Nuovi materiali e tecniche per la transizione green, la mobilità del futuro e una medicina smart e personalizzata. Tutti i progetti finanziati dall'Ateneo di Pisa al DICI.
BIOCAST
BIO-based CAST extruded films with enhanced properties tailored for food packaging
Principal Investigator: Vito Gigante
in collaborazione coi dipartimenti di Farmacia e MEDTRASL.
L'obiettivo principale del progetto BIOCAST consiste nello sviluppo di film polimerici biobased contenenti molecole bioattive recuperate da materiali vegetali e scarti alimentari.
Il punto di partenza sarà lo studio e la caratterizzazione dei rifiuti agricoli generati nel territorio toscano. Gli scarti della lavorazione del vino e dell'olio saranno selezionati in base al loro contenuto di antiossidanti e saranno utilizzati come additivi: queste sostanze migliorano la barriera e garantiscono proprietà antiossidanti ai film biopolimerici. La seconda fase è incentrata sulla selezione della matrice biopolimerica (come PLA, PBSA o loro miscele) in cui incorporare le molecole bioattive attraverso un estrusore bivite. Il processo sarà ottimizzato su scala semi-industriale. La terza fase sarà l'ottimizzazione e la produzione di film (modificando lo spessore in relazione alle applicazioni finali); i film saranno caratterizzati morfologicamente, termicamente e meccanicamente. Per garantire il miglioramento della vita post-raccolta dei prodotti freschi, prevenendo il loro deterioramento ossidativo e la crescita microbica, a seconda dell'applicazione finale, il quarto passo sarà l'analisi delle proprietà dei film (proprietà antimicrobiche nei confronti di diversi agenti patogeni, proprietà antiossidanti, trasmissione del vapore acqueo). Queste caratterizzazioni saranno sviluppate tenendo conto dell'ambiente di applicazione finale (come etichette per bottiglie di olio, tappi termoretraibili per bottiglie di vino e strato superiore per imballaggi rigidi di frutta). L'ultima fase è dedicata alla valutazione della shelf life dei prodotti confezionati con i film BIOCAST rispetto ai parametri di riferimento del mercato. Saranno valutate anche le proprietà sensoriali per assicurare che la percezione sensoriale degli alimenti confezionati con BIOCAST (odore, gusto e aspetto) non sia cambiata.
DIC
Determinazione di tensioni residue combinando il metodo del foro e digital image correlation
Principal Investigator: Ciro Santus
In collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Il metodo del foro (Hole-Drilling Method, HDM) è una tecnica sperimentale per la valutazione di tensioni residue in componenti di interesse industriale. Il metodo consiste nell’esecuzione di un foro di diametro piccolo rispetto al componente. Le tensioni residue nella porzione di materiale che viene rimossa vengono così rilassate, e ciò produce un effetto deformativo locale. La misura di tale deformazione viene usata come input per l’identificazione delle tensioni residue rilassate dall’esecuzione del foro.
Tradizionalmente, la misura delle suddette deformazioni è eseguita mediante estensimetri (strain- gauges) opportunamente posizionati attorno al foro. Alternativamente all’uso di estensimetri, il progetto propone lo studio dell’applicazione della Digital Image Correlation (DIC), che permetta di individuare lo stato di spostamenti a campo intero nell’intorno del foro. Gli strumenti informatici sviluppati per l’utilizzo delle rosette estensimetriche, verranno adattati all’utilizzo della tecnica DIC. Non esistendo soluzioni analitiche al problema, le deformazioni sono ottenute con analisi agli elementi finiti. Tuttavia, essendo il problema lineare, è sufficiente valutare le deformazioni corrispondenti a una base nello spazio delle tensioni residue da determinare. Nel caso dell’utilizzo degli estensimetri, l’operatore è costruito valutando le deformazioniper differenti step di foratura in corrispondenza degli estensimetri, mentre per il DIC è conveniente valutare l’intero campo di deformazioni attorno al foro. L’elaborazione di questi campi per ottenere l’inversione si prevede che sarà onerosa, e saranno quindi valutate tecniche di regressione di funzioni parametriche, come reti neurali o altri risultati classici del settore dell’intelligenza artificiale (AI). La conoscenza dell’intero campo di deformazione attorno al foro consente teoricamente di determinare tensioni non-uniformi nello spessore con un unico step di foratura. Ciò velocizzerebbe notevolmente la procedura rispetto allo stato dell’arte.
BIO-UREFOAM
Schiume rigide poliuretaniche da fonti rinnovabili per pannelli termoisolanti e fonoassorbenti
Principal Investigator: Maurizia Seggiani
L’obiettivo di BIO-UREFOAM è di sviluppare schiume poliuretaniche (PU) rigide da fonti rinnovabili contenti additivi antifiamma atossici da impiegare nella produzione di pannelli per applicazioni in campo edile, con bassa conducibilità termica e acustica, adeguate proprietà meccaniche e alta resistenza alla fiamma. Le schiume poliuretaniche saranno ottenute utilizzando polioli sintetizzati da oli vegetali, sia vergini sia esausti o una miscela di questi. I polioli da risorse rinnovabili dovranno costituire almeno il 70% della quantità di polioli totali impiegati come precursori delle resine PU.
SETHI
Tubi Endotracheali smart per migliorare le pratiche anestesiologiche
Principal Investigator: Mario Milazzo
Il progetto SETHI mira a migliorare la comprensione delle lesioni indotte dall'inserimento di tubi endotracheali (ETT), mediante modellizzazione e sviluppo di un prototipo sensorizzato che consenta una valutazione in tempo reale di diversi ETT e modalità di inserimento, oltre alla valutazione di tempi di permanenza prolungati in diverse posizioni del corpo.
SETHI perseguirà questo obiettivo attraverso due tappe: (1) fornirà una descrizione dei fenomeni di abrasione basati sulla meccanica di contatto tra ETT e tessuti molli laringotracheali sfruttando sia simulazioni che prove sperimentali su campioni tracheali in vivo;
(2) al fine di migliorare le attuali pratiche e le limitazioni degli ETT tradizionali, SETHI prevede la progettazione di un ETT sensorizzato intelligente riutilizzabile, in grado di fornire un feedback visivo online all'operatore per prevenire i potenziali danni degli ETT tradizionali.
SAILSTAR
Sail SpaceTrash Aerodrag Removal
Principal Investigator Lorenzo Niccolai
Il progetto si propone di approfondire il possibile utilizzo di una "drag sail" per ottenere il decadimento orbitale (deorbiting) di un satellite in orbita terrestre bassa tramite l'aumento della resistenza aerodinamica. L'obiettivo primario del progetto consiste nello sviluppo di un modello matematico in ambiente Matlab per simulare la dinamica orbitale e di assetto di un satellite equipaggiato con una drag sail, allo scopo di valutare l'efficacia di questo sistema di deorbiting e di proporre dei requisiti per il dimensionamento nei vari scenari applicativi.
Sviluppo di un impianto a recupero di potenza per il test di manti stradali e sistemi veicolo
Principal Investigator: Francesco Bucchi
In collaborazione con il DESTEC
La mobilità su strada sta attraversando in questi anni una rivoluzione green senza precedenti. Questa rivoluzione porta con sé grandi sfide nell’ambito dell’ingegneria elettrica e dell’ICT, delle quali molte già risolte o comunque consolidate allo stato dell’arte. Esistono però ripercussioni sia sull’ingegneria meccanica che sull’ingegneria civile che non possono essere trascurate. Difatti, al fine di aumentare le distanze percorribili dai veicoli si deve operare un’ottimizzazione dell’efficienza dell’intero sistema. Inoltre, viene meno anche la principale sorgente di rumorosità di un veicolo: il motore. Questo comporta che le altre sorgenti di rumorosità, ad es. contatto ruota-strada, vibrazione dei componenti strutturali, rumorosità degli ingranaggi ecc., rappresenteranno le principali sorgenti di vibrazione dei veicoli.
All’interno di questo PRA si propone lo sviluppo di un banco prova full-scale, a recupero di potenza, per la caratterizzazione dinamica e strutturale di manti stradali e drivetrain veicolo. Questo permetterà di: 1) analizzare la meccanica del contatto tra ruota e strada, al fine di ridurre la rumorosità del rotolamento del pneumatico; 2) analizzare l’usura del pneumatico e la fatica del manto stradale. Il fine di questi primi due punti è quello di studiare le miscele bituminose che più si adattano; 3) ricavare le caratteristiche forza-scorrimento di differenti pneumatici; 4) simulare la dinamica strutturale di interi sotto-sistemi veicolo (gruppo ruota, ruota con sospensione, assale ecc.) e ottimizzarne la resistenza strutturale nell’ottica di una riduzione delle masse.
Il risultato del PRA sarà la progettazione di dettaglio dell’intero sistema, con particolare riferimento ai sistemi meccanici, elettrici e di attuazione e all’infrastruttura civile; saranno inoltre acquistati e calibrati i sistemi di attuazione elettrica e misura delle sollecitazioni sui componenti meccanici e sul manto stradale.
Optimization of extrusion-based additive manufacturing for metallic and ceramic parts
Principal Investigator: Francesco Tamburrino
In collaborazione con il Dipartimento di Patologia Chirurgica, Medica, Molecolare e dell’Area Critica
Il progetto si propone di ottimizzare i processi di Additive Manufacturing, basati su estrusione di materiale (Material Extrusion), per la produzione di componenti metallici e ceramici come acciaio inossidabile, Inconel 718, rame, allumina e zirconia. La Material Extrusion è una tecnica additiva comunemente utilizzata per la manifattura di materiali polimerici e compositi particolati o a fibra corta. Tra i principali vantaggi di questa tecnica ci sono i bassi costi di investimento per l’acquisto delle macchine di stampa, per la loro manutenzione e per l’acquisto di materiali.
Nel presente progetto la Material Extrusion viene utilizzata per la manifattura di materiali metallici e ceramici. Per ottenere il pezzo finito con tali materiali, alla fase di stampa segue una di post- processing di tipo termico. Tale tecnica risulta molto promettente per un abbassamento dei costi, un aumento della flessibilità nell’utilizzo di materiali diversi e una riduzione del time-to-market rispetto alle tecnologie additive attualmente utilizzate per gli stessi materiali. Tuttavia, i componenti metallici e ceramici realizzati tramite Material Extrusion non risultano sempre privi di difetti e spesso il loro utilizzo viene compromesso.
Il lavoro di ricerca si propone di ottimizzare parametri di stampa e post- processing al fine di migliorare la qualità dei pezzi finali in termini di proprietà meccaniche, porosità, ritiri, accuratezza geometrica e dimensionale, migliorando, allo stesso tempo, la ripetibilità del
processo di manifattura. Verranno, inoltre, analizzati alcuni casi studio come componenti di propulsori per il campo aerospaziale e mantenitori di spazio per l’ortodonzia pediatrica e saranno prodotti i relativi dimostratori fisici.
I risultati del progetto avranno un impatto diretto sul campo aerospaziale e su quello ortodontico. Nel primo caso potranno essere studiate architetture innovative di propulsori, riducendo significativamente massa, costi e tempi di produzione, facilitando un rapido avanzamento della ricerca settore. Inoltre, l’uso di sistemi di propulsione elettrica apre le porte a una serie di nuove missioni, fornendo servizi alla società e numerose nuove opportunità di business. Per quanto riguarda l’ambito ortodontico lo sviluppo di mantenitori di spazio realizzati tramite Material Extrusion consentirà di ridurre tempi e costi di fabbricazione, garantendo proprietà meccaniche ottimali e buoni risultati clinici. Inoltre, la possibilità di sperimentare materiali che meglio riproducono l’aspetto dei denti naturali offrirà l’opportunità di ottenere anche caratteristiche estetiche migliori, portando il bambino ad una maggiore accettazione del dispositivo ortodontico. La conseguenza sarà un impatto positivo sulla loro vita sociale e sulla salute presente e futura.
Advanced modelling of ultra-lightweight materials and structures
Principal Investigator: Roberto Alessi
La riduzione del peso strutturale è una delle più importanti strategie di progettazione ecologica, su cui si sta concentrando l’attenzione per la necessità di efficienza energetica in quasi tutti i campi dell'ingegneria al fine di ridurre l'inquinamento ambientale e ridurre al minimo l'uso delle risorse naturali.
L'obiettivo principale del progetto di ricerca è quello di sviluppare modelli teorici affidabili e avanzati per l'analisi, l'ottimizzazione e la progettazione di materiali e strutture ultraleggeri in grado di esibire prestazioni meccaniche eccezionali e risposte meccaniche non convenzionali con applicazioni che spaziano dall'aerospazio ai settori dell'ingegneria meccanica e strutturale .
Strutture più leggere ma comunque sicure sono di importanza cruciale per utilizzare meglio le risorse di materie prime e ridurre le emissioni inquinanti, sfide chiave in questo secolo.
Le strutture ultraleggere funzionano in molte applicazioni avanzate al limite della loro capacità portante in un regime completamente non lineare. In tali condizioni di lavoro, modelli meccanici affidabili e avanzati sono di fondamentale importanza per la loro progettazione. Questi modelli non solo consentono di prevedere la risposta meccanica, ma anche di ottimizzare il peso stesso e di esplorare nuove caratteristiche meccaniche sia a livello materiale che strutturale.
In questo contesto, il focus del progetto sarà sui seguenti aspetti specifici rispetto a materiali e strutture ultraleggeri:
● studio di fenomeni elastici altamente non lineari, quali meccanismi di instabilità non convenzionali;
● ottimizzazione delle proprietà dei materiali e sviluppo di nuove architetture di microstrutture;
● modellazione dei fenomeni di fatica e danni da frattura.
Tutti questi aspetti saranno affrontati all'interno di un quadro teorico comune, vale a dire l'adozione di approcci variazionali. I metodi variazionali si basano su concetti di minimizzazione dell'energia, si basano tipicamente su quantità energetiche intelligibili, consentono analisi rigorose e offrono un modo razionale per lo sviluppo di algoritmi di soluzione numerica. In particolare, si sono rivelate la via naturale di analisi per l'indagine di problemi di instabilità, sia a livello materico che strutturale, e per problemi di microstruttura del materiale e di ottimizzazione della forma geometrica, ad esempio. I metodi variazionali appaiono quindi i candidati naturali per perseguire gli obiettivi del progetto.
Gli esiti teorici e numerici, questi ultimi sviluppati sfruttando le competenze all'interno del gruppo di ricerca Mechanics of Advanced Materials and Structures (MAMaS) a cui appartengono alcuni partecipanti al presente progetto, saranno validati con i dati disponibili dalla letteratura, e, se possibile, con sperimentazioni ad hoc svolte nell'ambito del “Laboratorio Ufficiale per le Esperienze sui Materiali da Costruzione”, “Laboratorio di Strutture e Materiali Aerospaziali” e “Laboratorio di Progettazione, Produzione e Caratterizzazione di Materiali Polimerici e Compositi (POLI-Lab) ” a cui appartiene il resto dei partecipanti al progetto.
