Lo scopo di questo lavoro è sviluppare un processo di lavorazione laser automatizzato con elevata precisione dimensionale e costi di processo predeterminati.Questo lavoro include l'analisi dei modelli di previsione delle dimensioni e dei costi per la fabbricazione laser di microcanali Nd:YVO4 interni in PMMA e la lavorazione laser interna del policarbonato per la fabbricazione di dispositivi microfluidici.Per raggiungere questi obiettivi del progetto, ANN e DoE hanno confrontato le dimensioni e il costo dei sistemi laser CO2 e Nd:YVO4.È implementata un'implementazione completa del controllo del feedback con precisione submicronica del posizionamento lineare con feedback dall'encoder.In particolare, l'automazione della radiazione laser e del posizionamento del campione è controllata dall'FPGA.La conoscenza approfondita delle procedure operative e del software del sistema Nd:YVO4 ha consentito di sostituire l'unità di controllo con un controller di automazione programmabile (PAC) Compact-Rio, operazione completata nella fase di posizionamento 3D con feedback ad alta risoluzione degli encoder submicronici LabVIEW Code Control .La completa automazione di questo processo nel codice LabVIEW è in fase di sviluppo.Il lavoro attuale e futuro include misurazioni dell'accuratezza dimensionale, precisione e riproducibilità dei sistemi di progettazione e relativa ottimizzazione della geometria dei microcanali per la fabbricazione di dispositivi su chip microfluidici e da laboratorio per applicazioni chimiche/analitiche e scienza della separazione.
Numerose applicazioni di parti stampate in metallo semiduro (SSM) richiedono eccellenti proprietà meccaniche.Eccellenti proprietà meccaniche come resistenza all'usura, elevata resistenza e rigidità dipendono dalle caratteristiche microstrutturali create dalla dimensione della grana ultrafine.Questa dimensione del grano dipende solitamente dalla lavorabilità ottimale dell'SSM.Tuttavia, i getti SSM spesso contengono porosità residua, che è estremamente dannosa per le prestazioni.In questo lavoro verranno esplorati gli importanti processi di stampaggio di metalli semiduri per ottenere parti di qualità superiore.Queste parti dovrebbero avere una porosità ridotta e caratteristiche microstrutturali migliorate, tra cui granulometria ultrafine e distribuzione uniforme dei precipitati indurenti e della composizione di microelementi leganti.In particolare verrà analizzata l'influenza del metodo di pretrattamento tempo-temperatura sullo sviluppo della microstruttura desiderata.Verranno studiate le proprietà risultanti dal miglioramento della massa, come l'aumento della resistenza, della durezza e della rigidezza.
Questo lavoro è uno studio sulla modifica laser della superficie dell'acciaio per utensili H13 utilizzando una modalità di lavorazione laser pulsato.Il piano di screening sperimentale iniziale effettuato ha portato ad un piano dettagliato più ottimizzato.Viene utilizzato un laser ad anidride carbonica (CO2) con una lunghezza d'onda di 10,6 µm.Nel piano sperimentale dello studio sono stati utilizzati spot laser di tre diverse dimensioni: 0,4, 0,2 e 0,09 mm di diametro.Altri parametri controllabili sono la potenza di picco del laser, la velocità di ripetizione degli impulsi e la sovrapposizione degli impulsi.Il gas Argon ad una pressione di 0,1 MPa aiuta costantemente la lavorazione laser.Il campione H13 è stato irruvidito e inciso chimicamente prima della lavorazione per aumentare l'assorbimento superficiale alla lunghezza d'onda del laser CO2.I campioni trattati con laser sono stati preparati per studi metallografici e le loro proprietà fisiche e meccaniche sono state caratterizzate.Gli studi metallografici e le analisi della composizione chimica sono stati eseguiti utilizzando la microscopia elettronica a scansione in combinazione con la spettrometria a raggi X a dispersione di energia.La cristallinità e il rilevamento della fase della superficie modificata sono stati eseguiti utilizzando un sistema XRD con radiazione Cu Kα e una lunghezza d'onda di 1,54 Å.Il profilo della superficie viene misurato utilizzando un sistema di profilatura a stilo.Le proprietà di durezza delle superfici modificate sono state misurate mediante microindentazione del diamante Vickers.L'influenza della ruvidità superficiale sulle proprietà di fatica delle superfici modificate è stata studiata utilizzando un sistema di fatica termica appositamente realizzato.È stato osservato che è possibile ottenere grani superficiali modificati con dimensioni ultrafini inferiori a 500 nm.Sui campioni H13 trattati con laser è stata ottenuta una profondità superficiale migliorata nell'intervallo da 35 a 150 µm.La cristallinità della superficie modificata H13 è significativamente ridotta, il che è associato ad una distribuzione casuale dei cristalliti dopo il trattamento laser.La rugosità superficiale media minima corretta di H13 Ra è 1,9 µm.Un'altra scoperta importante è che la durezza della superficie H13 modificata varia da 728 a 905 HV0,1 a diverse impostazioni del laser.È stata stabilita una relazione tra i risultati della simulazione termica (velocità di riscaldamento e raffreddamento) e i risultati della durezza per comprendere ulteriormente l'effetto dei parametri laser.Questi risultati sono importanti per lo sviluppo di metodi di indurimento superficiale per migliorare la resistenza all’usura e i rivestimenti di schermatura termica.
Proprietà di impatto parametrico di palloni sportivi solidi al fine di sviluppare nuclei tipici per lo sliotar GAA
L'obiettivo principale di questo studio è caratterizzare il comportamento dinamico del nucleo dello sliotar all'impatto.Le caratteristiche viscoelastiche della palla sono state valutate per un intervallo di velocità di impatto.Le moderne sfere polimeriche sono sensibili alla velocità di deformazione, mentre le tradizionali sfere multicomponente dipendono dalla deformazione.La risposta viscoelastica non lineare è definita da due valori di rigidezza: rigidezza iniziale e rigidezza apparente.Le palline tradizionali sono 2,5 volte più rigide delle palline moderne, a seconda della velocità.Il tasso più rapido di aumento della rigidità delle sfere convenzionali si traduce in un COR più non lineare rispetto alla velocità rispetto alle sfere moderne.I risultati della rigidezza dinamica mostrano un'applicabilità limitata dei test quasi-statici e delle equazioni della teoria della molla.Un'analisi del comportamento della deformazione sferica mostra che lo spostamento del baricentro e la compressione diametrale non sono coerenti per tutti i tipi di sfere.Attraverso estesi esperimenti di prototipazione, è stato studiato l'effetto delle condizioni di produzione sulle prestazioni della palla.I parametri di produzione di temperatura, pressione e composizione del materiale variavano per produrre una gamma di sfere.La durezza del polimero influenza la rigidità ma non la dissipazione di energia, aumentando la rigidità aumenta la rigidità della palla.Gli additivi nucleanti influenzano la reattività della palla, un aumento della quantità di additivi porta ad una diminuzione della reattività della palla, ma questo effetto è sensibile al tipo di polimero.L'analisi numerica è stata eseguita utilizzando tre modelli matematici per simulare la risposta della palla all'impatto.Il primo modello si è rivelato in grado di riprodurre solo in misura limitata il comportamento della pallina, nonostante fosse stato precedentemente utilizzato con successo su altri tipi di palloni.Il secondo modello ha mostrato una rappresentazione ragionevole della risposta all’impatto della palla che era generalmente applicabile a tutti i tipi di palla testati, ma la precisione della previsione della risposta forza-spostamento non era così elevata come sarebbe richiesta per un’implementazione su larga scala.Il terzo modello ha mostrato una precisione significativamente migliore durante la simulazione della risposta della palla.I valori di forza generati dal modello per questo modello sono coerenti al 95% con i dati sperimentali.
Questo lavoro ha raggiunto due obiettivi principali.Uno è la progettazione e produzione di un viscosimetro capillare ad alta temperatura, mentre il secondo è la simulazione del flusso di metalli semisolidi per assistere nella progettazione e fornire dati a scopo di confronto.Per i test iniziali è stato costruito e utilizzato un viscosimetro capillare ad alta temperatura.Il dispositivo verrà utilizzato per misurare la viscosità dei metalli semiduri in condizioni di alte temperature e velocità di taglio simili a quelle utilizzate nell'industria.Il viscosimetro capillare è un sistema a punto singolo in grado di calcolare la viscosità misurando il flusso e la caduta di pressione attraverso il capillare, poiché la viscosità è direttamente proporzionale alla caduta di pressione e inversamente proporzionale al flusso.I criteri di progettazione includono requisiti per temperature ben controllate fino a 800ºC, velocità di taglio dell'iniezione superiori a 10.000 s-1 e profili di iniezione controllati.Un modello teorico bidimensionale bifase dipendente dal tempo è stato sviluppato utilizzando il software FLUENT per la fluidodinamica computazionale (CFD).Questo è stato utilizzato per valutare la viscosità dei metalli semisolidi mentre passano attraverso un viscosimetro capillare progettato a velocità di iniezione di 0,075, 0,5 e 1 m/s.È stato inoltre studiato l'effetto di una frazione di solidi metallici (fs) compresa tra 0,25 e 0,50.Per l'equazione della viscosità basata sulla legge di potenza utilizzata per sviluppare il modello Fluent, è stata notata una forte correlazione tra questi parametri e la viscosità risultante.
Questo articolo indaga l'effetto dei parametri di processo sulla produzione di compositi a matrice metallica Al-SiC (MMC) in un processo di compostaggio batch.I parametri di processo studiati includevano velocità dell'agitatore, tempo dell'agitatore, geometria dell'agitatore, posizione dell'agitatore, temperatura del liquido metallico (viscosità).Sono state effettuate simulazioni visive a temperatura ambiente (25±C), simulazioni al computer e test di verifica per la produzione di MMC Al-SiC.Nelle simulazioni visive e al computer, acqua e glicerina/acqua sono state utilizzate per rappresentare rispettivamente l'alluminio liquido e semisolido.Sono stati studiati gli effetti delle viscosità di 1, 300, 500, 800 e 1000 mPa s e delle velocità di agitazione di 50, 100, 150, 200, 250 e 300 giri al minuto.10 rotoli per pezzo.Particelle SiC rinforzate al 100%, simili a quelle utilizzate nell'alluminio MMK, sono state utilizzate nei test di visualizzazione e computazionali.I test di imaging sono stati eseguiti in bicchieri di vetro trasparente.Le simulazioni computazionali sono state eseguite utilizzando Fluent (programma CFD) e il pacchetto opzionale MixSim.Ciò include la simulazione 2D assialsimmetrica multifase dipendente dal tempo dei percorsi di produzione utilizzando il modello euleriano (granulare).È stata stabilita la dipendenza del tempo di dispersione delle particelle, del tempo di sedimentazione e dell'altezza del vortice dalla geometria di miscelazione e dalla velocità di rotazione dell'agitatore.Per un agitatore con pale a °, un angolo delle pale di 60 gradi si è rivelato più adatto per ottenere rapidamente una dispersione uniforme delle particelle.Come risultato di questi test si è riscontrato che per ottenere una distribuzione uniforme del SiC la velocità di agitazione era di 150 giri al minuto per il sistema acqua-SiC e di 300 giri al minuto per il sistema glicerolo/acqua-SiC.Si è scoperto che l'aumento della viscosità da 1 mPa·s (per metallo liquido) a 300 mPa·s (per metallo semisolido) ha avuto un impatto enorme sulla dispersione e sul tempo di deposizione del SiC.Tuttavia, un ulteriore aumento da 300 mPa·s a 1000 mPa·s ha scarso effetto su questo tempo.Una parte significativa di questo lavoro comprendeva la progettazione, la costruzione e la validazione di una macchina di colata a indurimento rapido dedicata per questo metodo di trattamento ad alta temperatura.La macchina è composta da un agitatore a quattro pale piane inclinate di 60 gradi e da un crogiolo in una camera del forno con riscaldamento resistivo.L'installazione include un attuatore che estingue rapidamente la miscela lavorata.Questa apparecchiatura viene utilizzata per la produzione di materiali compositi Al-SiC.In generale, è stato riscontrato un buon accordo tra visualizzazione, calcolo e risultati dei test sperimentali.
Esistono molte diverse tecniche di prototipazione rapida (RP) che sono state sviluppate per un uso su larga scala principalmente nell'ultimo decennio.I sistemi di prototipazione rapida oggi disponibili in commercio utilizzano una varietà di tecnologie che utilizzano carta, cera, resine fotopolimerizzabili, polimeri e nuove polveri metalliche.Il progetto prevedeva un metodo di prototipazione rapida, Fused Deposition Modeling, commercializzato per la prima volta nel 1991. In questo lavoro è stata sviluppata e utilizzata una nuova versione del sistema per la modellazione mediante rivestimento di superfici utilizzando la cera.Questo progetto descrive la progettazione di base del sistema e il metodo di deposizione della cera.Le macchine FDM creano parti estrudendo materiale semifuso su una piattaforma secondo uno schema predeterminato attraverso ugelli riscaldati.L'ugello di estrusione è montato su una tavola XY controllata da un sistema informatico.In combinazione con il controllo automatico del meccanismo dello stantuffo e della posizione del dosatore, vengono prodotti modelli accurati.Singoli strati di cera vengono impilati uno sopra l'altro per creare oggetti 2D e 3D.Sono state analizzate anche le proprietà della cera per ottimizzare il processo produttivo dei modelli.Questi includono la temperatura di transizione di fase della cera, la viscosità della cera e la forma della goccia di cera durante la lavorazione.
Negli ultimi cinque anni, i gruppi di ricerca della Divisione Science Cluster della City University Dublin hanno sviluppato due processi di microlavorazione laser in grado di creare canali e voxel con una risoluzione riproducibile su scala micron.Il focus di questo lavoro è sull'uso di materiali personalizzati per isolare le biomolecole bersaglio.Il lavoro preliminare dimostra che è possibile creare nuove morfologie di miscelazione capillare e canali superficiali per migliorare le capacità di separazione.Questo lavoro si concentrerà sull'applicazione degli strumenti di microlavorazione disponibili per progettare geometrie e canali superficiali che forniranno una migliore separazione e caratterizzazione dei sistemi biologici.L'applicazione di questi sistemi seguirà l'approccio lab-on-a-chip per scopi biodiagnostici.I dispositivi realizzati utilizzando questa tecnologia sviluppata verranno utilizzati su un chip nel laboratorio microfluidico del progetto.L'obiettivo del progetto è utilizzare tecniche di progettazione sperimentale, ottimizzazione e simulazione per fornire una relazione diretta tra i parametri di elaborazione laser e le caratteristiche dei canali su scala micro e nanometrica e utilizzare queste informazioni per migliorare i canali di separazione in queste microtecnologie.I risultati specifici del lavoro includono: progettazione del canale e morfologia della superficie per migliorare la scienza della separazione;fasi monolitiche di pompaggio ed estrazione in trucioli integrati;separazione di biomolecole target selezionate ed estratte su chip integrati.
Generazione e controllo di gradienti di temperatura temporale e profili longitudinali lungo colonne LC capillari utilizzando array di Peltier e termografia a infrarossi
È stata sviluppata una nuova piattaforma a contatto diretto per il controllo accurato della temperatura delle colonne capillari basata sull'uso di celle Peltier termoelettriche controllate individualmente disposte in serie.La piattaforma fornisce un controllo rapido della temperatura per colonne capillari e micro LC e consente la programmazione simultanea delle temperature temporali e spaziali.La piattaforma funziona in un intervallo di temperature compreso tra 15 e 200°C con una velocità di rampa di circa 400°C/min per ciascuna delle 10 celle Peltier allineate.Il sistema è stato valutato per diverse modalità di misurazione non standard basate su capillari, come l'applicazione diretta di gradienti di temperatura con profili lineari e non lineari, inclusi gradienti di temperatura della colonna statica e gradienti di temperatura temporale, gradienti precisi a temperatura controllata, capillare polimerizzato monolitico fasi stazionarie e fabbricazione di fasi monolitiche in canali microfluidici (su un chip).Lo strumento può essere utilizzato con sistemi cromatografici standard e su colonna.
Focalizzazione elettroidrodinamica in un dispositivo microfluidico planare bidimensionale per la preconcentrazione di piccoli analiti
Questo lavoro include la focalizzazione elettroidrodinamica (EHDF) e il trasferimento di fotoni per favorire lo sviluppo del pre-arricchimento e l'identificazione delle specie.L'EHDF è un metodo di focalizzazione a bilanciamento ionico basato sulla creazione di un equilibrio tra forze idrodinamiche ed elettriche, in cui gli ioni di interesse diventano stazionari.Questo studio presenta un nuovo metodo che utilizza un dispositivo microfluidico planare a spazio piatto 2D aperto 2D invece del sistema microcanale convenzionale.Tali dispositivi possono preconcentrare grandi quantità di sostanze e sono relativamente facili da produrre.Questo studio presenta i risultati di una simulazione recentemente sviluppata utilizzando COMSOL Multiphysics® 3.5a.I risultati di questi modelli sono stati confrontati con risultati sperimentali per testare le geometrie di flusso identificate e le aree ad alta concentrazione.Il modello microfluidico numerico sviluppato è stato confrontato con esperimenti pubblicati in precedenza e i risultati sono stati molto coerenti.Sulla base di queste simulazioni, è stato studiato un nuovo tipo di nave per fornire condizioni ottimali per l'EHDF.I risultati sperimentali utilizzando il chip hanno sovraperformato le prestazioni del modello.Nei chip microfluidici fabbricati è stata osservata una nuova modalità, chiamata EGDP laterale, in cui la sostanza in esame veniva focalizzata perpendicolarmente alla tensione applicata.Perché il rilevamento e l’imaging sono aspetti chiave di tali sistemi di pre-arricchimento e identificazione delle specie.Vengono presentati modelli numerici e verifica sperimentale della propagazione della luce e della distribuzione dell'intensità luminosa in sistemi microfluidici bidimensionali.Il modello numerico di propagazione della luce sviluppato è stato verificato sperimentalmente con successo sia in termini di percorso effettivo della luce attraverso il sistema che in termini di distribuzione dell'intensità, fornendo risultati che potrebbero essere di interesse per l'ottimizzazione dei sistemi di fotopolimerizzazione, nonché per i sistemi di rilevamento ottico utilizzando i capillari..
A seconda della geometria, le microstrutture possono essere utilizzate nelle telecomunicazioni, nella microfluidica, nei microsensori, nell'archiviazione di dati, nel taglio del vetro e nella marcatura decorativa.In questo lavoro è stata studiata la relazione tra le impostazioni dei parametri del sistema laser Nd:YVO4 e CO2 e la dimensione e la morfologia delle microstrutture.I parametri studiati del sistema laser includono potenza P, velocità di ripetizione dell'impulso PRF, numero di impulsi N e velocità di scansione U. Le dimensioni di uscita misurate includono diametri di voxel equivalenti, nonché larghezza, profondità e rugosità superficiale del microcanale.È stato sviluppato un sistema di microlavorazione 3D utilizzando un laser Nd:YVO4 (2,5 W, 1,604 µm, 80 ns) per fabbricare microstrutture all'interno di campioni di policarbonato.I voxel microstrutturali hanno un diametro compreso tra 48 e 181 µm.Il sistema fornisce inoltre una messa a fuoco precisa utilizzando obiettivi del microscopio per creare voxel più piccoli nell'intervallo da 5 a 10 µm in campioni di vetro sodo-calcico, silice fusa e zaffiro.Per creare microcanali nei campioni di vetro sodico-calcico è stato utilizzato un laser CO2 (1,5 kW, 10,6 µm, durata minima dell'impulso 26 µs).La forma della sezione trasversale dei microcanali variava ampiamente tra scanalature a V, scanalature a U e siti di ablazione superficiale.Anche le dimensioni dei microcanali variano molto: da 81 a 365 µm di larghezza, da 3 a 379 µm di profondità e la rugosità superficiale da 2 a 13 µm, a seconda dell'installazione.Le dimensioni dei microcanali sono state esaminate in base ai parametri di elaborazione laser utilizzando la metodologia della superficie di risposta (RSM) e la progettazione degli esperimenti (DOE).I risultati raccolti sono stati utilizzati per studiare l'effetto dei parametri di processo sulla velocità di ablazione volumetrica e di massa.Inoltre, è stato sviluppato un modello matematico del processo termico per aiutare a comprendere il processo e consentire di prevedere la topologia del canale prima della fabbricazione vera e propria.
Il settore della metrologia è sempre alla ricerca di nuovi modi per esplorare e digitalizzare in modo accurato e rapido la topografia superficiale, compreso il calcolo dei parametri di rugosità superficiale e la creazione di nuvole di punti (insiemi di punti tridimensionali che descrivono una o più superfici) per la modellazione o il reverse engineering.Esistono sistemi ottici e i sistemi ottici sono diventati sempre più popolari negli ultimi dieci anni, ma la maggior parte dei profilatori ottici sono costosi da acquistare e mantenere.A seconda del tipo di sistema, i profilatori ottici possono anche essere difficili da progettare e la loro fragilità potrebbe non essere adatta alla maggior parte delle applicazioni in officina o in fabbrica.Questo progetto riguarda lo sviluppo di un profilatore utilizzando i principi della triangolazione ottica.Il sistema sviluppato ha un'area del piano di scansione di 200 x 120 mm e un campo di misurazione verticale di 5 mm.Anche la posizione del sensore laser sopra la superficie target è regolabile di 15 mm.È stato sviluppato un programma di controllo per la scansione automatica delle parti e delle aree della superficie selezionate dall'utente.Questo nuovo sistema è caratterizzato dalla precisione dimensionale.L'errore coseno massimo misurato del sistema è 0,07°.La precisione dinamica del sistema è misurata a 2 µm sull'asse Z (altezza) e a circa 10 µm sugli assi X e Y.Il rapporto dimensionale tra le parti scansionate (monete, viti, rondelle e matrici di lenti in fibra) era buono.Verranno inoltre discussi i test del sistema, comprese le limitazioni del profiler e i possibili miglioramenti del sistema.
Lo scopo di questo progetto è sviluppare e caratterizzare un nuovo sistema ottico online ad alta velocità per l'ispezione dei difetti superficiali.Il sistema di controllo si basa sul principio della triangolazione ottica e fornisce un metodo senza contatto per determinare il profilo tridimensionale delle superfici diffuse.I componenti principali del sistema di sviluppo includono un laser a diodi, una fotocamera CMOS CCf15 e due servomotori controllati da PC.Il movimento del campione, l'acquisizione delle immagini e la profilazione della superficie 3D sono programmati nel software LabView.Il controllo dei dati acquisiti può essere facilitato creando un programma per il rendering virtuale di una superficie scansionata in 3D e calcolando i parametri di rugosità superficiale richiesti.I servomotori vengono utilizzati per spostare il campione nelle direzioni X e Y con una risoluzione di 0,05 µm.Il profilatore di superficie online senza contatto sviluppato può eseguire scansioni rapide e ispezioni superficiali ad alta risoluzione.Il sistema sviluppato viene utilizzato con successo per creare profili di superficie 2D automatici, profili di superficie 3D e misurazioni della rugosità superficiale sulla superficie di vari materiali campione.L'apparecchiatura di ispezione automatizzata ha un'area di scansione XY di 12 x 12 mm.Per caratterizzare e calibrare il sistema di profilazione sviluppato, il profilo superficiale misurato dal sistema è stato confrontato con la stessa superficie misurata utilizzando un microscopio ottico, un microscopio binoculare, AFM e Mitutoyo Surftest-402.
I requisiti di qualità dei prodotti e dei materiali utilizzati in essi stanno diventando sempre più esigenti.La soluzione a molti problemi di garanzia della qualità visiva (QA) è l'uso di sistemi di ispezione superficiale automatizzati in tempo reale.Ciò richiede una qualità del prodotto uniforme con una produttività elevata.Servono quindi sistemi in grado di testare materiali e superfici al 100% in tempo reale.Per raggiungere questo obiettivo, la combinazione della tecnologia laser e della tecnologia di controllo computerizzato fornisce una soluzione efficace.In questo lavoro è stato sviluppato un sistema di scansione laser senza contatto ad alta velocità, basso costo e alta precisione.Il sistema è in grado di misurare lo spessore di oggetti solidi opachi utilizzando il principio della triangolazione ottica laser.Il sistema sviluppato garantisce l'accuratezza e la riproducibilità delle misurazioni a livello micrometrico.
Lo scopo di questo progetto è progettare e sviluppare un sistema di ispezione laser per il rilevamento di difetti superficiali e valutarne il potenziale per applicazioni in linea ad alta velocità.I componenti principali del sistema di rilevamento sono un modulo a diodi laser come fonte di illuminazione, una telecamera ad accesso casuale CMOS come unità di rilevamento e uno stadio di traduzione XYZ.Sono stati sviluppati algoritmi per l'analisi dei dati ottenuti mediante la scansione di varie superfici del campione.Il sistema di controllo si basa sul principio della triangolazione ottica.Il raggio laser incide obliquamente sulla superficie del campione.La differenza nell'altezza della superficie viene quindi considerata come il movimento orizzontale del punto laser sulla superficie del campione.Ciò consente di effettuare misurazioni dell'altezza utilizzando il metodo della triangolazione.Il sistema di rilevamento sviluppato viene prima calibrato per ottenere un fattore di conversione che rifletterà la relazione tra lo spostamento del punto misurato dal sensore e lo spostamento verticale della superficie.Gli esperimenti sono stati condotti su diverse superfici dei materiali campione: ottone, alluminio e acciaio inossidabile.Il sistema sviluppato è in grado di generare con precisione una mappa topografica 3D dei difetti che si verificano durante il funzionamento.Sono state raggiunte una risoluzione spaziale di circa 70 µm e una risoluzione di profondità di 60 µm.Le prestazioni del sistema vengono verificate anche misurando la precisione delle distanze misurate.
I sistemi di scansione laser a fibra ad alta velocità vengono utilizzati in ambienti di produzione industriale automatizzati per rilevare difetti superficiali.Metodi più moderni per il rilevamento dei difetti superficiali includono l'uso di fibre ottiche per l'illuminazione e il rilevamento dei componenti.Questa tesi include la progettazione e lo sviluppo di un nuovo sistema optoelettronico ad alta velocità.In questo articolo vengono studiate due sorgenti di LED, LED (diodi emettitori di luce) e diodi laser.Una fila di cinque diodi emettitori e cinque fotodiodi riceventi si trovano l'uno di fronte all'altro.La raccolta dei dati viene controllata e analizzata da un PC utilizzando il software LabVIEW.Il sistema viene utilizzato per misurare le dimensioni di difetti superficiali come fori (1 mm), fori ciechi (2 mm) e intagli in vari materiali.I risultati mostrano che, sebbene il sistema sia destinato principalmente alla scansione 2D, può anche funzionare come sistema di imaging 3D limitato.Il sistema ha inoltre dimostrato che tutti i materiali metallici studiati erano in grado di riflettere i segnali infrarossi.Un metodo recentemente sviluppato che utilizza una serie di fibre inclinate consente al sistema di ottenere una risoluzione regolabile con una risoluzione massima del sistema di circa 100 µm (diametro della fibra di raccolta).Il sistema è stato utilizzato con successo per misurare il profilo superficiale, la rugosità superficiale, lo spessore e la riflettività di vari materiali.Con questo sistema è possibile testare alluminio, acciaio inox, ottone, rame, tufo e policarbonato.I vantaggi di questo nuovo sistema sono un rilevamento più rapido, costi inferiori, dimensioni più piccole, risoluzione più elevata e flessibilità.
Progettare, costruire e testare nuovi sistemi per integrare e implementare nuove tecnologie di sensori ambientali.Particolarmente adatto per applicazioni di monitoraggio dei batteri fecali
Modifica della struttura micro-nano dei pannelli fotovoltaici solari in silicio per migliorare l'approvvigionamento energetico
Una delle principali sfide ingegneristiche che la società globale deve affrontare oggi è l’approvvigionamento energetico sostenibile.È tempo che la società inizi a fare molto affidamento sulle fonti energetiche rinnovabili.Il sole fornisce alla terra energia gratuita, ma i moderni metodi di utilizzo di questa energia sotto forma di elettricità presentano alcune limitazioni.Nel caso delle celle fotovoltaiche, il problema principale è l’insufficiente efficienza di raccolta dell’energia solare.La microlavorazione laser viene comunemente utilizzata per creare interconnessioni tra strati attivi fotovoltaici come substrati di vetro, silicio idrogenato e strati di ossido di zinco.È anche noto che è possibile ottenere più energia aumentando la superficie di una cella solare, ad esempio mediante microlavorazione.È stato dimostrato che i dettagli del profilo superficiale su scala nanometrica influenzano l’efficienza di assorbimento energetico delle celle solari.Lo scopo di questo documento è studiare i vantaggi derivanti dall’adattamento delle strutture delle celle solari su micro, nano e mesoscala per fornire una potenza maggiore.La variazione dei parametri tecnologici di tali microstrutture e nanostrutture consentirà di studiare la loro influenza sulla topologia superficiale.Le cellule verranno testate per l'energia che producono quando esposte a livelli controllati sperimentalmente di luce elettromagnetica.Verrà stabilita una relazione diretta tra l'efficienza delle celle e la struttura superficiale.
I compositi a matrice metallica (MMC) stanno rapidamente diventando i principali candidati per il ruolo di materiali strutturali nell'ingegneria e nell'elettronica.Alluminio (Al) e rame (Cu) rinforzati con SiC grazie alle loro eccellenti proprietà termiche (ad es. basso coefficiente di dilatazione termica (CTE), elevata conduttività termica) e proprietà meccaniche migliorate (ad es. maggiore resistenza specifica, migliori prestazioni).È ampiamente utilizzato in vari settori per la resistenza all'usura e il modulo specifico.Recentemente, questi MMC ad alto contenuto ceramico sono diventati un'altra tendenza per le applicazioni di controllo della temperatura nei pacchetti elettronici.In genere, nei pacchetti dei dispositivi di potenza, l'alluminio (Al) o il rame (Cu) vengono utilizzati come dissipatore di calore o piastra di base per connettersi al substrato ceramico che trasporta il chip e le strutture dei pin associate.La grande differenza nel coefficiente di espansione termica (CTE) tra ceramica e alluminio o rame è svantaggiosa perché riduce l'affidabilità del pacchetto e limita anche la dimensione del substrato ceramico che può essere attaccato al substrato.
Considerato questo limite, è ora possibile sviluppare, studiare e caratterizzare nuovi materiali che soddisfino questi requisiti per materiali termicamente migliorati.Grazie alle proprietà migliorate di conduttività termica e coefficiente di espansione termica (CTE), MMC CuSiC e AlSiC sono ora soluzioni valide per l'imballaggio elettronico.Questo lavoro valuterà le proprietà termofisiche uniche di questi MMC e le loro possibili applicazioni per la gestione termica dei pacchetti elettronici.
Le compagnie petrolifere sperimentano una corrosione significativa nella zona di saldatura dei sistemi dell'industria petrolifera e del gas realizzati con acciai al carbonio e bassolegati.Negli ambienti contenenti CO2, il danno da corrosione è solitamente attribuito alle differenze nella resistenza delle pellicole protettive contro la corrosione depositate su varie microstrutture di acciaio al carbonio.La corrosione locale nel metallo saldato (WM) e nella zona alterata dal calore (HAZ) è dovuta principalmente a effetti galvanici dovuti alle differenze nella composizione e nella microstruttura della lega.Sono state studiate le caratteristiche microstrutturali dei metalli di base (PM), WM e HAZ per comprendere l'effetto della microstruttura sul comportamento alla corrosione dei giunti saldati in acciaio dolce.I test di corrosione sono stati condotti in una soluzione di NaCl al 3,5% saturata con CO2 in condizioni deossigenate a temperatura ambiente (20±2°C) e pH 4,0±0,3.La caratterizzazione del comportamento alla corrosione è stata effettuata utilizzando metodi elettrochimici per determinare il potenziale del circuito aperto, la scansione potenziodinamica e la resistenza alla polarizzazione lineare, nonché la caratterizzazione metallografica generale mediante microscopia ottica.Le principali fasi morfologiche rilevate sono la ferrite aciculare, l'austenite trattenuta e la struttura martensitico-bainitica in WM.Sono meno comuni nella HAZ.Comportamenti elettrochimici e tassi di corrosione significativamente diversi sono stati riscontrati in PM, VM e HAZ.
Il lavoro oggetto di questo progetto è volto a migliorare l'efficienza elettrica delle pompe sommergibili.Le richieste rivolte all'industria delle pompe di muoversi in questa direzione sono recentemente aumentate con l'introduzione della nuova legislazione UE che impone all'industria nel suo complesso di raggiungere nuovi e più elevati livelli di efficienza.Questo articolo analizza l'uso di una camicia di raffreddamento per raffreddare l'area del solenoide della pompa e propone miglioramenti di progettazione.In particolare vengono caratterizzati il flusso del fluido e lo scambio termico nelle camicie di raffreddamento delle pompe operative.I miglioramenti nel design della camicia forniranno un migliore trasferimento di calore all'area del motore della pompa, con conseguente miglioramento dell'efficienza della pompa e riduzione della resistenza indotta.Per questo lavoro, un sistema di prova per pompe montato a secco è stato aggiunto al serbatoio di prova esistente da 250 m3.Ciò consente il tracciamento ad alta velocità della telecamera del campo di flusso e un'immagine termica del corpo della pompa.Il campo di flusso convalidato dall'analisi CFD consente la sperimentazione, il test e il confronto di progetti alternativi per mantenere le temperature operative quanto più basse possibile.Il design originale della pompa M60-4 poli resisteva a una temperatura massima del corpo pompa esterno di 45°C e una temperatura massima dello statore di 90°C.L'analisi di vari modelli di progettazione mostra quali progetti sono più utili per sistemi più efficienti e quali non dovrebbero essere utilizzati.In particolare, il design della serpentina di raffreddamento integrata non presenta miglioramenti rispetto al design originale.L'aumento del numero delle pale della girante da quattro a otto ha ridotto di sette gradi Celsius la temperatura operativa misurata sull'involucro.
La combinazione di elevata densità di potenza e tempo di esposizione ridotto nella lavorazione dei metalli determina un cambiamento nella microstruttura superficiale.Ottenere la combinazione ottimale di parametri del processo laser e velocità di raffreddamento è fondamentale per modificare la struttura del grano e migliorare le proprietà tribologiche sulla superficie del materiale.L'obiettivo principale di questo studio era studiare l'effetto della lavorazione laser a impulsi rapidi sulle proprietà tribologiche dei biomateriali metallici disponibili in commercio.Questo lavoro è dedicato alla modifica superficiale laser dell'acciaio inossidabile AISI 316L e Ti-6Al-4V.Per studiare l'influenza di vari parametri del processo laser e la microstruttura e morfologia superficiale risultante è stato utilizzato un laser a CO2 pulsato da 1,5 kW.Utilizzando un campione cilindrico ruotato perpendicolarmente alla direzione della radiazione laser, sono stati variati l'intensità della radiazione laser, il tempo di esposizione, la densità del flusso di energia e l'ampiezza dell'impulso.La caratterizzazione è stata eseguita utilizzando SEM, EDX, misurazioni della rugosità dell'ago e analisi XRD.È stato inoltre implementato un modello di previsione della temperatura superficiale per impostare i parametri iniziali del processo sperimentale.È stata poi effettuata una mappatura del processo per determinare una serie di parametri specifici per il trattamento laser della superficie dell'acciaio fuso.Esiste una forte correlazione tra illuminamento, tempo di esposizione, profondità di elaborazione e ruvidità del campione elaborato.L’aumento della profondità e della ruvidità dei cambiamenti microstrutturali sono stati associati a livelli di esposizione e tempi di esposizione più elevati.Analizzando la rugosità e la profondità dell'area trattata, vengono utilizzati modelli di fluenza energetica e temperatura superficiale per prevedere il grado di fusione che si verificherà sulla superficie.All'aumentare del tempo di interazione del raggio laser, la rugosità superficiale dell'acciaio aumenta per i vari livelli di energia dell'impulso studiati.Mentre è stato osservato che la struttura superficiale mantiene il normale allineamento dei cristalli, sono stati osservati cambiamenti nell'orientamento dei grani nelle aree trattate con il laser.
Analisi e caratterizzazione del comportamento allo stress dei tessuti e sue implicazioni per la progettazione degli scaffold
In questo progetto sono state sviluppate diverse geometrie di scaffold ed è stata eseguita l'analisi degli elementi finiti per comprendere le proprietà meccaniche della struttura ossea, il loro ruolo nello sviluppo dei tessuti e la massima distribuzione di stress e deformazione nello scaffold.Sono state raccolte scansioni di tomografia computerizzata (CT) di campioni di osso trabecolare oltre alle strutture di scaffold progettate con CAD.Questi progetti consentono di creare e testare prototipi, nonché di eseguire FEM di questi progetti.Sono state eseguite misurazioni meccaniche delle microdeformazioni su scaffold fabbricati e campioni trabecolari dell'osso della testa del femore e questi risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti dalla FEA per le stesse strutture.Si ritiene che le proprietà meccaniche dipendano dalla forma (struttura) dei pori progettata, dalla dimensione dei pori (120, 340 e 600 µm) e dalle condizioni di carico (con o senza blocchi di carico).Le variazioni di questi parametri sono state studiate per strutture porose di 8 mm3, 22,7 mm3 e 1000 mm3 al fine di studiare in modo completo il loro effetto sulla distribuzione delle sollecitazioni.I risultati degli esperimenti e delle simulazioni mostrano che il disegno geometrico della struttura gioca un ruolo importante nella distribuzione delle sollecitazioni ed evidenziano il grande potenziale del disegno della struttura per migliorare la rigenerazione ossea.In generale, la dimensione dei pori è più importante del livello di porosità nel determinare il livello di stress massimo complessivo.Tuttavia, il livello di porosità è importante anche nel determinare l’osteoconduttività delle strutture dell’impalcatura.Quando il livello di porosità aumenta dal 30% al 70%, il valore massimo di sollecitazione aumenta significativamente per la stessa dimensione dei pori.
Anche la dimensione dei pori dello scaffold è importante per il metodo di fabbricazione.Tutti i metodi moderni di prototipazione rapida presentano alcune limitazioni.Sebbene la fabbricazione convenzionale sia più versatile, i progetti più complessi e più piccoli sono spesso impossibili da realizzare.La maggior parte di queste tecnologie attualmente non sono nominalmente in grado di produrre in modo sostenibile pori inferiori a 500 µm.Pertanto, i risultati con una dimensione dei pori di 600 µm in questo lavoro sono molto rilevanti per le capacità di produzione delle attuali tecnologie di produzione rapida.La struttura esagonale presentata, sebbene considerata solo in una direzione, sarebbe la struttura più anisotropa rispetto alle strutture basate sul cubo e sul triangolo.Le strutture cubiche e triangolari sono relativamente isotrope rispetto alle strutture esagonali.L'anisotropia è importante quando si considera l'osteoconduttività dello scaffold progettato.La distribuzione delle sollecitazioni e la posizione dell'apertura influenzano il processo di rimodellamento e diverse condizioni di carico possono modificare il valore massimo della sollecitazione e la sua posizione.La direzione di carico predominante dovrebbe promuovere la dimensione e la distribuzione dei pori per consentire alle cellule di crescere in pori più grandi e fornire nutrienti e materiali da costruzione.Un'altra conclusione interessante di questo lavoro, esaminando la distribuzione delle tensioni nella sezione trasversale dei pilastri, è che valori di tensione più elevati si registrano sulla superficie dei pilastri rispetto al centro.In questo lavoro, è stato dimostrato che la dimensione dei pori, il livello di porosità e il metodo di carico sono strettamente correlati ai livelli di stress sperimentati nella struttura.Questi risultati dimostrano la possibilità di creare strutture a puntone in cui i livelli di stress sulla superficie del puntone possono variare in misura maggiore, il che può favorire l'attaccamento e la crescita delle cellule.
Gli scaffold sintetici per i sostituti ossei offrono l'opportunità di personalizzare le proprietà individualmente, superare la disponibilità limitata di donatori e migliorare l'osteointegrazione.L'ingegneria ossea mira ad affrontare questi problemi fornendo innesti di alta qualità che possono essere forniti in grandi quantità.In queste applicazioni, sia la geometria interna che quella esterna dello scaffold sono di grande importanza, poiché hanno un impatto significativo sulle proprietà meccaniche, sulla permeabilità e sulla proliferazione cellulare.La tecnologia di prototipazione rapida consente l'utilizzo di materiali non standard con una geometria determinata e ottimizzata, fabbricati con elevata precisione.Questo articolo esplora la capacità delle tecniche di stampa 3D di fabbricare geometrie complesse di impalcature scheletriche utilizzando materiali biocompatibili a base di fosfato di calcio.Studi preliminari del materiale brevettato mostrano che è possibile ottenere il comportamento meccanico direzionale previsto.Le misurazioni effettive delle proprietà meccaniche direzionali dei campioni fabbricati hanno mostrato le stesse tendenze dei risultati dell'analisi degli elementi finiti (FEM).Questo lavoro dimostra anche la fattibilità della stampa 3D per fabbricare impalcature geometriche di ingegneria tissutale da un cemento biocompatibile al fosfato di calcio.Le strutture sono state realizzate stampando con una soluzione acquosa di fosfato bisodico su uno strato di polvere costituita da una miscela omogenea di fosfato di calcio e idrossido di calcio.La reazione di deposizione chimica umida avviene nel letto di polvere della stampante 3D.Sono stati realizzati campioni solidi per misurare le proprietà meccaniche della compressione volumetrica del cemento al fosfato di calcio (CPC) prodotto.I pezzi così prodotti avevano un modulo elastico medio di 3,59 MPa ed una resistenza media a compressione di 0,147 MPa.La sinterizzazione porta ad un aumento significativo delle proprietà di compressione (E = 9,15 MPa, σt = 0,483 MPa), ma riduce la superficie specifica del materiale.Come risultato della sinterizzazione, il cemento al fosfato di calcio si decompone in β-fosfato tricalcico (β-TCP) e idrossiapatite (HA), il che è confermato dai dati dell'analisi termogravimetrica e termica differenziale (TGA/DTA) e dell'analisi di diffrazione dei raggi X ( XRD).le proprietà sono insufficienti per impianti altamente caricati, dove la resistenza richiesta è compresa tra 1,5 e 150 MPa e la rigidità a compressione supera 10 MPa.Tuttavia, un’ulteriore post-elaborazione, come l’infiltrazione con polimeri biodegradabili, può rendere queste strutture adatte per le applicazioni di stent.
Obiettivo: La ricerca sulla meccanica del suolo ha dimostrato che le vibrazioni applicate agli aggregati determinano un allineamento delle particelle più efficiente e una riduzione dell'energia richiesta per agire sull'aggregato.Il nostro obiettivo era sviluppare un metodo per l'impatto delle vibrazioni sul processo di impattamento osseo e valutare il suo effetto sulle proprietà meccaniche degli innesti inclusi.
Fase 1: Macinazione di 80 teste di femore bovino utilizzando una fresa per ossa Noviomagus.Gli innesti sono stati poi lavati utilizzando un sistema di lavaggio con soluzione salina pulsata su un vassoio con setaccio.È stato sviluppato un dispositivo a vibropercussione, dotato di due motori da 15 V CC con pesi eccentrici fissati all'interno di un cilindro metallico.Lanciagli sopra un peso da una determinata altezza 72 volte per riprodurre il processo di colpire un osso.È stato testato l'intervallo di frequenza di vibrazione misurato con un accelerometro installato nella camera di vibrazione.Ciascuna prova di taglio è stata poi ripetuta con quattro diversi carichi normali per ottenere una serie di curve sforzo-deformazione.Per ciascuna prova sono stati costruiti inviluppi di rottura Mohr-Coulomb, da cui sono stati derivati i valori di resistenza al taglio e di bloccaggio.
Fase 2: ripetere l'esperimento aggiungendo sangue per replicare il ricco ambiente riscontrato in ambienti chirurgici.
Fase 1: gli innesti con maggiore vibrazione a tutte le frequenze di vibrazione hanno mostrato una maggiore resistenza al taglio rispetto all'impatto senza vibrazione.La vibrazione a 60 Hz ha avuto l'impatto maggiore ed è stata significativa.
Fase 2: L'innesto con ulteriore impatto vibratorio negli aggregati saturi ha mostrato una resistenza al taglio inferiore per tutti i normali carichi di compressione rispetto all'impatto senza vibrazioni.
Conclusione: i principi dell'ingegneria civile sono applicabili all'impianto dell'osso impiantato.Negli aggregati secchi, l'aggiunta di vibrazioni può migliorare le proprietà meccaniche delle particelle d'impatto.Nel nostro sistema la frequenza di vibrazione ottimale è di 60 Hz.Negli aggregati saturi, un aumento delle vibrazioni influisce negativamente sulla resistenza al taglio dell'aggregato.Ciò può essere spiegato dal processo di liquefazione.
Lo scopo di questo lavoro è stato quello di progettare, costruire e testare un sistema in grado di disturbare i soggetti che vi si trovano al fine di valutare la loro capacità di rispondere a questi cambiamenti.Questo può essere fatto inclinando rapidamente la superficie su cui si trova la persona e quindi riportandola in posizione orizzontale.Da ciò è possibile determinare se i soggetti sono stati in grado di mantenere uno stato di equilibrio e quanto tempo hanno impiegato per ripristinare questo stato di equilibrio.Questo stato di equilibrio verrà determinato misurando l'influenza posturale del soggetto.La loro naturale oscillazione posturale è stata misurata con un pannello del profilo di pressione del piede per determinare quanto fosse l'oscillazione durante il test.Il sistema è inoltre progettato per essere più versatile e conveniente rispetto a quello attualmente disponibile in commercio perché, sebbene queste macchine siano importanti per la ricerca, attualmente non sono ampiamente utilizzate a causa del loro costo elevato.Il sistema di nuova concezione presentato in questo articolo è stato utilizzato per spostare oggetti di prova con un peso fino a 100 kg.
In questo lavoro sono stati progettati sei esperimenti di laboratorio in ingegneria e scienze fisiche per migliorare il processo di apprendimento degli studenti.Ciò si ottiene installando e creando strumenti virtuali per questi esperimenti.L'uso degli strumenti virtuali viene confrontato direttamente con i tradizionali metodi di insegnamento di laboratorio e vengono discusse le basi per lo sviluppo di entrambi gli approcci.Il lavoro precedente che utilizzava l'apprendimento assistito dal computer (CBL) in progetti simili correlati a questo lavoro è stato utilizzato per valutare alcuni dei vantaggi degli strumenti virtuali, in particolare quelli relativi all'aumento dell'interesse degli studenti, alla conservazione della memoria, alla comprensione e, in ultima analisi, alle relazioni di laboratorio..benefici correlati.L'esperimento virtuale discusso in questo studio è una versione rivista dell'esperimento di stile tradizionale e fornisce quindi un confronto diretto della nuova tecnica CBL con il laboratorio di stile tradizionale.Non c'è alcuna differenza concettuale tra le due versioni dell'esperimento, l'unica differenza sta nel modo in cui viene presentato.L'efficacia di questi metodi CBL è stata valutata osservando le prestazioni degli studenti che utilizzano lo strumento virtuale rispetto ad altri studenti della stessa classe che utilizzano la modalità sperimentale tradizionale.Tutti gli studenti vengono valutati inviando relazioni, domande a scelta multipla relative ai loro esperimenti e questionari.I risultati di questo studio sono stati confrontati anche con altri studi correlati nel campo della CBL.
Orario di pubblicazione: 19 febbraio 2023