Bachelor of Science in Ingegneria meccanica

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1 Dipartimento tecnologie innovative Bachelor of Science in Ingegneria meccanica Tesi di Bachelor 2014

2 John Andreoli Matteo Dotta Selezione di un materiale polimerico per una sorgente luminosa Questo progetto di diploma deve definire il processo di selezione del materiale polimerico di rivestimento della sorgente luminosa. La selezione del materiale deve avvenire tenendo conto del tipo di applicazione (segnalazione, sicurezza o decorazione), dell ambiente di utilizzo (esterno, interno), delle normative e delle raccomandazioni vigenti e infine del fattore economico (costo del materiale e della messa in opera). Grazie a questo progetto, l operatore potrà selezionare in maniera sistematica il materiale ottimale per ognuna delle applicazioni possibili. Ottenere una procedura di selezione del materiale valida per applicazioni diverse. Disporre delle procedure e delle attrezzature per valutare le singole caratteristiche dei materiali. Indicare il materiale migliore per un'applicazione data. La procedura di selezione è stata implementata in un foglio di calcolo MS Excel. Partendo dalle richieste dell operatore il foglio determina le specifiche del materiale, qualora necessario, tenendo conto delle normative. I materiali presenti nel database vengono poi confrontati con le specifiche e classificati. Il foglio indica il dettaglio dei risultati ottenuti da ogni materiale. Si distinguono tre casi: il materiale è adeguato, non è adeguato oppure non può essere valutato perché alcune caratteristiche non sono conosciute. In quest ultimo caso, viene indicato come determinare sperimentalmente le proprietà mancanti, eseguendo le prove necessarie in casa o presso laboratori esterni. 66

3 Matteo Baietti Matteo Dotta Laboratorio DynaMat Macchina tracciatrice per provini di trazione non unificati Per determinare le caratteristiche meccaniche di un materiale sottoposto a trazione è necessario tracciare sui provini utilizzati quattro segni di riferimento a distanze predefinite. Il laboratorio DynaMat SUPSI esegue delle prove di trazione ad alta velocità di deformazione a temperature comprese tra -80 e 500 C. Per queste prove il laboratorio utilizza dei provini non normalizzati per i quali non esiste in commercio una macchina tracciatrice. I provini possono essere in materiale metallico o polimerico, generalmente per applicazioni strutturali. Attualmente tali provini vengono tracciati e misurati manualmente con una ripetibilità insufficiente e in un tempo considerato troppo elevato, circa 15 minuti. Con questo progetto si vuole aumentare la produttività e al contempo migliorare la qualità della preparazione. Grazie all attrezzatura sviluppata, il tempo di tracciatura viene ridotto a pochi secondi, mentre una ripetibilità più elevata permette di sopprimere la misura individuale dei provini. Sviluppo di un modello solido, disegni costruttivi e liste pezzi del sistema. Preventivo di massima dei costi di produzione del sistema. Sono stati prodotti il modello solido, i disegni costruttivi e le liste pezzi del sistema. Il sistema permette la tracciatura per marcatura laser o con tampone inchiostrato, da scegliere in funzione del materiale dei provini e della temperatura alla quale gli stessi saranno esposti durante la prova di trazione. Con il laser si ottengono delle macchie circolari con un diametro minimo di 30 micron, con il tampone d inchiostro il diametro del segno è di 400 micron nominali. La distanza tra i segni di riferimento viene ottenuta spostando il provino con una tavola di traslazione micrometrica. In questo modo si raggiungono la ripetibilità e la risoluzione richiesta. Il preventivo di massima supera del 30% il budget indicativo non vincolante auspicato dal committente. Il costo relativamente elevato è imputabile principalmente all acquisto del sistema di gravatura laser. 67

4 Luca De Maria Matteo Dotta Officine Ghidoni SA Progettazione di una barriera stradale mobile Alcuni tratti dell autostrada A2 tra Lugano Nord e Chiasso dovranno essere dotati di barriere mobili che permettano l apertura di varchi tra le carreggiate per deviare il traffico. Il traffico potrà essere deviato per garantire la sicurezza degli operatori impegnati sui cantieri o nella manutenzione, oppure in caso di emergenza. La barriera mobile deve avere una lunghezza massima di 80 m. Montata in posizione centrale, deve aprirsi a bandiera e all occorrenza deve poter essere spostata in blocco sui lati della carreggiata. Le barriere mobili disponibili sul mercato non sono adatte alla morfologia del tratto autostradale in questione, non possono essere azionate nei tempi richiesti oppure hanno un costo considerato eccessivo. La Officine Ghidoni SA propone perciò di selezionare un prodotto esistente e di adattarlo alle esigenze specifiche, subordinatamente di sviluppare un modello completo. L analisi dei prodotti di mercato ha portato allo sviluppo di una barriera completamente nuova. Dimensionamento completo dei componenti modificati o sviluppati. Disegni costruttivi del prodotto. Preventivo del costo del prodotto modificato o sviluppato. La nuova barriera è formata da 10 moduli facilmente trasportabili per una lunghezza totale 80 m e un peso totale di 10 t. La soluzione individuata consiste nel sollevamento della barriera tramite molle ad aria compressa e successivo spostamento effettuato da una ruota orientabile azionata da due motori elettrici. L apertura della barriera nel modo principale, la rotazione attorno ad un estremità, avviene in meno di 3 minuti. Con alcuni interventi manuali è possibile spostare l intera barriera in una posizione qualunque. Le parti dedicate alla movimentazione sono state dimensionate in funzione dei carichi previsti, delle condizioni ambientali e della durata di vita prevista. Le parti strutturali sono state parzialmente dimensionate tramite confronto con i prodotti già omologati sul mercato. Si stima tramite simulazione FEM che la barriera offra un grado di contenimento H2 (contenimento di un bus pesante 13t lanciato contro la barriera a 70 km/h con un incidenza di 20 gradi). Trattandosi di un prodotto completamente nuovo, l omologazione può avvenire solo tramite crash test. Il preventivo dei costi rispetta il budget imposto. 68

5 Omar Fibbioli Matteo Dotta Mecartex SA Sistema di posizionamento ad alta precisione a 6 gradi di libertà Tribias è un sistema di posizionamento ad architettura parallela ad altissima precisione a 6 gradi di libertà, basato sulla tecnica delle guide elastiche. Il movimento di 6 slitte permette di azionare 3 gambe che a loro volta portano l uscita nella posizione desiderata. Le slitte, costituite da un parallelogramma elastico, sono azionate ognuna da un motore piezoelettrico. Il presente lavoro di diploma ha permesso di migliorare le prestazioni di Tribias nei punti seguenti. In primo luogo, i motori piezoelettrici generano del calore che provoca, tramite dilatazione termica, una deriva importante del sistema. Inoltre, in seguito a cambiamenti nelle esigenze del cliente finale, la corsa angolare di ±0,5 sull asse z risulta insufficiente. Diverse soluzioni sono state studiate ed analizzate prima di giungere a quella che ha mostrato le maggiori precisioni di guida, della quale è stato realizzato un prototipo. Sostituire il motore piezoelettrico delle slitte con un motore a corrente continua; costruire la trasmissione da moto rotativo a moto curvilineo al fine di ottenere una risoluzione di 50 nanometri. Ottimizzare le dimensioni delle gambe del sistema tribias in modo da aumentare la rotazione dell uscita attorno all asse z. La slitta è stata modificata nel modo seguente: un motore a corrente continua trascina tramite pignone e ruota una vite a biglie senza fine. La vite sposta un cursore che infine mette in movimento l uscita della slitta tramite un albero cardanico. Tutti i giochi sono sono recuperati da molle precaricate. La risoluzione prevista è di 47 nanometri, la velocità massima di 1.25 mm/s. È stato realizzato ed assemblato un prototipo che però non ha potuto essere collaudato completamente. L ottimizzazione delle dimensioni delle gambe, ha permesso di portare la rotazione attorno a z da ± 0,5 a ±2. Le modifiche proposte non compromettono né la corsa degli altri gradi di libertà, né la rigidità della struttura. 69

6 Miro Gajic Matteo Dotta Legend Cars Suisse Sistema di misura per automobile da corsa categoria Legend Cars Il committente è un associazione Svizzera di corse d automobilismo nata grazie alla passione per la guida delle Legend Car. La loro necessità consiste nel determinare le condizioni del telaio del veicolo dopo ogni competizione. La verifica geometrica deve consentire di ottenere importanti informazioni sulle condizioni del telaio al fine di correggerlo, riducendo i pericoli e migliorando le prestazioni del veicolo tra una gara e l altra. Sarebbe inoltre molto utile comprendere la distribuzione delle deformazioni sul telaio in particolari situazioni di gara. A questo scopo si confronteranno i risultati di modelli virtuali (metodo degli elementi finiti) con i risultati di misure sul campo. Identificare i punti di misura e sviluppare un metodo standardizzato per la rilevazione delle misura del telaio di una Legend Cars. Creare un modello solido, disegni costruttivi e lista pezzi completa del sistema di misura della geometria. Redarre un manuale utente del sistema di misura della geometria. Studio della distribuzione delle deformazioni del telaio per casi di carico significativi. Proposta per sistema di monitoraggio sul campo del telaio. Il presente progetto ha evidenziato le possibili distorsioni del telaio della Legend car, indagando come tali deformazioni possono essere identificate. Con lo strumento LEG è possibile misurare fino a due punti di riferimento alla volta, permettendo di identificare il tipo di danno presente nel telaio, oppure la sua conformità alle specifiche del costruttore. I risultati di misura sono presentati all utente tramite un foglio di calcolo. La risoluzione ottenuta, 0.3 mm in tutto lo spazio di lavoro, soddisfa le richieste del cliente. Il costo preventivato supera il budget auspicato ma è in linea con attrezzature comparabili disponibili sul mercato. La deformazione del telaio sotto carico e il sistema di misura sul campo non hanno potuto essere studiati in tempo utile. 70

7 Enrico Landoni Walter Amaro Mecartex SA Sistema di posizionamento XYZ di precisione Mecartex SA è specializzata nella progettazione e produzione di sistemi di misura e di posizionamento ad alta precisione basati principalmente sulla tecnologia delle meccaniche flessibili. Con questo progetto si intende sviluppare un sistema di posizionamento lineare a 3 gradi di libertà XYZ, completo di motorizzazione e sistema di misura da integrare in una nuova generazione di macchine per la lavorazione laser di materiali trasparenti. Il sistema di posizionamento è composto da due parti; la prima permette il posizionamento del provino lungo gli assi del piano XY e presenta un apertura centrale quadrata che viene garantita sempre, anche nelle posizioni più estreme assunte dal sistema durante il funzionamento, mentre la seconda consente la movimentazione lungo l asse verticale dell ottica necessaria per la corretta focalizzazione del laser a femtosecondi utilizzato per la lavorazione del substrato. Sviluppare una soluzione compatta e precisa che permetta una significativa riduzione dei costi per rapporto alla soluzione attuale. Creazione del sistema che deve comprendere sia la parte meccanica di guida come pure la motorizzazione, la trasmissione ed i sistemi di misura necessari al controllo della velocità e della posizione. Il sistema progettato permette il posizionamento del provino in materiale trasparente lungo gli assi del piano XY; l assieme della struttura è possibile scomporlo in tre piani distinti montati uno sopra l altro, secondo una cinematica seriale. Il movimento relativo tra le tavole è concesso dallo spostamento delle guide a rulli incrociati utilizzate per vincolare il movimento lungo un unica traslazione e per facilitare lo scorrimento delle tavole. La trasmissione del movimento è possibile grazie all inserimento di una vite a ricircolo di sfere, la cui caratteristica principale è l assenza di gioco assiale, permettendo così di ottenere la precisione richiesta. Il funzionamento automatico del sistema è consentito da un riduttore planetario, il quale rende il sistema irreversibile, e da un motore a corrente continua. Il rilevamento costante della velocità di spostamento è effettuato da un encoder rotativo integrato nel motore, mentre la posizione è misurata da un encoder lineare formato da una riga ottica e da un lettore. Per non introdurre iperstaticità nel movimento delle tavole è stato aggiunto un giunto cardanico flessibile a colli prismatici, il quale permette di compensare eventuali disassamenti radiali ed angolari. Per la movimentazione lungo l asse Z sono stati dimensionati gli elementi chiave per la realizzazione del movimento lineare (guida a rulli incrociati e vite a ricircolo di sfere), ma non è stato possibile realizzare un assieme completo che inglobasse il tutto. 71

8 Loris Lucchini Maurizio Barbato HYDAC AG Studio della fluidodinamica dei canali di scorrimento del liquido in uno scambiatore di calore aria/ acqua-glicole La ditta HYDAC AG è specializzata nella costruzione di scambiatori di calore. È nato l interesse di sviluppare uno scambiatore di calore con tecnologia Plate & Bar che non presenti dei turbolatori interni per i canali del liquido di raffreddamento, in modo da alleggerire il prodotto finale e semplificare il processo di assemblaggio. Il progetto richiede uno studio CFD dei canali di scorrimento del liquido applicando differenti geometrie, con l obbiettivo di ottimizzare lo scambio termico minimizzando la caduta di pressione. In primo luogo è stato eseguito uno studio della letteratura esistente per prendere confidenza con l argomento degli scambiatori di calore. Successivamente si è passati alla realizzazione dei domini computazionali con le relative mesh che prendono in considerazione solamente una sezione ridotta dei canali di scorrimento dello scambiatore, in modo da rendere le analisi più rapide senza pregiudicare la correttezza dei risultati. Le prime simulazioni hanno permesso di stabilire dei parametri geometrici che rispettino le cadute di pressione imposte, successivamente sono stati svolti degli studi incrociati in cui vengono variati singolarmente parametri come altezza/diametro Dimple e spaziatura XY. L obiettivo principale del progetto è lo sviluppo di una geometria che ottimizzi lo scambio termico minimizzando la caduta di pressione. Per raggiungere l obiettivo è richiesto di: Acquisire la geometria interna dei canali del fluido dello scambiatore di calore. Definire il dominio computazionale e costruire la mesh per le simulazioni CFD. Effettuare le simulazioni CFD delle diverse configurazioni d interesse. Fornire una valutazione delle prestazioni delle diverse geometrie in termini di caduta di pressione e scambio termico. In totale sono stati realizzati e simulati 39 modelli con differenti caratteristiche geometriche. Fin dal primo modello si è dovuto intervenire sulla geometria per ridurre la caduta di pressione che risultava più elevata rispetto ai limiti imposti. Successivamente sono state sperimentate altre configurazioni con l obbiettivo di aumentare la scambio termico. Nella seconda parte dello studio le analisi sono state eseguite con l obiettivo di valutare l andamento dei risultati variando singolarmente specifiche entità geometriche, in modo da stimare il contributo sulle prestazioni dello scambiatore. Grazie a queste analisi è stato possibile stabilire un andamento generale dei risultati, così come l influenza sulle prestazioni data dalle singole variazioni geometriche. 72

9 David Polacsek-Maffei Davide Montorfano Progettazione di un banco prova da laboratorio per la misura delle prestazioni di una micro centrale idroelettrica Il committente prevede di mettere in servizio un laboratorio sperimentale volto allo studio delle tecniche energetiche. Tale laboratorio dovrà permettere agli studenti di confrontarsi e toccare con mano aspetti legati a prove sperimentali rivolte alla misura delle prestazioni di sistemi di conversione dell energia. È stato perciò proposto di studiare e progettare un banco prova da laboratorio per la messa in funzione di una micro turbina idraulica accoppiata ad un generatore elettrico. L impianto è in grado di misurare l energia meccanica in entrata ed in uscita dalla turbina, nonché di rilevare l energia elettrica prodotta. Specifiche : Circuito idraulico a ricircolo d acqua. Durata minima di funzionamento a regime stazionario 3 [min]. Salto netto massimo 25 ±0.5 [m]. Portata massima 6 [l/s]. Possibilità di dissipare l energia meccanica prodotta anche in caso di rimozione del generatore elettrico. Monitoraggio dell energia meccanica in ingresso. Ingombro massimo 2.0x1.5x3.0 [m]. Costo massimo CHF. Analisi e definizione delle richieste del committente. Indagine di mercato dei dispositivi necessari per la conversione dell energia. Studio e progettazione di massima dell impianto per la messa in funzione dei dispositivi di conversione dell energia. Esame, valutazione e scelta degli strumenti di misura da implementare sul banco di prova. Ricerca dei componenti standard di progettazione definitiva dell impianto completo. Realizzazione dei disegni costruttivi e stesura del manuale d uso del sistema. Analisi dei costi. Conclusioni L impianto progettato, grazie alla capienza del serbatoio e al sistema di regolazione proporzionale della pressione, è in grado di funzionare a regime stazionario alla massima portata richiesta per un minimo di 3 [min]. L energia meccanica in ingresso alla turbina può essere monitorata grazie ai sensori di flusso e di pressione inseriti nel circuito e mantenuta costante per mezzo di una valvola di regolazione proporzionale, il tutto con un errore massimo di ± 0.37 [m]. Il banco prova potrà simulare un salto netto di 25 [m] e garantire l intervallo delle portate richiesto. Sarà inoltre possibile applicare all albero della turbina, nel caso di rimozione del generatore elettrico, un carico meccanico prodotto dalla coppia resistente di un freno a polvere elettromagnetica. È stata inoltre valutata la possibilità di stoccaggio dell energia elettrica prodotta dal generatore con un sistema d accumulazione a batterie. Gli ingombri non sono stati pienamente rispettati così come le dimensioni del banco prova. Anche il costo massimo non è stato rispettato. 74

10 Carmine Sabia Simone Zavattoni Micro-Macinazione SA Studio di fattibilità di un mulino a spirale in condizioni supersoniche ad umidità controllata L azienda Micro-Macinazione SA intende sviluppare un nuovo processo per micronizzare polveri farmaceutiche in grado di evitare la disidratazione del principio attivo. Una possibile soluzione proposta dal committente è quella di introdurre nel processo una quantità adeguata di umidità relativa. Quest ultima deve essere opportunamente quantificata in modo da prevenire la condensazione evitando così che la fase liquida intacchi l'efficacia della macinazione. L implementazione di questo processo permetterebbe di evitare la perdita dell acqua di legame delle polveri, migliorando sia la dispersione granulometrica che la struttura superficiale del prodotto finito. Analisi della letteratura tecnicoscientifica per acquisire le nozioni necessarie sulla modellazione di flussi comprimibili ad alta velocità e per approfondire l argomento della condensazione in condizioni di non equilibrio termodinamico. Definizione del dominio computazionale, semplificazione della geometria e generazione della griglia di calcolo (mesh). Esecuzione delle simulazioni CFD monofase del processo a secco e a umido mediante l utilizzo del software ANSYS Fluent. Proposta di una possibile soluzione per il funzionamento del mulino a spirale in condizioni di umidità controllata. Il lavoro ha permesso di ottenere interessanti informazioni sulla fluidodinamica interna del mulino a spirale. La zona ottimale per l introduzione dell umidità è stata individuata in punti posti davanti agli ugelli all interno della camera di macinazione. L introduzione del vapore per mezzo di dodici punti di iniezione, sei sulla parete superiore e sei su quella inferiore della camera di macinazione, permette di ottenere un buon miscelamento con la fase gassosa grazie allo sfruttamento dell energia fornita dal gas proveniente dagli ugelli, evitando concentrazioni di umidità elevate nelle zone più critiche. L iniezione della miscela umida al posto del vapore puro permette di ottenere i migliori risultati di omogeneità della concentrazione. Tuttavia, a causa dell incertezza del modello empirico utilizzato, non è stato possibile definire in modo univoco lo stato del vapore in alcuni punti critici come le sezioni di uscita degli ugelli. 75

11 Damian Schapfel Luca Diviani Gigantek SA Piegatrice per lamiere modulare La ditta Gigantek SA, che produce una macchina piegatrice per lamiere modulare, ha riscontrato alcuni difetti nei manufatti e notevoli deformazioni dei componenti dell intera apparecchiatura durante il suo utilizzo in situazioni particolari. È stato quindi richiesto uno studio del problema e l individuazione di una soluzione applicabile alla macchina. Il lavoro è iniziato con un analisi strutturale della piegatrice in questione tramite l ausilio delle simulazioni ad elementi finiti, per valutarne la rigidezza complessiva ed individuarne i punti deboli. La soluzione proposta presenta una barra di torsione che permette il sincronismo nel movimento delle braccia durante la piegatura. Lo studio del meccanismo della soluzione trovata ha portato alla luce diverse problematiche: in casi particolari infatti il solo uso della barra di torsione comporta un sovraccarico della macchina e una conseguente rottura di alcuni componenti. Si è dunque resa necessaria l installazione di un sistema di controllo dei pistoni idraulici con feedback attraverso l utilizzo di estensimetri. Analizzare la macchina con differenti configurazioni e ricercare una correlazione tra i difetti rilevati sui manufatti e la rigidezza del sistema di chiusura. Proporre una soluzione che permetta di garantire una rigidezza costante sulla lama superiore e il parallelismo fra le due lame durante l operazione di piegatura. La fase iniziale di modellazione della macchina e le seguenti simulazioni hanno permesso di individuare la rigidezza dell apparecchiatura e metterne in evidenza i punti deboli. La soluzione realizzata mediante la barra di torsione permette di rispettare la tolleranza richiesta durante la fase di piegatura con la pressione minima dei pistoni a 60 bar. Sono state mantenute le specifiche che richiedevano che il sistema, per mantenere gli ingombri della macchina, rimanesse nella zona tra le gambe e le braccia. Non si è invece potuto progettare una soluzione puramente meccanica in quanto è necessario un sistema di sensori per la determinazione della posizione della lamiera così come delle valvole di pressione pilotate. Sono state rispettate le specifiche che richiedevano la regolazione delle parti per l adattamento all installazione e la soluzione retrofit (applicabile ai modelli già prodotti). Entrambi gli obiettivi sono stati sostanzialmente raggiunti. La nuova soluzione offre infatti un parallelismo tra le due lame con una tolleranza molto vicina a quella richiesta, consentendo di ottenere pressione più uniformi sulla lamiera ed una minor concentrazione di tensioni ai bordi della stessa. 76

12 Boris Schürmann Giovanni Furia Caffè Chicco d'oro Sistema di formatura scatole espositive La ditta Chicco d Oro di Balerna, specializzata nella produzione e nella torrefazione del caffè, ha la necessità di realizzare una macchina in grado di piegare e formare, partendo da delle sagome di cartone, un tipo di scatola espositiva. Queste scatole servono a migliorare la paletizzazione, il trasporto e la vendita di pacchi di caffè. Attualmente l operazione di formatura viene eseguita manualmente, con una produzione di circa 30 scatole all ora. Con questo studio si è voluta realizzare una macchina capace di velocizzare l operazione, raddoppiando la produzione. La macchina progettata è composta da due magazzini, che hanno il compito di accogliere le sagome per la realizzazione della scatola, un sistema di sfilatura dei cartoni dal magazzino e deposito sul piano di lavoro, utilizzato per entrambe le sagome ma con delle piccole differenze, ed un sistema di formatura capace di piegare e formare la scatola espositiva. Analisi di una serie di esempi di espositori usati attualmente e dei dispositivi sul mercato. Individuazione dei vari sistemi per mettere le pareti in posizione e determinare le sequenze di apertura e i movimenti per l incastro delle pareti stesse. Stesura del quaderno dei compiti del progetto con i requisiti per la progettazione del sistema automatico. Individuare le varie soluzioni per manipolare le scatole di forma e dimensioni diverse. Progettare i dispositivi per la formatura automatica degli espositori partendo dallo sviluppo della scatola piana. La soluzione scelta prevede una macchina divisa in struttura portante, dove è fissata l intera macchina, magazzini, che hanno il compito di accogliere le sagome di cartone, sistema di sfilatura, che preleva le singole sagome e le deposita sul piano di lavoro e sistema di formatura, che piega e forma le sagome realizzando così la scatola espositiva finale. L ingombro totale della macchina è di 4 metri di lunghezza, 2 metri di larghezza e 2.5 metri di altezza. L inserimento delle sagome di cartone nei magazzini, come il prelievo della scatola espositiva formata è effettuato manualmente da parte dell operatore. Il sistema di sfilatura comprende un pistone per la movimentazione, un sistema pulegge cinghia per la rotazione e un sistema di ventose per la presa delle sagome. Il sistema di formatura comprende delle barre, predisposte a formare quasi una coppia della sagoma grande della scatola espositiva, mentre per la movimentazione sono state utilizzate delle cerniere movimentate tramite pistone. 77

13 Shani Sebastian Malorgio Ivan Brugnetti Montanstahl SA Progettazione macchina per raddrizzatura profilati L obiettivo principale è lo studio e la progettazione di una macchina in grado di raddrizzare alcuni dei profilati guida prodotti per trafilatura. Questi profilati richiedono tolleranze di linearità non ottenibili dalla linea di produzione, pertanto richiedono una correzione meccanica in grado di rispettare le richieste restrittive del cliente finale. Una volta eseguita l analisi di tutto il processo produttivo per comprendere in dettaglio le problematiche legate all estrusione dei profili e conseguentemente le tecniche per eseguire la raddrizzatura, è stato richiesto di ideare una macchina automatica, integrabile nella linea di produzione attuale, che sia in grado di analizzare le caratteristiche del pezzo in entrata, calcolare le correzioni necessarie alla raddrizzatura, ed attuarle, così da ottenere in uscita un prodotto conforme. È stata esposta la soluzione finale con i vantaggi che si potranno ottenere oltre ad una prima valutazione del costo di realizzazione. Studiare e progettare una pressa cartesiana modulare. Analizzare, comprendere e documentare le problematiche e la tecnica di raddrizzatura dei trafilati in genere con particolare attenzione allo stato attuale. Proporre differenti soluzioni di processo e costruttive, scelta finale e stima dei vantaggi che si potranno ottenere. Valutare il costo finale della macchina. Conclusioni La macchina progettata permette di eseguire quanto richiesto dal committente. Il processo di raddrizzatura inizia con il caricamento del manufatto da trattare nella zona di alimentazione. Una volta caricato il profilato, un sistema di trascinamento a rulli gommati lo mette in movimento spostandolo progressivamente verso la zona centrale. La trazione, durante tale fase, viene garantita da un sistema di precarico modulare che dosa la forza verticale in funzione della sezione del pezzo. Questo sistema modulare permette alla macchina di processare in modo efficace ed efficiente trafilati con differenti caratteristiche dimensionali. Un sistema di lettura laser a scansione bidimensionale provvede all acquisizione progressiva dei valori di linearità del profilato, che verranno passati ad un elaboratore (non analizzato nel progetto a causa delle tempistiche troppo strette) il quale, a sua volta, dopo averli elaborati, attuerà una matrice di deformazione doppia. La matrice di deformazione, agendo sulla barra mediante il metodo di flessione a 4 punti, eliminerà l errore di linearità sul piano YZ. Grazie al design della matrice di deformazione, le due movimentazioni indipendenti realizzate da due attuatori lineari in grado di erogare i 156kN, permettono una correzione del profilo lungo i due assi principali del piano di raddrizzatura YZ. Una volta raddrizzata l intera barra, essa viene posta nella zona di scarico dove dei pistoni pneumatici provvedono alla sua espulsione dalla zona di lavoro, posizionandola nella zona di accumulo. Le operazioni di carico e scarico del profilo vengono agevolate da superfici di appoggio provviste di rulliere passive. 73

14 Andrea Semolini Alberto Ortona EngiCer SA Reattore CVD in continuo per il rivestimento di fibre Lo scopo del progetto consiste nello sviluppare un reattore di deposizione chimica in fase vapore per il rivestimento in continuo di carbonio su fibre di carbonio o SiC, ma si è esteso il campo di utilizzo per rendere possibile anche la deposizione di carburo di silicio su entrambe. La fase preliminare è consistita nello studio della letteratura per comprendere il processo CVD ed individuare i parametri di processo ideali, in particolare temperatura e pressione di deposizione. Sono stati poi raccolti i dati necessari per definire dei parametri di partenza e sono state impostate le simulazioni termo-fluido dinamiche che hanno permesso il confronto tra varie geometrie. È risultata migliore quella costituita da un unica resistenza centrale e zone adiacenti in materiale isolante. Un ulteriore ricerca ha riguardato il diametro del condotto per offrire il miglior compromesso tra profilo di riscaldamento e di raffreddamento rispetto ai consumi energetici. Quindi sono stati individuati i componenti che consentissero di realizzare le condizioni simulate. La progettazione meccanica della struttura consente di mantenere le condizioni di processo e di effettuare la sbobinatura e la successiva ribobinatura del bandolo da rivestire fornito avvolto su rullo in cartone. La macchina progettata garantisce il rivestimento in continuo di carbonio o carburo di silicio su fibre di carbonio o SiC. Descrizione della tecnica CVD. Dimensionamento termodinamico e meccanico della macchina. Individuazione delle condizioni d uso in base alla velocità del filo all interno del reattore. Le simulazioni termo-fluidodinamiche hanno mostrato che il riscaldamento migliore avviene utilizzando un forno con unica resistenza centrale. Con la progettazione ed il dimensionamento delle parti meccaniche è stata definita e costruita l attrezzatura che permette di generare le condizioni per la deposizione in continuo. Le condizioni finali di processo sono: 1000 C per la deposizione di C con metano C per deposizione di SiC con metiltriclorosilano Pascal di pressione assoluta in entrambi i casi. Velocità della fibra tra 2.26 e 22.6 mm/s per effettuare un deposito di spessore da 50 a 500 nm. 78

15 Alessio Tettamanti Davide Montorfano WM Wrapping Machinery SA Valutazione termica ed energetica di un forno industriale per un impianto di termoformatura L obiettivo del presente progetto è quello di analizzare e valutare dal punto di vista termico ed energetico il funzionamento di un forno industriale per un impianto di termoformatura. Tale valutazione è stata eseguita mediante metodi analitici che hanno permesso di identificare i principali flussi di calore che interessano l'impianto durante il suo regolare funzionamento, identificare le criticità dello stesso e proporre interventi atti a ridurne il consumo energetico. A valle di un'analisi della struttura e delle caratteristiche del forno, è stata proposta una geometria semplificata rappresentativa dell'intero dispositivo, utilizzata per produrre due diversi modelli analitici basti sull'analogia elettrica. Con il primo modello, utilizzato per un'analisi preliminare, sono stati considerati unicamente i contributi di scambio termico conduttivi e radiativi. Successivamente, in un secondo modello analitico, si sono implementati i fenomeni convettivi, inseriti dei fattori di vista per una più accurata valutazione degli scambi termici radiativi e aggiunti componenti ausiliari precedentemente esclusi dalla geometria. Fornire un analisi completa dei flussi di energia che interessano il forno. Proporre delle metodologie di miglioramento atte a ridurre i consumi energetici del dispositivo. Fornire un modello predittivo che permetta di determinare la temperatura raggiunta dal polimero in funzione di quella dei termo resistori. Conclusioni Il modello analitico finale fornisce una potenza termica entrante nel volume di controllo diversa, inferiore da quella misurata sperimentalmente. Tale differenza è verosimilmente la conseguenza di alcune semplificazioni e assunzioni che ancora rimangono nel modello analitico, quali la riflessione del polimero non implementata, l assenza di valutazioni 3D e conseguente mancanza di correlazione tra sotto-volumi di controllo, i fenomeni convettivi sottostimati. Il modello ottenuto offre tuttavia la possibilità di trarre importanti indicazioni individuando le tre regioni più critiche del forno in termini di perdite di calore. Per tali zone sono dunque state proposte soluzioni atte a ridurre le perdite energetiche. Per quanto riguarda la previsione della temperatura raggiunta dal polimero in funzione di quella dei termoresistori, il modello ottenuto e richiesto dal committente fornisce risultati con un errore che si attesta intorno al 5%. Sarà tuttavia necessario effettuare ulteriori prove con altri materiali per validare il modello predittivo proposto. A valle di questa ulteriore verifica sarà eventualmente possibile calcolare un fattore correttivo che tenga conto delle approssimazioni introdotte. 79

16 Davide Trapletti Daniele Crivelli Monitoraggio delle forze di taglio nella fresatura EduCNC è un progetto con il quale si vuole progettare e realizzare una piccola ma versatile macchina a controllo numerico con scopo prevalentemente didattico. Per il dimensionamento della struttura e dei componenti è opportuno conoscere i carichi massimi ai quali essa è sottoposta. È stato progettato un sistema di monitoraggio delle forze di taglio nella fresatura. La ricerca, lo studio e l analisi dettagliata delle problematiche e delle tecniche di misurazione hanno consentito di comprenderne il funzionamento e di confrontare le caratteristiche delle soluzioni esistenti. Escluse le soluzioni commerciali, molto care e didatticamente meno interessanti, si è deciso di sviluppare una cella di carico con estensimetri elettrici resistivi (foil strain gauges). Analizzare, comprendere a fondo e documentare le problematiche e la tecnica legate alla misura delle forze di taglio nella fresatura. Definire la soluzione più opportuna per il dimensionamento della macchina EduCNC. Studiare e progettare la soluzione scelta. Le forze di taglio rilevanti nella fresatura sono due: tangenziale e radiale. Il dispositivo progettato per la loro misurazione è composto da due celle di carico a flessione differenziale, disposte in serie. Le celle sono state dimensionate per poter misurare un ampia gamma di forze in maniera da poter testare differenti condizioni variando ad esempio il materiale, il diametro dell utensile, il tipo di lavorazione, ecc. La progettazione è stata effettuata utilizzando il metodo degli elementi finiti (FEM). Per i casi analizzati si è riscontrato un errore compreso tra il 3.5 ed il 6.3% tra la forza applicata e quella ottenuta leggendo le deformazioni nella posizione degli estensimetri. Un analisi modale dell intero sistema ha permesso di identificare una frequenza di 400Hz per il primo modo di vibrare. Il materiale con il quale vengono realizzate le celle, acciaio per molle inossidabile X5Cr- NiCuNb1744, possiede un elevato limite di snervamento (e dunque ampie deformazioni) e consente un utilizzo anche in condizioni di lubrificazione con olio da taglio. Il campione in alluminio da fresare, avente una superficie di lavoro di 80 x 100mm, viene collegato alla cella tramite un accoppiamento filettato ed il tutto viene fissato al bancale della macchina utensile. 80

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