli aerei. La microstruttura dei rivestimenti prodotti è stata analizzata mediante acquisizioni SEM (Scanning Electron Microscopy), mentre per la caratterizzazione meccanica e ad usura sono stati realizzati test di indentazione e test tribologici, rispettivamente. Mentre la zirconia può essere considerata un materiale ceramico avanzato ben noto, il materiale analizzato all’interno del secondo capitolo, una malta geopolimerica a base di metacaolino, è presentato come materiale ceramico avanzato per la prima volta nel presente lavoro di tesi. Tale materiale è stato interamente prodotto e caratterizzato presso i laboratori di Ingegneria Meccanica e Chimica dell’Università della Calabria. I geopolimeri sono materiali ceramici consolidati a freddo, ottenuti dall’attivazione alcalina di precursori alluminosilicati. Tali materiali, sviluppati nel 1970 come alternativa al cemento Portland, pur essendo più ecosostenibili rispetto a quest’ultimo presentano proprietà meccaniche e applicazioni simili a quelle del comune cemento. Non trovando impiego nell’ambito di applicazioni high-tech, i geopolimeri sono sempre stati annoverati tra i materiali ceramici tradizionali. La scoperta di un effetto piezoelettrico diretto all’interno di tali materiali, proposta per la prima volta nella presente trattazione, ha però il potere di trasformare i geopolimeri in materiali ceramici avanzati. Nuove ed interessanti applicazioni derivano infatti da questa scoperta, sia nell’ambito della sensoristica che in quello dell’ energy harvesting. In particolare, è stato proposto un nuovo modello chimico-fisico per la descrizione dell’effetto piezoelettrico osservato all’interno dei geopolimeri. Per la prima volta l’attività piezoelettrica è stata ricondotta ad un fenomeno di mobilità ionica anziché alla deformazione di una struttura cristallina non centro-simmetrica. Il coefficiente di carica misurato per le malte geopolimeriche prodotte varia da 4 pC/N a 40 pC/N, in base alla quantità di acqua contenuta all’interno del materiale. Oltre alla caratterizzazione piezoelettrica, sono state proposte anche una caratterizzazione piezoresistiva e meccanica. Quest’ultima in particolare, è stata condotta a diverse scale. Per la caratterizzazione alla nano e alla micro scala, sono state realizzate prove di indentazione, mentre per la caratterizzazione alla macroscale, è stata sviluppata ed ottimizzata una nuova metodologia, caratterizzata dalla combinazione della correlazione digitale delle immagini (DIC) e del Brazilian Disk Test. Il coefficiente piezoelettrico misurato per le malte geopolimeriche prodotte risulta essere sufficientemente elevato per applicazioni sensoristiche; tuttavia, alcune applicazioni, soprattutto nell’ambito dell’ energy harvesting, richiedono spesso coefficienti più elevati. Con lo scopo di incrementare le prestazioni elettro-meccaniche dei geopolimeri analizzati, si è deciso di utilizzare nanoplatelets di grafene (GNPs) come fillers all’interno delle malte prodotte. I risultati relativi alla produzione e alla caratterizzazione chimica, meccanica, ed elettromeccanica di tali nanocompositi sono stati presentati all’interno del terzo ed ultimo capitolo. Mentre l’aggiunta di GNPs sembra non aver modificato in maniera incisiva le proprietà meccaniche dei geopolimeri, sono stati misurati promettenti incrementi del gauge factor e del coefficiente piezoelettrico (pari al 20% e al 198%, rispettivamente) in seguito all’aggiunta dell’1% in peso di grafene. Ulteriori analisi sono tuttavia necessarie per la formulazione di un modello fisico in grado di chiarire il ruolo del grafene nell’ambito dell’attività elettro-meccanica dei geopolimeri. Nella seconda parte del terzo capitolo, alcuni isolanti topologici (Bi2Te3, Bi2Se3 e SnSe) sono stati proposti come nanofillers alternativi per l’incremento delle performances elettro-meccaniche dei geopolimeri. Gli isolanti topologici, noti anche come “graphene like materials”, pur essendo semiconduttori nel bulk, sono caratterizzati da un’eccellente conducibilità elettrica in superficie, paragonabile a quella del grafene. Rispetto a quest’ultimo inoltre, presentano una conducibilità priva di dissipazioni in presenza di difetti superficiali e possono essere prodotti tramite processi relativamente economici. La conoscenza delle proprietà meccaniche di tali materiali è tuttavia estremamente limitata e i pochi lavori presenti in letteratura sono quasi interamente di carattere teorico e computazionale. A tal proposito, il Bi2Te3, il Bi2Se3 e lo SnSe sono stati caratterizzati mediante prove di indentazione strumentata e simulazioni DFT (Density Functional Theory), tenendo in considerazione l’anisotropia meccanica che tali materiali presentano. I risultati ottenuti sono di fondamentale importanza per tutti gli studi futuri incentrati sulla produzione e la caratterizzazione di nanocompositi geopolimerici rinforzati con nanofillers di Bi2Te3, Bi2Se3 e SnSe. “Ingegnerizzare”, “concepire” e “migliorare” un materiale ceramico avanzato sono quindi i tre differenti approcci proposti all’interno dei tre differenti capitoli del presente lavoro di tesi.
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    Integrazione di tecniche ottiche e acustiche di imaging 3D in ambiente subacqueo
    (2015-12-16) Lagudi, Antonio; Pagnotta, Leonardo; Rizzuti, Sergio; Bruno, Fabio
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    Ship bridge simulators for training in maritime domain
    (2015-12-16) Chiurco, Alessandro; Pagnotta, Leonardo; Longo, Francesco
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    Nuove tecnologie per la climatizzazione. Solar heating and cooling e pompe di calore a R744 (CO2). Analisi sperimentale
    (2015-12-16) Rovella, Paola; Pagnotta, Leonardo; Oliveti, Giuseppe; Calabrese, Nicolandrea
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    Process design optimization based on metamodeling and metaheuristic techniques
    (2015-12-16) Ciancio, Claudio; Pagnotta, Leonardo; Ambrogio, Giuseppina
    This dissertation explores the use of mathematical and statistical tools to analyze, control and optimize manufacturing processes. Table 8.1 summarizes the topics analyzed and the contributions of this dissertation. The main topic discussed in this thesis is related to the features that have to be taken into account to select, according to the analyzed process: 1. the metamodel technique; 2. the sampling strategy; 3. the optimization algorithm All these problems were analyzed from two di erent point of views. Attacking the problems from a Computer Science angle has led to the development of a general version of the methodologies. In contrast, it is also crucial to analyze the process from a mechanical point of view trying to detect peculiarities that may simplify the computational e ort to solve the problem making use of the available knowledge. Chapter 2 provides a brief introduction of the most used approaches to de ne input-output relationships. It is pointed out that each technique is a ected by many limitations that could signi cantly a ect the accuracy of the model under certain conditions.Table 8.1: Dissertation Contributions. Chapter Theory Applications Chapter 1 Introduction, research statement and scope of the thesis Chapter 2 Machine learning techniques introduction Impression die forging Chapter 3 Heuristic technique to optimize neural network performance Extrusion, rolling and shearing Chapter 4 Kriging metamodel for mixed continuous/discrete problems Incremental sheet forming: thickness distributon Chapter 5 Manufacturing processes problem modeling Incremental sheet forming: temperature prediction Chapter 6 Adaptive KPI prediction based on response surface projection through similarity function Remote laser welding Chapter 7 Multi Objective Techniques. Development of a GDE3 based algorithm. Porthole extrusion Chapter 3 discusses the use of heuristic algorithms to solve these limitations. Di erent techniques were developed to improve the performance of a neural network metamodel. In particular three heuristics were developed and used to: 1. select the network architecture; 2. select the starting weights; 3. reduce the training time through an hybrid algorithm (simulated annealing+ backpropagation) Chapter 4 presents a novel kriging metamodel to solve problem characterized by both continuous and discrete variables. The model was coupled with a customized sampling strategy to reduce the number of experiments to reach a required accuracy. Typically, a speci c DoE method is most suitable in combination with each individual metamodel formulation. The proposed designs try to maximize a space- lling property. This feature assures a balanced predictive performance of the approximation model throughout the investigated model space. To collect training data e ciently, the locations for sampling points have to be chosen systematically thus assuring a maximum gain in information with minimal e ort. In particular the space lling criterion was considered only around a feasible region denoted as process window. Chapter 5 discuss the use of customized model based on prior knowledge of the process. According to that chapter 6 presents a new methodology with which a metamodel is developed making use of qualitative knowledge and/or historical data on similar problems. The metamodel try to iteratively develop new response surfaces through a geometrical projection based on a similarity function. Finally chapter 7 discuss the use of evolutionary algorithm to solve multi objective problems making use of the previous developed metamodel. To conclude, it is believed that this dissertation explores machine learning and optimization techniques for manufacturing from many angles, and that several of the ideas presented here will be useful both in practice and for theoretic studies
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    Progettazione e prototipazione di dispositivi meccatronici per la gestione sostenibile dell'ecosistema marino
    (2015-12-16) Spadafora, Francesco; Pagnotta, Leonardo; Rizzuti, Sergio; Muzzupappa, Maurizio
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    Development, modeling and technical analysis of polymeric Fuel Cell propulsion systems for Hybrid Electric Vehicles
    (2015-12-16) De Luca, Domenico; Petronilla, Fragiacomo; Pagnotta, Leonardo
    Uno dei maggiori settori di consumo di petrolio e combustibili fossili è il settore dei trasporti. Questo comporta conseguenze negative per ciò che riguarda l’inquinamento ambientale ed i cambiamenti climatici. Le previsioni di un aumento mondiale del numero di veicoli a due ruote ed a quattro ruote, implicano una speciale attenzione per i combustibili alternativi e sostenibili dal punto di vista ambientale. In questo contesto l’idrogeno gioca un ruolo chiave. Le celle a combustibile, infatti, ad elettrolita polimerico si presentano come la più promettente tecnologia nel lungo periodo per produrre energia a bordo dei veicoli. Tale tecnologia trova applicazione nei veicoli ibridi in cui i flussi energetici sono ottimizzati. L’attività di ricerca svolta ha avuto come principale obiettivo l’analisi numerica di sistemi a propulsione innovativa equipaggiati con celle a combustibile. Questi studi sono stati condotti attraverso la definizione di modelli matematici di simulazione numerica in ambiente Matlab/Simulink®. I risultati consentono una dettagliata analisi delle celle a combustibile e delle configurazioni di veicoli ibridi con particolare riferimento ai flussi di potenza, al bilancio energetico, ai consumi, alla logica di controllo, all’umidificazione della membrana, al controllo termico, all’efficienza, ecc., al fine di dimensionare correttamente i vari componenti. L’utilizzo della simulazione numerica consente un’analisi più veloce ed economica rispetto alla realizzazione dei prototipi. Pertanto, essa può essere considerata come il primo passo nella progettazione e nella sperimentazione di questi veicoli. Il modello in Matlab/Simulink® consiste in un modello a blocchi dove i vari parametri operativi sono stimati in diverse condizioni operative nel rispetto di alcuni vincoli predefiniti. Le simulazioni sono svolte per diverse applicazioni per una vasta gamma di veicoli che comprendono veicoli a due ruote ed automobili di diversi segmenti per tragitti, definiti teoricamente, urbani, misti ed extra-urbani. Nel caso specifico di una veicolo a due ruote, derivato da una bicicletta elettrica con l’aggiunta di una cella a combustibile, i cicli di guida presi in considerazione non sono teorici, ma reali, in quanto ottenuti direttamente tramite misurazioni a bordo del veicolo
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    Progettazione integrata mediante metodologie CAx di dispositivi per lo sfruttamento di energia da fonti rinnovabili
    (2016-12-16) Perrone, Andrea; Pagnotta, Leonardo; De Napoli, Luigi
    Lo studio di una turbina eolica è un perfetto esempio di progetto in cui è richiesto un team di progettazione interdisciplinare, infatti per un tale progetto sono necessari progettisti meccanici, strutturali e CFD. Inoltre, negli ultimi anni, il Multi Domain Design è stato sostenuto dal continuo sviluppo di software per la computer-aided design: l'obiettivo finale è quello di proporre gli strumenti che assistono il progettista in tutte le fasi del progetto. Il Multi Domain design, illustrato in questo elaborato, è basato su come progettare dispositivi che permettono lo sfruttamento delle energie rinnovabili in cui c'è lo spostamento di fluido, e non si tratta né di gestione dei processi e né della producibilità. In particolare, sarà posta enfasi sull'integrazione tra CAD e software matematico di tipo generale e sull'integrazione CAD-CAE.
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    Lean management practices applied to system healthcare facilities
    (2015-12-16) Calogero, Antonio; Pagnotta, Leonardo; Longo, Francesco
    This thesis concerns the results of a simulation study that has involved the Surgical Department and Intensive Care Unit of a public healthcare facility located in South Italy. After a preliminary work devoted to map the processes and after data collection and analysis, Lean Tools have been studied before and simulation models have been developed after. The models, that have been validated by stakeholders and through comparison with real data, can be used for evaluating actual and maximum capacities but also for testing alternative scenarios before the implementation in the real system. Moreover, thanks to the model parametrization, the proposed tools can be easily adopted in other similar facilities or for evaluating different configurations in terms of resources allocation and availability. In addition, the simulation models have been equipped with build-in functions implementing the “pull method” and "kanban" from Lean Management practices showing that substantial performance improvements can be achieved . The most healthcare organizations push patients from one area to another, from wards to operating blocks, without knowing when the patient will be treated. Instead, according the pull method, thanks to a definitive scheduling and some basic preconditions such as continuous checking and resources availability, patients are pulled when they are actually needed and as a result wastes are reduced and productivity is enhanced. The effects of the pull method implementation are accurately investigated in the simulated environment that has served as playground to assess the potential impact of the proposed approach. Regarding Intensive Care Unit, the staff works under enormous stress and the workload has continued to increase during the last years. Usually this type of environment creates an atmosphere of frustration and anxiety for all staff due to particulars conditions of patients. In this particular scenario, the Intensive Care Unit team that we presented in this research work was introduced to the results of the simulation and to the Lean concepts through dedicated training courses. The Lean methods and tools as well as simulation results were successfully transferred to the real system with a relevant increase of the overall performances. The implementation of Lean methods and tools can help any organization to launch its Lean transformation and improvement. This is even more important for Hospitals that cannot continue to operate as they have done in the past. The hospitals need to ensure their processes with much more value added work and such work must be totally directed on patients.