Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”
DIPARTIMENTO DI
DIPARTIMENTO DI
INGEGNERIA MECCANICA
LE NOSTRE RICERCHE
Anno 1, 2010
Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”
Dipartimento di Ingegneria Meccanica
Via del Politecnico 1
00133 ROMA
Tel. +39 06 72597159 – Fax +39 06 2021351
http://www.mec.uniroma2.it
A cura dell’Ing. Sandra Corasaniti
Per contributi, commenti, suggerimenti,…rivolgersi a:
ing. Sandra Corasaniti
e-mail: [email protected]
Tel. +39 06 72597130
Le nostre ricerche
2010
INTRODUZIONE
Nel presentare le attività di ricerca del Dipartimento di Ingegneria Meccanica
dell'Università di Roma “Tor Vergata”, mi pare importante sottolineare, anzitutto,
quella che noi riteniamo una caratteristica di modernità di questa struttura. Le sfide
tecnologiche che dovremo affrontare nel medio lungo termine e le richieste del sistema
produttivo del paese, mettono ogni giorno di più in evidenza la necessità di un
approccio multidisciplinare, che rimescoli le categorie della ricerca all'interno delle
quali molto di noi si sono formati ed hanno operato finora. La presenza di Ingegneri e
Fisici Applicati nel Dipartimento permette una continua e proficua interazione tra
attività che sono alla frontiera dello sviluppo scientifico-tecnologico e la loro
integrazione nelle applicazioni. E' uno scambio bidirezionale quello in cui siamo
coinvolti: l'esplorazione di nuove ed innovative aree di ricerca si confronta, infatti, con
la finalizzazione applicativa delle attività, con gli ovvi benefici che entrambe ne possono
ricavare.
Proprio per valorizzare questa nostra peculiarità è nato nel Dipartimento un
Laboratorio Integrato della Meccanica (LIM) che mette insieme ricercatori di varia
estrazione, competenze ed attrezzature, allo scopo di fornire una risposta strutturata
alla richiesta di interdisciplinarità che ci viene dall'esterno, ma anche dal naturale
sviluppo delle nostre ricerche.
I risultati di questo nostro approccio sono immediatamente riscontrabili nella mole
significativa di attività con aziende di vari settori che investono nelle nostre ricerche,
ma anche dai nostri successi nella partecipazione a progetti di ricerca nazionali ed
internazionali.
Abbiamo tentato di dare in questo breve documento una sintetica descrizione delle
ricerche del nostro Dipartimento, facendo una selezione di quelle che riteniamo più
significative. Quello che vedrete rappresentato nelle pagine a seguire, non è, quindi, un
repertorio esaustivo delle nostre attività, ma speriamo possa comunque aiutare nel
formarsi di una idea su ciò che sappiamo, possiamo e vogliamo fare. Abbiamo cercato
di realizzare questo documento come uno strumento divulgativo e di primo contatto
con il nostro Dipartimento, sperando che possa indurre nei lettori la volontà di una
conoscenza più approfondita.
Da ultimo vorrei ringraziare l'Ing. S. Corasaniti per l'impegno profuso nella stesura
di questo documento, che senza la sua pazienza non avrebbe probabilmente visto la
luce.
Massimo Marinelli
Sommario
Disegno e Metodi
dell’Ingegneria Industriale
 Simulazione dei Sistemi
Biomeccanici e Progettazione ed
Ottimizzazione Ausili Biomedicali
4
 Implementazione di
Architetture di Realtà Aumentata
a Supporto dell’Ingegneria
Industriale
5
 Archeologia Virtuale
6
 Tecniche di Progettazione
Integrata di Organi per
7
Trasmissioni di Potenza
 Metodologie di Sintesi, Analisi
e Simulazione di Meccanismi con
Errori e Tolleranze
8
Fisica Applicata
 Disturbi sulla Propagazione
delle Onde Radio VLF/LF
9
 Possibili Effetti Biologici
Prodotti da Radiazioni Non
Ionizzanti (Frequenze di qualche
Gigahertz)
10
 Variazioni nel Livello delle
Acque Sotterranee e nel
Contenuto di Gas e Ioni Disciolti
in esse: Correlazioni con
l’Attivita’ Sismica
11
Fisica della Materia e
Scienza dei Materiali
 Sintesi e Caratterizzazione di
12
Cuprati Superconduttori
 Sintesi di Conduttori Ionici ed
Implementazione in Dispositivi
-SOFCs (Solid Oxide Fuell
Cells)
13
 Film Sottili di Manganiti: Strain
Epitassiale, Occupazione
Orbitalica e Struttura Magnetica
14
Fisica Sperimentale
Fisica Tecnica Industriale
 Analisi di Dati Provenienti dalla
Macchina a Fusione JET
15
 Simulazione Teorica e
Numerica di Fenomeni
Termofluidodinamici
24
 Misure Sperimentali e
Previsione Teorica della
25
Conduttività Termica
 Previsione dei Consumi e dei
Prezzi delle Risorse Energetiche
 Monitoraggio Ambientale con
16
Tecniche Laser
 Mobilizzazione di Polveri per
lo Studio di Perdite di Vuoto in
Reattori Nucleari
17
 Generazione di Radiazione XSoft da Plasma indotto da Laser
18
 Tecniche Diagnostiche per la
Caratterizzazione di Plasmi
indotti da Laser nell’ambito della
Ignizione Veloce
19
 Crescita e Caratterizzazione di
Film di Diamante CVD e loro
Applicazioni
20
 Studio delle Transizioni di
Fase e dell’Anisotropia dei
Fenomeni di Trasporto Termico
21
 Analisi Non Invasive Tramite
Termografia IR. Diagnostica dei
22
Beni Culturali
 Studio di Processi e Materiali
Organici Innovativi per
Applicazioni alle
Telecomunicazioni Ottiche e alle
I.T.
23
26
 Termofluidodinamica di Getti e
Fiamme
27
 Proprietà Termofisiche di
Materiali a Temperatura
Ambiente e ad Alta Temperatura
28
 Misura di Temperatura e
Turbolenza di Fiamme
29
 Progettazione e Valutazione
Economica di Centrali di
Generazione Elettrica e
Cogenerazione a Biomasse
Legnose
30
Fluidodinamica
 Simulazione Numerica di Flussi
Turbolenti
31
Impianti Industriali
Meccanici
 Energy Management
32
 Monitoraggio ed
Ottimizzazione delle Prestazioni
degli Impianti Manifatturieri 33
 Manutenzione degli Impianti 1212 11
Industriali
34
35
 Gestione della Qualità
11 1
Macchine a Fluido
 Design e Testing di Sistemi di
Post-trattamento dei Gas di
Scarico di Motori a Combustione
Interna
36
 Design e Testing di Dispositivi
e Sistemi per la produzione e
l’utilizzo di Idrogeno
37
 Design di Motori a
Combustione Interna alimentati a
Gas Naturale ad Elevato
Rendimento
38
Meccanica Applicata alle
Macchine
 Cinematica e Dinamica dei
Sistemi Multibody
39
 Enumerazione ed Analisi di Viti
Differenziali
40
Metallurgia
 Schiume Metalliche
41
 Struttura di Metalli Liquidi
durante Fusione e Solidificazione
42
 Evoluzione Microstrutturale e
Meccanica di Compositi di
Titanio rinforzati con Fibre
Lunghe di SiC dopo Trattamenti
Termici di Lungo Periodo a
Medie Temperature
43
 Sviluppo della Tecnica di
Indentazione Strumentata FIMEC
per Alte Temperature
44
 Leghe a Memoria di Forma
(SMA) da impiegare come
Sensori di Temperatura e/o
Attuatori
45
 Processi di Saldatura per le
Leghe Metalliche
46
Progettazione Meccanica
e Costruzione di Macchine
Tecnologie e Sistemi di
Lavorazione
 Ottimizzazione delle
Prestazioni del Cartone Ondulato
 Schiumatura allo Stato Solido di
Resine Termoindurenti
60
 Schiume Polimeriche a Memoria
di Forma ottenute mediante
Schiumatura allo Stato Solido 61
 Piegatura Laser di Tubi in
Acciaio e di Schiume in Lega
d’Alluminio
62
 Stampaggio Diretto di Pellet
Polimerici
63
 Microstampaggio Laser Assistito
di Pellet Termoplastici
64
47
 Modellazione di Problemi di
Interazione Fluido Struttura 48
 Uso di Tecniche NDT per la
Valutazione dello Stato di
Danneggiamento dei Componenti
Meccanici
49
 Gli Strumenti del Race
Engineering
50
 Caratterizzazione Strutturale e
Metodi di Progettazione di
Strutture Saldate a Punti
51
 Caratterizzazione Strutturale
di Strutture Rivettate
52
 Analisi Teorica e Soluzione in
Forma Chiusa di Dischi Rotanti e
Piastre a Profilo Variabile
53
 Progettazione di Riduttori
Meccanici Innovativi
54
 Modello di Calcolo per la
Dinamica Longitudinale dei
Convogli Ferroviari
55
 Propagazione di Fratture
Longitudinali in Gasdotti Interrati
56
 Dispiegamento Ottimale di
57
Costellazioni Satellitari
 Messa a Punto di Sistemi di
Navigazione Inerziale a Basso
Costo
58
 Comportamento Dinamico di
Strutture e Sistemi Meccanici
Innovativi
59
Diritto Commerciale
 Diritto Commerciale
65
Le nostre ricerche
DISEGNO E METODI DELL’INGEGNERIA INDUSTRIALE
Simulazione dei
Sistemi
Biomeccanici e
Progettazione ed
Ottimizzazione
Ausili Biomedicali
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof Eugenio Pezzuti
[email protected]
 Ing. Pier Paolo Valentini
[email protected]
 Ing. Davide Gattamelata
[email protected]
Pubblicazioni
 P.P. Valentini, “Virtual
dummy with spine model for
automotive
vibrational
comfort
analysis”,
International Journal of Vehicle
Design – (in stampa), ISSN
0143-3369.
 D. Gattamelata, E. Pezzuti,
P.P. Valentini, “Accurate
geometrical constraints for
the
computer
aided
modelling of the human
upper limb”, Computer-Aided
Design, vol. 39, pp. 540-547,
2007, ISSN: 0010-4485.
 P.P. Valentini, E. Pennestrì,
R. Stefanelli and L. Vita,
“Virtual
musculo-skeletal
model for the biomechanical
analysis of the upper limb”,
Journal of Biomechanics, vol.
40, pp. 1350-1361, 2007,
ISSN: 0021-9290.
.
DESCRIZIONE
L’attività prevede lo sviluppo e l’implementazione di modelli virtuali per la
simulazione del comportamento dei sistemi biomeccanici. Particolare attenzione è
stata posta al problema del comfort vibrazionale per il quale sono stati definiti e
validati numerosi manichini virtuali con complessità via via crescente e con
numerosi approcci numerico simulativi. Sono state investigate anche metodiche
innovative per la simulazione dei sistemi muscolo scheletrici, con particolare
riferimento ai sistemi mano-braccio e colonna vertebrale al fine di simulare gli
schemi di attivazione muscolare e di riprodurre con accuratezza la cinematica dei
movimenti. Attualmente sono oggetto di studio i sistemi di analisi del movimento
basati su tecniche ottiche con particolare riferimento all’investigazione dei gesti
sportivi in collaborazione con il gruppo di Meccanica Applicata alle Macchine. Altre
attività hanno riguardato la simulazione di procedure di passivazione ed
implantoprotesi dentaria e l’ottimizzazione di protesi ed ortesi.
RISULTATI
Nel corso delle attività di ricerca è stato messo a punto un manichino virtuale per
lo studio delle vibrazioni trasmesse al corpo umano che, allo stato attuale, permette
la descrizione delle principali articolazioni umane e della mobilità della colonna
vertebrale. Tale manichino, il più accurato a livello internazionale, è stato validato
mediante opportune campagne sperimentali condotte con partner industriali ed è in
grado di stimare la dose di vibrazione assorbita da un occupante di vettura in
accordo con gli attuali standard normativi. A partire dall’accurata modellazione e
simulazione del comportamento biomeccanico del corpo umano sono stati messi a
punto degli innovativi dispositivi di ausilio sia per quanto riguarda particolari
patologie cliniche sia a supporto dei diversamente abili. Tra i vari dispositivi
progettati meritano di essere ricordati l’SDTA - lo schienale dinamico a torsione
adattabile e la pedana di bloccaggio per carrozzine entrambi oggetto di brevetti
industriale.
Ulteriori risultati delle attività di ricerca riguardano l’ottimizzazione di metodiche di
implantologia dentale mediante tecniche di simulazione avanzate.
4
Le nostre ricerche
DISEGNO E METODI DELL’INGEGNERIA INDUSTRIALE
DESCRIZIONE
L’attività riguarda l’implementazione di architetture hardware e software per lo
sviluppo di applicativi di realtà aumentata a supporto delle attività di progettazione,
revisione e simulazione nel settore dell’ingegneria industriale. La realtà aumentata è
un settore emergente che coniuga aspetti di analisi dell’immagine, grafica
computerizzata e metodologie di gestione dati. Essa permette la sovrapposizione in
tempo reale di oggetti e informazioni bi e tridimensionali direttamente in una scena
reale. Al contrario della realtà virtuale, dove l’utente è completamente immerso in
un mondo virtuale, la realtà aumentata offre la possibilità di visualizzare e interagire
contemporaneamente sia con oggetti reali, sia con quelli virtuali, prestandosi in
maniera ottimale per lo sviluppo di applicazioni e metodologie a supporto
dell’ingegneria.
Attualmente le attività di ricerca si concentrano su due aspetti specifici:
l’implementazione di metodiche di modellazione solida in ambiente aumentato
mediante lo sviluppo di opportune interfacce utente e l’integrazione dei solutori
multiphysics real-time a supporto delle simulazioni cinematiche e dinamiche in
ambiente aumentato.
RISULTATI
Nel corso delle attività di ricerca è stato allestito un laboratorio di realtà aumentata
comprendente un sistema di visione stereoscopica, periferiche di acquisizione
digitale delle immagini, sistemi di tracciamento ottici e elettromagnetici, interfacce
aptiche e sistemi hardware ad elevate prestazioni grafiche in grado di adattarsi in
maniera flessibile all’implementazione di metodiche e procedure informatizzate. In
particolar modo sono state implementate procedure originali per i seguenti settori
dell’ingegneria: manutenzione aumentata, modellazione tridimensionale interattiva,
ingegneria inversa, assemblaggio assistito, simulazione cinematica e dinamica
interattiva.
5
Implementazione
di Architetture di
Realtà Aumentata
a Supporto
dell’Ingegneria
Industriale
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Eugenio Pezzuti
[email protected]
 Ing. Pier Paolo Valentini
[email protected]
 Ing. Davide Gattamelata
[email protected]
Pubblicazioni
 P.P. Valentini, “Interactive
virtual
assembling
in
augmented
reality”,
International
Journal
on
Interactive
Design
and
Manufacturing vol. 3, 2009,
pp. 109-119, ISSN 19552513.
 P.P. Valentini, E. Pezzuti,
D. Gattamelata, Interactive
multibody
simulation
in
Augmented Reality, Proc. of
ECCOMAS
Multibody
Dynamics
Congress,
Warsaw, Poland, Giugno
2009.
 P.P. Valentini, E. Pezzuti,
D. Gattamelata, Virtual
engineering in augmented
reality, capitolo all’interno
di: Computer Animation, Nova
Publishing (in stampa)
Le nostre ricerche
DISEGNO E METODI DELL’INGEGNERIA INDUSTRIALE
Archeologia
Virtuale
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof Eugenio Pezzuti
[email protected]
 Ing. Pier Paolo Valentini
[email protected]
 Ing. Giampietro Piscopo
[email protected]
Pubblicazioni
 E. Pezzuti, P.P. Valentini,
et al., “Una Metodologia per
l’Analisi e l’Archiviazione di
Reperti Archeologici Basata
sul Rilievo Mediante Scanner
Laser Tridimensionali a NonContatto” Archiviazione e
Restauro di Reperti Archeologici
Mediante tecniche CAD-RP,
Napoli 2004, pp. 45-86, ISBN
88-900081-7-2.
 E. Pezzuti, P.P. Valentini, et.
al.
“Computer
Aided
Reconstruction of Italian
Ancient Clocks”, Computer
Animation and Virtual World,
vol.17, pp.565-572, 2006,
ISSN: 1546-4261.
 E. Pezzuti, G. Piscopo, P.P.
Valentini, et al. “Una
metodologia per il rilievo, la
catalogazione
e
la
ricostruzione di reperti
archeologici” – Atti del
congresso ADM-AIAS 2004,
Bari.
DESCRIZIONE
L’attività prevede l’impiego delle moderne tecniche di acquisizione delle geometrie
basate su scanner laser, di modellazione tridimensionale e simulazione del
movimento a supporto dell’allestimento di ricostruzioni virtuali di reperti, manufatti
e sistemi di elevato valore storico-culturale. Particolare interesse hanno rivolto le
ricostruzioni virtuali dei principali orologi da torre del territorio nazionale. Inoltre,
sono state oggetto di investigazione le metodiche a supporto alla ricostruzione e
catalogazione automatica dei frammenti di vasellame. In collaborazione con la
Cattedra di Meccanica Applicata alle Macchine sono state condotte delle
investigazioni sulla ricostruzione virtuale delle geometrie e la simulazione del
funzionamento di alcuni orologi da torre italiani.
RISULTATI
Le attività hanno riguardato l’allestimento di un laboratorio di ingegneria inversa
specializzato in ricostruzioni archeologiche allestito con uno scanner laser
tridimensionale e una telecamera analogica ad alto ingrandimento. Gli studi
specifici riguardanti applicazioni delle metodologie hanno interessato i frammenti di
vasellame rinvenuti in siti archeologici alla foce del fiume Sele (Campania) nel corso
di un progetto PRIN. Sono stati messi a punto e testati da archeologi dei sistemi
informatizzati di supporto alle decisioni di catalogazione e ricostruzione assistita dei
reperti.
6
Le nostre ricerche
DISEGNO E METODI DELL’INGEGNERIA INDUSTRIALE
DESCRIZIONE
L’attività prevede la modellazione e simulazione virtuale di numerosi sistemi e
sottosistemi meccanici basata sulle moderne tecniche multibody e flexible
multibody a supporto di tutte le fasi di progettazione concettuale, di dettaglio ed
ottimizzazione.
Particolare attenzione è stata rivolta ai sistemi di trasmissione di potenza per uso
automobilistico. Al fine di validare i modelli numerici è stato allestito un banco
prova strumentato in collaborazione con il Gruppo di Meccanica Applicata alle
Macchine.
Le attività sono state parzialmente sviluppate nell’ambito del progetto cofinanziato
PRIN 2002-2004: “Cinematica e dinamica dei giunti di trasmissione e dei
meccanismi di selezione dei cambi robotizzati”.
RISULTATI
Sono stati oggetto delle ricerche differenti tipologie di camme automobilistiche
(bidimensionali e tridimensionali), di giunti di trasmissione, dei rotismi, dei
meccanismi a vite. Per ciascuna di queste categorie sono stati proposti dei modelli
simulativi molto dettaglianti comprendenti fenomeni di contatto, attrito,
lubrificazione, vincoli ridondanti, elasticità, introdotti con approcci innovativi ed
originali. Particolare attenzione è stata data alla definizione di procedure di calcolo
per la stima delle prestazioni cinematiche, dinamiche ed energetiche.
. Tecniche di
Progettazione
Integrata di Organi
per Trasmissioni di
Potenza
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof Eugenio Pezzuti
[email protected]
 Ing. Pier Paolo Valentini
[email protected]
in collaborazione con il
gruppo di meccanica
Applicata (Prof. Ettore
Pennestrì)
Pubblicazioni
 Valentini, P.P., Pennestrì,
E., “Kinematic Design and
Multibody Analysis of the
Rzeppa Pilot-Lever Joint”,
IMECHE, Part K, Journal of
Multi-body Dynamics, vol. 222,
ISSN: 1464-4193, 2008.
 P.P. Valentini, E. Pennestrì
“Design and simulation of a
variable timing and lift cam
mechanism”, IMECHE, Part
D, Journal of Automobile
Engineering vol. 223. ISSN
0954-4070.
 Pennestrì E., Valentini P.P.,
et al. “Efficiency and wear in
cam actuated robotized
Gearbox”, Int. J. of Vehicle
Design Vol. 26 n. 3, 2008,
ISSN 0143-3369
.
7
Le nostre ricerche
DISEGNO E METODI DELL’INGEGNERIA INDUSTRIALE
Metodologie di
Sintesi, Analisi e
Simulazione di
Meccanismi con
Errori e Tolleranze
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof Eugenio Pezzuti
[email protected]
 Ing. Pier Paolo Valentini
[email protected]
 Ing. Giampietro Piscopo
[email protected]
Pubblicazioni
 P.P. Valentini, “Tolerance
allocation in spatial cam
assembly
for
vehicle
applications”, Int. Journal for
Vehicle Systems Modeling and
Testing, vol. 3, 2008, ISBN
1745-6436.
 Pezzuti, E., Valentini, P.P. et
al.,
“Computer
Aided
Simulation and Testing of
Spatial Linkages with Joint
Mechanical Errors” Int. J. For
Numerical
Methods
in
Engineering , vol. 65, 2006,
ISSN 0029-5981.
 E. Pezzuti, D. Gattamelata,
G. Piscopo, “Dimensional and
geometrical
tolerance
synthesis based on constrained
optimization: an industrial
case”, Int. J. of Computer
Application
in
Technology,
Vol.33 n., pp, ISSN 0952-8091.
DESCRIZIONE
L’attività prevede lo sviluppo, l’implementazione e l’applicazione di metodiche
CAD a supporto della sintesi e dell’analisi degli effetti delle tolleranze
geometriche e dimensionali sulle prestazioni dei sistemi meccanici, con particolare
riferimento ai sistemi con gradi di libertà. Sebbene le metodologie implementate
siano assolutamente flessibili e possano essere applicate a una larga parte dei
meccanismi, sono state approfondite le implicazioni riguardanti gli effetti delle
tolleranze di lavorazione e montaggio su differenti tipologie di giunti di
trasmissione utilizzati nella pratica industriale. Le attività di ricerca hanno
riguardato, inoltre, l’esplorazione di metodiche numeriche innovative quali
l’algebra duale e le formulazioni ibride rigido-flessibili e la valutazione delle
caratteristiche superficiali.
RISULTATI
I risultati delle attività di ricerca hanno riguardato la messa a punto di numerose
metodologie mediante l’implementazione di algoritmi sistemici. Sono state
sviluppate delle procedure sia per lo studio dei meccanismi a corpi rigidi, sia a
corpi flessibili. Si sono proposti degli approcci innovativi per integrare tali
metodiche all’interno di applicativi CAE commerciali. Per le principali tipologie di
giunti di trasmissione industriale (cardanico, Rzeppa omocinetico, Rzeppa non
omocinetico, Tracta, tripode) sono state prodotte delle carte e tabelle di
progetto utili ai fini della scelta ottimale delle tolleranze di fabbricazione e
montaggio. Tali carte sono state dedotte a partire da implementazioni numeriche
delle metodologie messe a punto e validate da opportune campagne sperimentali
svolte in collaborazione con il Gruppo di Meccanica Applicata alle Macchine.
8
Le nostre ricerche
FISICA APPLICATA
DESCRIZIONE
Già da qualche decennio sono state intraprese ricerche sulla connessione esistente
tra segnali elettromagnetici nell’atmosfera e fase preparatoria di un terremoto. In
questo ambito si collocano gli studi sui disturbi nelle trasmissioni radio, provocati
dall’attività sismica. I primi risultati furono ottenuti in Russia e in Giappone
nell’ultimo decennio, studiando la propagazione dei segnali VLF (20-60 kHz), usati
per la radionavigazione, per i segnali orari e per scopi militari, la cui propagazione
avviene nell’interfaccia Terra-bassa ionosfera. La novità dello studio condotto in
Italia è stata quella di utilizzare una strumentazione ricevente LF sintonizzata su
emittenti radio che trasmettono segnali con frequenze comprese tra 150 e 300
kHz , la cui propagazione avviene prevalentemente in troposfera e nella bassa
ionosfera. L’analisi dei dati si basa sulle variazioni di ampiezza dei radiosegnali
provenienti da diverse trasmittenti. Le anomalie riscontrate sia nei segnali VLF che
LF, diversi giorni prima di alcuni terremoti, vengono correlate con una anormale
ionizzazione nella bassa ionosfera, o con la presenza di strati riflettenti e zone di
scattering in troposfera, le cui cause più probabili sembrano essere emissioni di
radon, ioni o onde elettromagnetiche, provenienti dalla zona focale del futuro
terremoto. Recentemente, si è progettata e realizzata in Italia una ricevente VLFLF: nel gennaio 2009 è stata organizzata e messa a punto la rete di monitoraggio
VLF-LF, costituita da riceventi italiane e russo-giapponesi come illustrato in figura.
RISULTATI
I dati VLF-LF raccolti negli ultimi anni hanno evidenziato diversi effetti presismici in
occasione di vari forti terremoti. La prima strumentazione LF era installata in due
diverse zone dell’Appennino Centrale ed ha fornito risultati interessanti in
occasione di alcuni eventi sismici verificatisi entro un raggio di 30–40 km dalle
stazioni. Inoltre, il contemporaneo esame dei dati meteorologici su larga scala, ha
consentito di porre in luce una ulteriore concomitanza tra i disturbi nella
propagazione delle radioonde e alcuni particolari fenomeni termici nella
troposfera. La nuova rete VLF-LF attivata ha già evidenziato chiarissimi precursori
alcuni giorni prima del terremoto dell’Abruzzo del 6 aprile 2009, quando sia la
stazione LF di Assergi (Gran Sasso) che quella VLF di Mosca hanno evidenziato
chiare anomalie nella propagazione dei segnali, verificatesi alcuni giorni prima del
terremoto.
..
9
Disturbi sulla
Propagazione delle
Onde Radio VLF/LF
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Anita Ermini
[email protected]
Pubblicazioni
 A.Ermini et al.: “ Electric
field strength analysis of 216
and 270 kHz broadcast signals
recorded during 9 years”,
Radio Science, 41, 2006.
 A.Ermini et al: “Decrease in
the electric intensity of
VLF/LF radio signals and
possible connections”, Natural
Hazards and Earth System
Sciences, 7, 423-430, 2007.

A.Ermini
et
al.:
“Disturbances in a VLF radio
signal prior the M=4.7
offshore Anzio (central Italy)
earthquake on 22 August
2005”, Natural Hazards and
Earth System Sciences, 8,
1041-1048, 2008.
 A.Ermini et al., “A
preseismic radio anomaly
revealed in the area where
the
Abruzzo
earthquake
(M=6.3) occurred on 6 April
2009”, Natural Hazards and
Earth System Sciences, 9, 15511556, 2009.
 A. Ermini et al. : “Anomalies
in VLF radio signals prior the
Abruzzo earthquake (M=6.3)
on 6 April 2009”, Natural
Hazards and Earth System
Sciences, 9, 1727-1732, 2009.
Le nostre ricerche
FISICA APPLICATA
Possibili Effetti
Biologici Prodotti da
Radiazioni Non
Ionizzanti (1-3) GHz
DESCRIZIONE
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Anita Ermini
[email protected]
RISULTATI
La ricerca è ancora nelle sue prime fasi. Il prototipo costruito è quello di una
camera riverberante per la generazione di un campo e.m. statisticamente uniforme,
con frequenza variabile tra 1 e 2 GHz. Il problema principale che si è presentato è
stato quello di definire con precisione il campo e.m. a vuoto e, successivamente,
con le cavie all’interno. E’ stata completata una prima taratura del sistema,
utilizzando dei “phantoms” realizzati con contenitori in vetro, riempiti di soluzione
fisiologica, per simulare le cavie di laboratorio. Attualmente si sta sviluppando un
secondo tipo di fantoccio plastico, per affinare le operazioni di taratura.
Pubblicazioni
 A.Ermini et al. “A
reverberation chamber to
investigate
the
possible
effects of “in vivo” exposure
of rats to 1.8 GHz
electromagnetic fields: a
preliminary study” Progress
In Electromagnetics Research,
PIER 94, 133-152, 2009.
Da alcuni anni vengono effettuate esperienze di laboratorio finalizzate ad
evidenziare possibili effetti sanitari legati all’interazione della radiazione RF sui
sistemi biologici. A tale scopo è stato realizzato, in collaborazione con le Università
di Bari e di Foggia, un prototipo di camera riverberante per l’irradiazione di cavie.
La novità del sistema è di essere “in vivo”, il che consente di irradiare cavie non
immobilizzate, ma nel loro ambiente abitativo normale.
10
Le nostre ricerche
FISICA APPLICATA
DESCRIZIONE
Ormai da alcuni decenni vengono condotti in tutto il mondo studi su parametri
geochimici e idrogeochimici, la cui principali finalità è quella di verificare la
correlazione tra le variazioni di tali parametri e la fase di preparazione di un
terremoto. A tal scopo esiste una attiva collaborazione con il Servizio di
Sismologia e Vulcanologia della Kamchatka che, fin dal 1976, campiona e analizza
acque sotterranee di pozzi profondi e sorgenti. Il data base pluridecennale
costituito è oggetto di analisi che hanno permesso e permetteranno il
raggiungimento di conclusioni significative sul ruolo delle variazioni di parametri
geochimici nello studio dei fenomeni precursori dei terremoti. Inoltre, in Italia,
viene monitorata la portata di una sorgente nei pressi della grotta di Assergi (Gran
Sasso), che ha rivelato variazioni connesse alla sismicità.
RISULTATI
Le lunghe serie di dati idrogeochimici raccolti in Kamchatka (Russia) hanno reso
possibile l’evidenziazione di correlazioni tra forti terremoti (magnitudo maggiori o
uguali a 7.0) e variazioni anomale del contenuto di gas e ioni disciolti in acque
sotterranee. In particolare è stato possibile osservare la presenza di precursori sia
a breve che a medio termine (ordine di qualche mese) relativi a terremoti distanti
100-150 km dai punti di misura, ma lo studio ha permesso anche di definire alcuni
caratteri di disomogeneità della situazione strutturale sotterranea, che individuano
delle direzioni preferenziali nella propagazione dello stress e quindi permettono di
definire zone più o meno “sensibili” per la rilevazione dei precursori. A ciò si
aggiunge anche la correlazione che sembra emergere tra tipi di precursori (gas o
ioni) e profondità del successivo terremoto. Per quanto riguarda la sorgente di
Assergi, un notevole incremento della portata si è verificato prima del terremoto
dell’Abruzzo del 6 Aprile 2009, configurandosi come un precursore a medio
termine.
Circles represent earthquakes, S means natural spring, W means drilled well
11
Variazioni nel Livello
delle Acque
Sotterranee e nel
Contenuto di Gas e
Ioni Disciolti in esse:
Correlazioni con
l’Attività Sismica
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Anita Ermini
[email protected]
Pubblicazioni

A.Ermini
et
al.:
“Disturbances in groundwater
chemical parameters related
to seismic and volcanic activity
in
Kamchatka
(Russia)”,
Natural Hazards and Earth
System Sciences, 4, 535-539,
2004.

A.Ermini
et
al.:
”Groundwater
chemical
anomalies connected with the
Kamchatka
earthquake
(M=7.1) on March 1992”,
Natural Hazards and Earth
System Sciences, 6, 853-859,
2006.
Le nostre ricerche
FISICA DELLA MATERIA E SCIENZA DEI MATERIALI
 L. Braicovich, L. J. Ament, V.
Bisogni, F. Forte, C. Aruta, G.
Balestrino, N. B. Brookes, G.
M. De Luca, P. G. Medaglia, F.
Miletto Granozio, M. Radovic,
M. Salluzzo, J. van den Brink,
G. Ghiringhelli, Phys. Rev. Lett.
102, 167401 (2009)

M.N.
Serbyn,
M.N.
Skvortsov, A.A. Varlamov, V.
Galitski, Physical Review Letters,
102, 067001, 2009.
 P. Orgiani, P, C. Aruta, G.
Balestrino, D. Born, L.
Maritato, P.G. Medaglia, D.
Stornaiuolo, F. Tafuri, A.
Tebano, Physical Review Letters,
98, 3, (2007)
 B.K. Freelon, A. Augustsson,
J-H. Guo, P.G. Medaglia, A.
Tebano, G. Balestrino, G.
Physical Review Letters, 96,
(2006).
4x10
2
3x10
2
2x10
2
1x10
2
1.4
CaCuO2
1.2
Ba
1.0
[m cm]
Pubblicazioni
 [m cm]
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Giuseppe Balestrino
[email protected]
 Dott. Antonello Tebano
[email protected]
 Dott. Pier Gianni Medaglia
[email protected]
 Dott. Daniele Di Castro
[email protected]
t
 Dott. Andrei Varlamov
[email protected]
DESCRIZIONE
Il recente sviluppo di nuove tecniche per la sintesi di film sottili di ossidi di alta
qualità ha ridato forte impulso allo studio dei superconduttori ad alta temperatura
di transizione (SATT). Nuovi orizzonti si sono aperti per la sintesi di superreticoli
SATT, che consistono di strati sottili di composti superconduttori standard
impilati in sequenza su blocchi non superconduttori aventi struttura
cristallografica compatibile. Gli scopi di questa ricerca sono stati molteplici: in
particolare lo studio di aspetti fondamentali nella fisica dei SATT, quali la
“dimensionalità” dei superconduttori, la dinamica dei vortici, gli effetti di
prossimità, gli effetti di deformazione epitassiale, la connessione tra
superconduttività e magnetismo. Particolarmente interessanti in quest’ottica
appaiono i supereticoli superconduttori artificiali BaCuO2+x/CaCuO2 sintetizzati
impilando alternativamente due unità singolarmente isolanti, il primo dei quali
svolge la funzione di blocco drogante dei piani CuO2 del secondo blocco.
RISULTATI
Il gruppo di lavoro ha sviluppato l’expertise per l’ottimizzazione della sintesi di
supereticoli BaCuO2+x/CaCuO2 con temperature critiche fino a 82K. La peculiarità
di queste strutture artificiali stratificate ha permesso di variare gli spessori dei
singoli blocchi costituenti, studiando così aspetti non pienamente compresi dalla
comunità scientifica quali il trasferimento di carica, il cosiddetto accoppiamento
interlayer (tra blocchi superconduttori adiacenti), gli effetti di anisotropia, la
dinamica dei vortici, principalmente in sistemi ultrasottili (spessori minori di 5nm)
la penetrazione del campo magnetico, la simmetria del parametro d’ordine. Per la
caratterizzazione di questi sistemi complessi il gruppo si avvale di prestigiose
collaborazioni internazionali presso strutture quali i sincrotroni ESRF di Grenoble
e ALS (di Berkeley) -per le indagini spettroscopiche quali assorbimento, ed
emissione, RIXS, EXAFS, dicroismo magnetico- ed il Paul Scherrer Institut
(Svizzera) per la muon spin rotation.
CuO2 planes
CuOx
0.8
BaO
0.6
BaCuO2+x
0.4
y
CuO
x
0.2
0
50
100
150
200
250
300
0.0
Ba
0
50
100
150
200
250
300
T [K]
T [K]
Superreticoli
[BaCuO2+x] 2/ CaCuO2] M
0,12
Trasferimento
di
carica
0,10
 [m cm]
Sintesi e
Caratterizzazione di
Cuprati
Superconduttori
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
0
50
100
150
200
T [K]
12
250
300
Le nostre ricerche
FISICA DELLA MATERIA E SCIENZA DEI MATERIALI
DESCRIZIONE
La produzione sostenibile di Energia in modo compatibile con l’ambiente che ci
circonda è uno dei più grandi problemi da affrontare nell’immediato futuro. La
ricerca di alternative ai combustibili fossili come le celle a combustibile sta
diventando sempre più necessaria. Le celle a combustibile, a seconda del tipo di
materiali utilizzati, possono essere impiegate sia per la produzione di energia
stazionaria che per applicazioni mobili come veicoli ed apparati elettronici. E’ di
particolare interesse, dato l’alto costo e le basse performance delle batterie per
l’elettronica oggigiorno basate su elettroliti a ioni litio od a nickel idruro,
l’ottimizzazione a dimensioni millimetriche di celle a combustibile ad ossido
solido (micro-SOFCs) che consentirebbero alti livelli di erogazione di energia in
maniera continua senza bisogno di cicli di carica e ricarica. Dato che la
conversione diretta di energia chimica in elettrica non soffre delle restrizioni
imposte dalle leggi della termodinamica , è possibile ridurre il dispositivo a
dimensioni millimetriche senza perdere in efficienza totale. L’obiettivo finale è
quello di ottenere un dispositivo affidabile e duraturo grazie allo sviluppo di
nuovi materiali, processi e architetture in grado di operare nell’intervallo di
temperatura compatibile con il corretto funzionamento dei dispositivi elettronici
da alimentare (300 °C – 500 °C).
RISULTATI
All’interno di questa attività sono stati sintetizzati nuovi materiali elettrolitici che
manifestano una diffusione ionica molto più elevata di materiali convenzionali, a
parità di temperatura della cella a combustibile. Per l’ingegnerizzazione dei
materiali si è usata la tecnica di Deposizione a Laser impulsato(PLD) che ha
consentito di creare interfacce tra materiali diversi, sia singole che ripetute più
volte (eterostrutture e supereticoli). Ciò ha permesso di ottenere decisivi
miglioramenti delle performance, sia per elettroliti conduttori di ioni ossigeno
(O2-) (realizzando superreticoli di materiali convenzionali come Zirconia
stabilizzata con Ittrio, YSZ e Ceria dopata con Gadolinio GDC), che per
conduttori di protoni (H+). Nella figura sulla destra sono mostrate le
performance in potenza di un conduttore protonico a doppio strato, composto
da Bario-Cerio-Yttrio (BCY) e Bario-Zirconio-Yttrio (BZY), tale eterostruttura
è in grado di accoppiare le alte performance del BCY con l’alta stabilità chimica
del BZY..
13
Sintesi di Conduttori
Ionici ed
Implementazione in
Dispositivi -SOFCs
(Solid Oxide Fuell
Cells)
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Giuseppe Balestrino
[email protected]
 Dott. Antonello Tebano
[email protected]
 Dott. Pier Gianni Medaglia
[email protected]
 Ing. Andrea Orsini
[email protected]
 Dott. Simone Sanna
[email protected]
Pubblicazioni
 S. Sanna, V. Esposito, D.
Pergolesi, A. Orsini, A. Tebano,
S. Licoccia, G. Balestrino, E.
Traversa, Advanced Functional
Materials,
19, 1713, 2009
 A. Orsini, P.G. .Medaglia, S.
Sanna, E. Traversa, S. Licoccia,
A. Tebano, G. Balestrino,
Superlattices and Microstructures,
46, 223 (2009).
 E. Fabbri, D. Pergolesi, A.
D'Epifanio, E. Di Bartolomeo, G.
Balestrino, S. Licoccia, E.
Traversa,
Energy
&
Environmental Science, 1, 355,
(2008).
Le nostre ricerche
FISICA DELLA MATERIA E SCIENZA DEI MATERIALI
Film Sottili di
Manganiti:
Strain Epitassiale,
Occupazione
Orbitalica e Struttura
Magnetica
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Giuseppe Balestrino
[email protected]
 Dott. Antonello Tebano
[email protected]
 Dott. Pier Gianni Medaglia
[email protected]
 Ing. Andrea Orsini
[email protected]
Pubblicazioni
 A. Tebano, A. Orsini, P.G.
Medaglia,
G.;
Balestrino,
Applied Physics Letters, 94,
(2009).
 C. Aruta, G. Ghiringhelli, V.
Bisogni, L. Braicovich, N.B.
Brookes, A. Tebano, G.
Balestrino, Physical Review B ,
80, 014431, (2009).
 A. Tebano, C. Aruta, S.
Sanna, P.G. Medaglia, G.
Balestrino, A.A. Sidorenko, R.
De Renzi, G. Ghiringhelli, L.
Braicovich, V. Bisogni, N.B. ,
Physical Review Letters, 100,
137401, (2008).
DESCRIZIONE
Le perovskiti con manganese del tipo La1-xAxMnO3, con A=Sr, Ca, and Ba con x
compreso tra 0 and 0.5, come film sottili depositati su differenti substrati, sono
stati ampiamente studiati negli ultimi anni per le potenziali applicazioni nel campo
della spintronica al fine di sfruttare le loro eccezionali proprietà di magnetotrasporto e la cosiddetta magnetoresistenza colossale (CMR). Una proprieta’
importante della struttura elettronica delle manganiti ferromagnetiche CMR,
dimostrata dagli esperimenti e dalla teoria, e’ che i portatori di carica hanno spin
quasi completamente polarizzati a livello dell’energia di Fermi. La differenza di
parametro reticolare del substrato e lo spessore del film possono indurre diversi
tipi strain anisotropo in film epitassiali, che possono influenzare direttamente le
proprieta’ di magnetotrasporto mediante l’accoppiamento elettrone-fonone
mediato da distorsioni Jahn-Teller degli ottaedri MnO3. Inoltre lo strain
anisotropo puo’ anche cambiare l’ordinamento degli orbitali (o disordinamento)
RISULTATI
Sono stati sinterizzati film sottili di manganite (principalmente La0.7Sr0.3MnO3) di
altissima qualità cristallografica, con modalità di crescita 2D, “strato atomico per
strato atomico” con monitoraggio RHEED (Reflection High Energy Electron
Diffraction). Tali materiali possiedono ottime proprietà di magneto-trasporto.
Grazie ad un approccio basato sull’ingegneria di eterostrutture, è stato possibile
discernere l’effetto dello strain epitassiale sulle proprietà di magnetotrasporto,
distinguendolo dagli altri effetti chimico-fisici all’interfaccia substrato-film.
L’ordinamento magnetico, l’occupazione orbitalica ed i momenti atomici di questi
sistemi sono stati inoltre studiati mediante dicroismo magnetico lineare e
circolare.
Nell’ambito di una collaborazione con iI Lawrence Berkeley National Laboratory,
infine, è stato implementato un sistema di deposizione laser direttamente sulla
linea 7.01 (Electronic Structure Factory) del sincrotrone ALS di Berkeley,
finalizzata allo studio in situ di film ossidi..
14
Le nostre ricerche
FISICA SPERIMENTALE
Analisi di Dati
DESCRIZIONE
provenienti dalla
E’ in corso, da alcuni mesi, una collaborazione con ENEA Frascati –
Macchina a Fusione
Dipartimento Fusione – per l’analisi dei dati relativi ai profili di densità e
JET
temperatura acquisiti con le diagnostiche montate sulla macchina a
fusione JET (Joint European Torus). In particolare la linea di ricerca è
centrata sull’analisi dei dati del sistema inteferometrico polarimetrico, il
cui funzionamento è di primaria importanza per il reattore. I due sistemi
GRUPPO DI LAVORO:
sono in grado di misurare le principali caratteristiche dei plasmi
 Prof. Carlo Bellecci
magnetici, densità e corrente.
[email protected]
L’attività è rivolta allo studio del sistema sia per quanto riguarda

Dott.
Pasqualino Gaudio
l’hardware che la gestione software al fine di risolvere i problemi
[email protected]
esistenti e di ottenere, così, un segnale affidabile per ogni condizione di
 Ing. M. Gelfusa
esercizio della macchina.
Questa attività è in stretta collaborazione con Dr. F.P. Orsitto
responsabile del gruppo di Fusione ENEA Frascati
RISULTATI
Un primo confronto dei dati sperimentali con il modello sviluppato ha
permesso di confermare che la strumentazione sembra lavorare
correttamente. Saranno eseguite ulteriori analisi al fine di validare i primi
risultati ottenuti.
15
Le nostre ricerche
FISICA SPERIMENTALE
Monitoraggio
Ambientale con
Tecniche Laser
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Carlo Bellecci
[email protected]
 Dott. Pasqualino Gaudio
[email protected]
 Dott. P. Ventura
 Ing. C. Serafini
 Ing. M. Gelfusa
 Ing. A. Malizia
Pubblicazioni
 C.Bellecci, P.Gaudio, S.
Martellucci,
E.
Penco,
M.Richetta,
Active
clipping
system for CO2 laser source, in
Review of Scientific Instruments,
76, pp. 26115-1 – 26115-2,
2005.
 C. Bellecci, F. Francucci, P.
Gaudio,
M.
Gelfusa,
S.
Martellucci, M. Richetta, T. Lo
Feudo, Application of CO2 dial
system for infrared detection of
forest fire and reduce of false
alarm, Applied Physics B, 87, 373378, 2007.
 P. Gaudio, C. Bellecci, L. De
Leo, M. Gelfusa, T. Lo Feudo, S.
Martellucci,
M.
Richetta,
Reduction of false alarms in
forest fire surveillance using
water vapour concentration
measurements, Optics & Laser
Technology, 41, 374-379, 2009
DESCRIZIONE
L’attività si basa sullo sviluppo e l’applicazione di sistemi laser per il
monitoraggio ambientale mediante l’uso di tecniche di telerilevamento
attivo Lidar/Dial. L’applicazione di tali tecniche permettono di eseguire
misure di monitoraggio della qualità dell’aria e della presenza di
componenti minori. Le tecniche si basano sull’invio della radiazione laser
in atmosfera e della successiva ricezione del segnale retro diffuso dai suoi
costituenti. Tecnica analoga a quella RADAR, permette di eseguire analisi
dei profili di concentrazione di particolato atmosferico e del suo
andamento giornaliero nonché l’analisi della presenza di componenti
minori.
La stessa tecnica può essere utilizzata anche per scopi diversi come:
 la misura della presenza di incendi boschivi;
 la presenza di sostanze nocive in atmosfera dovute al rilascio
accidentale o doloso;
 monitoraggio di ambienti confinati per l’analisi della qualità di alimenti
immagazzinati;
 monitoraggio di ambienti confinati per l’analisi della qualità dell’aria
Informazione fondamentale per eseguire l’analisi è conoscere come la
radiazione laser interagisce con i diversi composti. A questo scopo, per
individuare l’interazione di composti ”aggressivi”, sono incorso misure in
cella di assorbimento presso il Centro Interforze NBCR “Santa Lucia” di
Civitavecchia. Scopo delle misure è la costruzione di un database che
permetta, successivamente, di poter riconoscere la presenza di queste
sostanze “aggressive” in atmosfera.
RISULTATI
Sono stati sviluppati due sistemi di telerilevamento mobili, il primo
basato su un laser a CO2 e l’altro basato su un laser Nd-YAG (SAI), con
i quali sono state eseguite sia misure di concentrazione di vapor
d’acqueo che analisi dell’andamento giornaliero del Planetary Boundary
Layer (PBL). Il sistema basato sul laser Nd_YAG è stato utilizzato per il
monitoraggio di presenza di incendi boschivi. Attualmente sono in corso
misure del PBL che utilizzano come tracciante il particolato presente
nella bassa troposfera.
Il SAI in misura
16
Andamento del PBL
Le nostre ricerche
FISICA SPERIMENTALE
DESCRIZIONE
L’attività di ricerca è inserita all’interno di una collaborazione con il centro
di ricerche ENEA Frascati referente Dr.ssa Maria Teresa Porfiri
Dipartimento Fusione, con cui si eseguono studi di mobilizzazione delle
polveri in reattori a fusione a causa di perdite accidentali di vuoto o di
immissione accidentale di acqua. Scopo del lavoro è mettere a punto un
codice di calcolo, in grado di simulare la mobilizzazione di polveri
rilevante per la futura macchina ITER, e validarlo mediante l’uso di dati
acquisiti su un simulatore sperimentale “STARDUST”, di proprietà del
Centro Ricerche ENEA di Frascati. Con il simulatore è possibile indurre
perdite di vuoto all’altezza della porta centrale del Toro e del divertore.
E’ in fase avanzata di messa a punto il set up sperimentale per misurare la
velocità d’ingresso dell’aria e l’acquisizione d’immagini ad alta frequenza di
ripetizione con le quali si vuole seguire il flusso reale delle particelle
nell’apparato sperimentale per la misura del reale campo di moto delle
particelle. I risultati sperimentali raccolti saranno utili per il confronto e la
messa a punto del codice di calcolo.
RISULTATI
E’ stato sviluppato il primo modello bidimensionale di evoluzione del
flusso di aria all’interno di STARDUST. Dai risultati numerici si osserva la
velocità massima del flusso di aria entrante e il campo di moto. I risultati
saranno confrontati con le misure di velocità all’interno di STARDUST.
Parallelamente sono state fatte le prime prove di mobilizzazione delle
polveri simulando due perdite di vuoto, una all’altezza del divertore e
l’altra nella zona centrale della camera. Dalle misure di mobilizzazione
delle polveri si osserva che la mobilizzazione è quasi assente per perdite
nella zona centrale della camera ma diventa interessante per perdite
all’altezza del divertore.
Prossimo passo sarà quello di sviluppare un modello 3D e eseguire le
misure sperimentali di velocità del flusso di aria in caso di perdite in
STARDUST.
STARDUST
Prime misure di velocità
17
Mobilizzazione di
Polveri per lo Studio
di Perdite di Vuoto in
Reattori Nucleari
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Carlo Bellecci
[email protected]
 Dott. Pasqualino Gaudio
[email protected]
 Ing. A. Malizia
 Ing. I. Lupelli
Pubblicazioni
 P. Gaudio, C. Bellecci, I.
Lupelli, A. Malizia, M.T. Porfiri,
M.
Richetta.
Misure
di
mobilizzazione e trasporto
nella facility STARDUST, XCIV
Congresso Nazionale SIF, pp 3131, 2008
 P. Gaudio, C. Bellecci, , I.
Lupelli, A. Malizia, M.T. Porfiri,
M. Richetta, (2008). Dust
mobilization and transport
measures in the STARDUST
facility, EPS2008 Proceedings,
Vol.32, P-1.175.
Le nostre ricerche
Generazione di
Radiazione X-Soft da
Plasma indotto da
Laser.
Analisi
Spettroscopiche.
Applicazioni alla
Microradiografia ed alla
Microscopia
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof Sergio Martellucci
[email protected]
 Prof Carlo Bellecci
[email protected]
 Dot.ssa Maria Richetta
[email protected]
 Dott. Pasquallino Gaudio
[email protected]
Pubblicazioni
 L.Reale, F.Bonfigli, A.Lai,
F.Flora, A.Poma, P.Albertano,
S.Bellezza,
R.M.Montereali,
A.Faenov, T.Pikuz, S.Almaviva,
M.Auroravincenti, M.Francucci,
P.Gaudio,
S.Martellucci,
M.Richetta, X ray microscopy of
plant cells by using LiF crystal as
detector, Microscopy Research
and Technique 71, 12, 839 - 848
(2008).

C.Oliva,
A.Ustione,
S.
Almaviva, G. Baldacchini, F.
Bonfigli,
F.
Flora,A.Lai,
R.M.Montereali,A.Ya.Faenov, T.
A.Pikuz,M.Francucci, P. Gaudio,
S.Martellucci,M.Richetta, Reale,
A.Criceti, SNOM images of X-ray
radiographs at nano-scale stored in
a thin layer of lithium fluoride, J. of
Micros. 229, 490-495, 2008.

F.Bonfigli,A.Faenov,F.Flora,
M.Francucci,P.Gaudio,A.Lai,
S.Martellucci,R.M.Montereali,
T.Pikuz,L.Reale,M.Richetta,
M.A.Vincenti,GBaldacchini, Highresolution water window X-Ray
imaging of in vivo cells and their
products
using
LiF
crystal
detectors,Microsc.Res.Tech.71,
35-41 (2008).
FISICA SPERIMENTALE
DESCRIZIONE
Presso il laboratorio di Elettronica Quantistica e Plasmi è disponibile una facility
laser con sorgente Nd:YAG/GLASS. Essa è costituita da un oscillatore Nd:YAG
e quattro amplificatori: due Nd:YAG e due Nd:GLASS. L’impulso prodotto ha
una durata di circa 15ns ed una energia intorno a 10J. Il plasma generato
dall’interazione della radiazione su target solidi o gassosi, si comporta come una
sorgente puntiforme e non monocromatica di radiazione visibile, ultravioletta ed
X. Le piccole lunghezze d’onda disponibili consentono di ottenere immagini ad
alta risoluzione con applicazioni in svariati campi. La componente X soft (0.6 – 2
keV) è utilizzata presso il laboratorio per effettuare studi: di spettroscopia X,
relativi agli spettri di emissione degli ioni ad alto stato di carica; di efficienza di
conversione infrarosso – raggi X; di microradiografia; di microscopia.
RISULTATI
Sono state effettuate numerose micro-radiografie di campioni biologici
disidratati, trattati con metalli pesanti, al fine di evidenziare i siti di bioaccumulo
e/o la quantità del drogante. Le immagini sono state acquisite mediante pellicole
fotografiche di tipo RAR (che presentano una notevole sensibilità nell’intervallo
26 eV – 2keV) e mediante camera CCD. I vantaggi dati da una CCD si possono
così riassumere: alta efficienza quantica, risposta rapida, basso rumore
elettronico, facilità di interfacciamento al PC, rapidità di post-processamento.
Sono state inoltre effettuate registrazioni mediante SXCM (Soft X-ray Contact
Microscopi) utilizzando rivelatori a fluoruro di litio – LiF sia come cristalli, sia
come film sottili, che presentano elevata risoluzione spaziale, ampio range
dinamico, semplicità di utilizzo.
Microradiografie di foglie di Viola Tricolor variamente contaminate con CuSO4,
ottenute con radiazione X da 5 keV. Rivelatore: camera CCD.
Microradiografie registrate su film di LiF con radiazione X da .5keV a 8eV.
18
Le nostre ricerche
FISICA SPERIMENTALE
DESCRIZIONE
Le diagnostiche per la determinazione dei parametri di plasma si basano su una
moltitudine di processi fisici. L'applicazione di svariate tecniche e di potenti codici
di calcolo ha consentito di determinare densità elettroniche fino a 1020/cm3 e
temperature fino a 3 MeV. Sulla base di questi risultati è stato possibile giungere
alla stesura del progetto HiPER(High Power laser Energy Research facility). Il
progetto si propone di dimostrare la fattibilità della fusione laser indotta quale
futura fonte di energia e parallelamente effettuare studi in condizioni estreme che
non possono essere altrimenti ottenute sul nostro pianeta. In tale ambito, il
nostro laboratorio è impegnato nella caratterizzazione di plasmi caldi e densi, e
nella determinazione ed applicazione di tecniche diagnostiche per esperimenti di
fast ignition. In particolare sono state effettuate analisi spettroscopiche, per la
rivelazione delle righe satellite della L – alpha, e sono in fase di applicazione
sistemi interferometrici (Michelson, Nomarsky) per ricavare mappe
bidimensionali della densità elettronica. Sulla base di tali competenze il
laboratorio partecipa al Working Package 10 dello “HiPER Experimental
Programme”. All’interno di detto programma, il lab partecipa a campagne di
ricerca presso facility internazionali quali il Rutherford Appleton Laboratory
(RAL) in Inghilterra, il PALS a Praga, ed altre.
RISULTATI
I risultati di una recente campagna sperimentale svolta al RAL presso la laser
facility VULCAN, hanno permesso di esaminare il trasporto di elettroni
relativistici all’interno di bersagli cilindrici compressi. Sono stati utilizzati quattro
fasci ad impulsi lunghi (0.53 m) per comprimere un cilindro in plastica cavo,
contenente schiuma a tre diverse densità tra 2 e 5 g/cm3. E’ stato quindi utilizzato
un impulso corto (10 ps, 160 J) per generare gli elettroni veloci che dovevano
attraversare la materia compressa. Al fine di valutare le condizioni del plasma
compresso e ricavare la temperatura elettronica, sono state adottate ed adattate
svariate diagnostiche. I risultati ottenuti hanno permesso di chiarire il
comportamento di particelle cariche relativistiche in materia fortemente
compressa, nonché di approfondire le conoscenze per quanto concerne i
problemi dell’ignizione veloce, alla base di uno dei meccanismi papabili per
ottenere fusione inerziale. Nella figura è mostrata un’immagine relativa ad una
radiografia X del cilindro compresso 500ps prima della massima compressione (a)
ed alla massima compressione (b).
a)
b)
19
Tecniche Diagnostiche
per la
Caratterizzazione di
Plasmi indotti da
Laser nell'ambito della
Ignizione Veloce.
HIPER Fusion
Experimental
Program
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof Sergio Martellucci
[email protected]
 ProfCarlo Bellecci
[email protected]
 Dott.ssa Maria Richetta
[email protected]
 Dott. Pasquallino Gaudio
[email protected]
Pubblicazioni
 F. Perez, M. Koenig, D. Batani,
S. D. Baton, F. N. Beg, C.
Benedetti, E. Brambrink, S.
Chawla,
F.
Dorchies,
C.
Fourment, M. Galimberti, L. A.
Gizzi, R. Heathcote, D. P.
Higginson, S. Hulin, R. Jafer, P.
Koester, L. Labate, K. Lancaster,
A. J. MacKinnon, A. G. McPhee,
W. Nazarov, P. Nicolai, J. Pasley,
A. Ravasio, M. Richetta, J. J.
Santos, A. Sgattoni, C. Spindloe,
B. Vauzour, and L. Volpe, Fast
electron transport in cylindrically
laser-compressed matter, Plasma
Physics and Controlled Fusion
PPCF/323852/SPE/234013
 B.Vauzour, M.Koenig, D.Batani,
S.Baton, F.N.Beg, C.Benedetti,
E.Brambrink,
S.Chawla,
F.Dorchies,
C.Fourment,
M.Galimberti,
L.Gizzi,
R.Heathcote,
D.P.Higginson,
S.Hulin,
R.Jafer,
P.Köster,
L.L.Labate,
K.Lancaster,
A.J.MacKinnon,
A.G.MacPhee,
Ph.Nicolaï, J.Pasley, F.Perez,
X.Ribeyre, M.Richetta, J.J.Santos,
G.Schurtz,
A.Sgattoni,
C.Spindloe,
L.Volpe
IFSA
Conference 2009.
Le nostre ricerche
FISICA SPERIMENTALE
DESCRIZIONE
Crescita e
Nei
nostri laboratori vengono cresciuti film spessi di diamante CVD, sia mono che
Caratterizzazione di Film
policristallini, di alta qualità. I film vengono caratterizzati con particolare riguardo alle
di Diamante CVD e loro proprietà di trasporto del diamante CVD, per la loro utilizzazione in vari tipi di
dispositivi (sensori, rivelatori etc.).
Applicazioni
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Aldo Tucciarone
[email protected]
 Prof. Marco Marinelli
[email protected]
 Prof. Enrico Milani
[email protected]
 Dott. Gianluca Verona Rinati
[email protected]
Pubblicazioni
 M. Pillon, M. Angelone, G. Aielli,
S. Almaviva, M. Marinelli, E. Milani,
G. Prestopino, A. Tucciarone, C.
Verona,
G.
Verona
Rinati,
"Radiation tolerance of a high
quality synthetic single crystal CVD
diamond detector irradiated by
14.8 MeV neutrons", Journ. Appl.
Phys 104 (2008) 054513
 M. Angelone, D. Lattanzi, M.
Pillon, M. Marinelli, E. Milani, A.
Tucciarone, G. Verona-Rinati, S.
Popovichev, R.M. Montereali, M.A.
Vincenti, A. Murari and JET-EFDA
Contributors "Development of
single crystal diamond neutron
detectors and test at JET tokamak",
Nucl. Instr. Meth. in Phys. Res. A,
595 (2008) 616
 S. Almaviva, M. Marinelli, E.
Milani, A. Tucciarone, G. Verona
Rinati, R. Consorti, A. Petrucci, F.
De Notaristefani, I. Ciancaglioni,
"Synthetic single crystal diamond
diodes for radiotherapy dosimetry",
Nucl. Instr. Meth. in Phys. Res. A,
594 (2008) 273
Sui film vengono poi deposti contatti metallici di opportuna geometria, composizione
e spessore, per ottimizzare le prestazioni del particolare dispositivo realizzato.
Buona parte dell’attività verte sui rivelatori di radiazione, sia particellare che
elettromagnetica, basati su diamante CVD monocristallino, di cui vengono studiati le
prestazioni, il danneggiamento da radiazione e le possibili applicazioni (tra le altre,
JET).
Un altro settore promettente è la dosimetria gamma e neutronica utilizzando
diamanti CVD.
RISULTATI
Un passo fondamentale per le possibilità reali di utilizzo del diamante CVD per
realizzare dispositivi in generale e rivelatori di radiazione in particolare è legato alla
possibilità di crescere film di diamante omoepitassiali e quindi monocristallini. Le
principali limitazioni dei rivelatori policristallini (scarsa omogeneità di risposta, bassa
risoluzione energetica, elevati tempi di risposta) possono essere così eliminate. Poiché
il substrato serve solo a fornire la matrice cristallina per la crescita, si possono
utilizzare come substrati cristalli di bassa qualità (non detector grade), sia naturali che
HPHT, con enorme riduzione dei costi. Inoltre, rispetto ai diamanti naturali detector
grade, che sono rarissimi e vanno selezionati tra migliaia di candidati, si dovrebbe
avere una riproducibilità di risultati molto maggiore.
La ricerca in questo campo sta avendo grande impulso a livello internazionale negli
ultimi anni, ma pochissimi laboratori sono stati in grado finora di crescere
monocristalli con caratteristiche adeguate all’uso come rivelatori.
Il nostro gruppo produce film monocristallini di diamante CVD con caratteristiche di
assoluta eccellenza mondiale. Utilizzando tali film sono stati realizzati rivelatori di
radiazione (alfa, neutroni, fotoni UV, X e gamma) con eccellenti caratteristiche in
termini di efficienza, risoluzione energetica e resistenza alla radiazione. Caratterizzati
come rivelatori nucleari questi film hanno mostrato risoluzioni energetiche di poco
superiori allo 0.5%. Anche le caratteristiche come rivelatori UV sono eccellenti, con
tempi di risposta al momento ineguagliati, alta reiezione al visibile ed elevato rapporto
segnale/rumore.
Alcuni dei rivelatori nucleari realizzati è attualmente utilizzato con risultati
estremamente incoraggianti presso il laboratorio di fusione europeo JET (Joint
European Torus) in Inghilterra allo scopo di monitorare l’intenso flusso di neutroni
generati dal reattore. In effetti, il reattore di fusione che sostituirà tra pochi anni il JET
(ITER) produrrà flussi così elevati che i rivelatori standard al silicio (che già al JET
devono essere continuamente monitorati e periodicamente sostituiti) saranno
inutilizzabili. Il diamante è uno dei pochissimi candidati a sostituirli.
Altri rivelatori a diamante monocristallino sono in fase di test, sempre al JET, anche
per studiare l’emissione UV e soft-X del reattore.
Inoltre, sono stati prodotti prototipi di dosimetri per raggi gamma con caratteristiche
tali da competere con quelli commerciali, e con il vantaggio di poter funzionare senza
alimentazione esterna.
20
Le nostre ricerche
FISICA SPERIMENTALE
DESCRIZIONE
L’attività si avvale dell’impiego di una particolare tecnica calorimetria ac, la
tecnica fotopiroelettrica, che, rispetto alle normali tecniche calorimetriche quali
il DSC, presenta caratteristiche particolarmente vantaggiose nello studio delle
transizioni di fase. L’elevata sensibilità dei trasduttori piroelettrici consente
misure ad alta risoluzione dei parametri termici in quanto un buon rapporto
segnale rumore può essere ottenuto con oscillazioni in temperature indotte nel
campione dell’ordine del mK. Inoltre è possibile misurare simultaneamente sia il
calore specifico che le proprietà di trasporto termico quali la conducibilità
termica. Un ulteriore vantaggio è rappresentato dalla possibilità di misurare
anisotropie nel trasporto termico, anche indotte da campi esterni (ad. es. campi
elettrici). Infine i set up calorimetrici permettono l’accesso ottico al campione
durante la misura. Questo rende possibile la caratterizzazione strutturale
mediante microscopia polarizzata durante le scansioni in temperatura, ma anche
misure di scattering statico e di depolarizzazione della luce.
RISULTATI
Nell’ambito dello studio delle transizioni di fase è stato sviluppato un set up
sperimentale che simultaneamente alla misura dei parametri termici permette
anche l’ispezione dei parametri ottici del campione. Tale linea è stata in
particolare utilizzata per caratterizzare una particolare transizione, quella
nematico-isotropo di alcuni nano colloidi liquido cristallini. Questi campioni sono
ottenuti mediante dispersione di nano particelle di quarzo (aerosil) in cristalli
liquidi. A partire dall’andamento non-monotono della trasmissione ottica del
campione, è stato possibile studiare come al variare della temperatura, il
passaggio tra la due fasi avvenga attraverso due diversi meccanismi governati
dalla crescente interazione tra la molecole di cristallo liquido e le superfici delle
particelle di aerosil.
Sempre nel corso della recente attività di ricerca, è stato sviluppato un modello
per l’analisi del segnale prodotto dal calorimetro tale da permettere una stima
qualitativa del calore latente presente in transizioni di fase del 1°ordine. Come è
noto, le tecniche calorimetriche di tipo a.c., non permettono la misura del calore
latente. Questa limitazione è stata superata nella calorimetria fotopiroelettrica
attraverso una innovativa modellazione del segnale generato dal trasduttore.
Calorimetro foto piroelettrico
liquido
Struttura “focal conic” di un cristallo
21
Studio delle
Transizioni di Fase e
dell’Anisotropia dei
Fenomeni di
Trasporto Termico
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Folco Scudieri
[email protected]
 Prof. Massimo Marinelli
[email protected]
 Prof. Fulvio Mercuri
[email protected]
 Prof. Roberto Pizzoferrato
[email protected]
 Prof. Ugo Zammit
[email protected]
 Ing. Stefano Paoloni
[email protected]
Pubblicazioni

F.Mercuri,
M.Marinelli,
S.Paoloni,
U.Zammit
and
F.Scudieri,
Latent
heat
investigation
by
photopyeroelectric
calorimetry, Appl. Phys. Lett, 92,
251911 (2008)

S.Paoloni,
F.Mercuri,
M.Marinelli,
U.Zammit,
C.Neamtu and D.Dadarlat,
Simultaneous characterization
of
optical
and
thermal
parameters of liquid crystal
nanocolloids
with
high
temperature resolution, Phys.
Rev. E, 78, 042701 (2008)
Le nostre ricerche
FISICA SPERIMENTALE
Analisi non Invasive
Tramite Termografia
IR
Diagnostica dei Beni
Culturali
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Folco Scudieri
[email protected]
 Prof. Massimo Marinelli
[email protected]
 Prof. Fulvio Mercuri
[email protected]
 Prof. Roberto Pizzoferrato
[email protected]
 Prof. Ugo Zammit
[email protected]
 Ing. Stefano Paoloni
[email protected]
Pubblicazioni

F.Mercuri,
F.Scudieri,
S.Paoloni,
U.Zammit
and
M.Marinelli,,
Analysis
of
parchment bookbinding by
infrared
thermography
Safeguarded Cultural Heritage,
2, 775 (2007)
 S.Paoloni, E.Tata, F.Scudieri,
F.Mercuri, M.Marinelli and
U.Zammit, IR thermography
characterization of residual
stress in plastically deformed
metallic components, in corso
di pubblicazionee su Applied
Physics A (2009)
DESCRIZIONE
La termografia infrarossa (IR) è una tecnica remota e non distruttiva per la
caratterizzazione delle proprietà termofisiche dei materiali e per l’identificazione di
eventuali disomogeneità presenti nel campione. Il principio di funzionamento della
termografia attiva è basato sull’analisi spaziale e temporale del transiente di
temperatura che viene prodotto sulla superficie del campione tipicamente attraverso
l’assorbimento di radiazione luminosa. L’andamento della distribuzione della
temperatura ottenuta per una determinata geometria del riscaldamento dipende
infatti dai parametri termici del campione e in particolare dalla diffusività termica.
Eventuali anomalie rispetto alla distribuzione di temperatura attesa possono essere
ricondotti a variazioni interne di proprietà di trasporto termico dovute ad esempio
alla presenza di difetti all’interno del materiale. A tale scopo vengono impiegate delle
telecamere IR che permettono di rivelare la distribuzione di temperatura superficiale
attraverso la misura dell’intensità di radiazione infrarossa emessa dal corpo in esame.
In particolare presso i nostri laboratori sono disponibili i setup per indagini con
modalità diverse di riscaldamento sia impulsato che periodico.
Su diverse tipologie di beni culturali sono state seguite caratterizzazioni termiche e
strutturali. In particolare sono stai condotti studi opto-termici e microstrutturali per
caratterizzare alcuni materiali componenti dei beni librari e documentari. Altre
indagini condotte nel campo dei beni culturali riguardano lo studio dei bronzi, di
effetti di corrosione in manufatti metallici, di coperte membranacee in libri antichi e
dall’adesione di concrezioni su reperti sottomarini.
RISULTATI
Nell’ambito di un contratto di collaborazione è stato condotto uno studio
preliminare per comprendere gli eventuali vantaggi derivanti dall’impiego della
termografia durante lo svolgimento di prove di avanzamento della frattura. A tale
proposito sono state effettuate delle indagini termografiche simultaneamente
l’esecuzione di prove di apertura dell’apice de difetto (CTOD) e di resistenza JR-a.
L’obiettivo di tali indagini era in particolare di stabilire se era possibile determinare
durante la prova il passaggio tra la fase di arrotondamento dell’apice della cricca dalla
fase di avanzamento effettivo della cricca.
E’ stata avviata una linea sperimentale in cui l’eccitazione termica di campione viene
prodotta attraverso la propagazione di ultrasuoni. Questo tipo di eccitazione è
particolarmente adatto per la rilevazione di cricche in quanto il riscaldamento del
campione avviene praticamente solo in corrispondenza di tali difetti e di conseguenza
le immagini termografiche offrono il migliore contrasto possibile. Per quanto riguarda
la linea di ricerca relativa alla diagnostica dei beni culturali nel caso della pergamena
sono state indagate le dinamiche di shrinkage e di denaturazione idrotermica della
pergamena e, in particolare, del suo costituente fondamentale, il collagene, con
l’obiettivo di valutarne lo stato di degrado. Sono stati inoltre misurati i suoi parametri
di trasporto termico per determinare i loro rapporti di anisotropia e studiarne
l’evoluzione in funzione del deterioramento indotto mediante invecchiamento
artificiale controllato.
Termogramma di un libro
22
Ripresa termografica di una fresa
Le nostre ricerche
FISICA SPERIMENTALE
DESCRIZIONE
L’attività di ricerca riguarda le proprietà ottiche ed elettroottiche di nuovi
materiali per la generazione e controllo della radiazione in applicazioni alle ICT
(sviluppo di materiali e processi ottici innovativi). Più specificamente lo studio ha
riguardato:
- engineering chimico (in collaborazione con gruppi di ricerca in chimica organica)
e caratterizzazione di molecole e polimeri coniugati contenenti erbio con
emissione ottica a lunghezza d’onda di 1.5 m per telecomunicazioni in fibra
ottica.;
- caratterizzazione ottica ed elettroottica di molecole e polimeri coniugati con
emissione ottica nel visibile e con caratteristiche tensione-corrente adatte alla
realizzazione di dispositivi emettitori di luce di tipo LED a base organica
(OrganicLED) per applicazioni ai display a stato solido e illuminazione generale.
RISULTATI
L’attività di ricerca ha portato ai seguenti risultati:
- per quanto riguarda i materiali con emissione ottica a 1.5 m, sono stati studiati
e ottimizzati i meccanismi di trasferimento energetico dalla molecola “antenna”
(con assorbimento nel visibile) allo ione erbio;
- sono stati sintetizzati dei poliarili aromatici con gruppi naftilici. Le proprietà
ottiche di queste molecole, che esibiscono un’interessante eassai promettente
emissione di fluorescenza nel blu, sono state spiegate in termini di riarrangiamenti
strutturali per rotazioni dei gruppi naftilici.
Fotoluminescenza da soluzioni di polimeri in solventi organici
Elettroluminescenza da film sottile deposto per spin coating
23
Studio di Processi e
Materiali Organici
Innovativi per
Applicazioni alle
Telecomunicazioni
Ottiche e alle I.T.
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof Roberto Pizzoferrato
[email protected]
Pubblicazioni
G. Bocchinfuso, C. Mazzuca,
A. Palleschi, R. Pizzoferrato
and
P.
Tagliatesta.
Photophysical properties of
1,3,5-tris(2-naphthyl)benzene
and related less arylated
compounds: experimental and
theoretical Investigations J.
Phys. Chem. in press
 S. Pietrantoni, R. Francini, R.
Pizzoferrato, S. Penna, R.
Paolesse, and F. Mandoj
Energy transfer and excitation
processes in thin films of rareearth organic complexes for
NIR emission, Phys. Stat. Sol. 4,
1049 (2007)
Le nostre ricerche
FISICA TECNICA INDUSTRIALE
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof Fabio Gori
[email protected]
 Ing. Sandra Corasaniti
sandra.corasaniti@uniroma2.
it
 Ing. Ivano Petracci
[email protected]
 Ing. Andrea Boghi
Pubblicazioni
 F.Gori and S.Corasaniti,
Detection of a Dry-frozen
Boundary Inside a Martian Soil
Analogue, Planetary and Space
Sciences, (2008) 56: 1093-1102.
 F. Gori, M. De Stefanis, W.M.
Worek,
W.J.
Minkowycz,
Transient thermal analysis of
Vega
launcher
structures,
Applied Thermal Engineering,
(2008), 28: 2159-2166.
 M. Papa, R.J. Goldstein and
F.Gori,
Numerical
Heat
Transfer
Predictions
and
Mass/Heat
Transfer
Measurements in a Linear
Turbine
Cascade;
Applied
Thermal Engineering, (2007) 27
(4): 771-778.
 F. Gori and A. Boghi. ThreeDimensional
Numerical
Simulation
of
the
Fluid
Dynamics in a Coronary Stent.
ASME IMECE, Florida, USA,
2009.
 F. Gori and A. Boghi. Imagebased Computational Fluid
Dynamics in a Carotid Artery.
ASME IMECE, Florida, USA,
2009.
 F. Gori and S. Corasaniti,
Thermal
Properties
and
Temperature
Variations
in
Martian Soil Analogues, Chapter
6 of Space Science: New Research
Nova Science Publish., N.Y.,
2006. ISBN 1-60021-005-8
DESCRIZIONE
Nell’ambito di un progetto finanziato da ESA è stato studiato teoricamente un
terreno che simula le condizioni marziane. Partendo da studi precedenti, avallati
dalle osservazioni delle missioni spaziali che negli ultimi anni sono state effettuate
su Marte, come Pathfinder, Mars Viking, e Mars Express, si è studiato l’andamento
sinusoidale della temperatura del sottosuolo di Marte fino alla profondità di 5 m,
nell’arco di tutto il giorno marziano, in funzione del tempo e dello spazio, Figura
1.
Nella termofluidodinamica dei getti, sono stati testati diversi modelli di turbolenza
di tipo RANS, confrontando le simulazioni ottenute da codici commerciali con i
dati sperimentali ottenuti nel laboratorio di Fisica Tecnica ed Energetica.
Nell’ambito della fluidodinamica biomedica sono stati studiati due stent coronarici
per determinare quello che può presentare la minor probabilità di restenosi. Le
geometrie degli stent, differenti per la posizione degli struts, sono state
riprodotte fedelmente a partire da dispositivi espiantati.
Sono state anche ricostruite, a partire da immagini biomediche, carotidi per la
determinazione degli sforzi agenti sulle placche.
RISULTATI
Per quanto riguarda la simulazione del sottosuolo marziano sono state usate le
distribuzioni di temperature (in funzione della profondità e del tempo, cfr. Figura
1) per valutare il gradiente di temperatura (DDT) a profondità diverse. Una
diminuzione del DDT con la profondità evidenzia un terreno differente, in termini
di porosità o di contenuto di ghiaccio. La diffusività termica può essere valutata
dalle misure di temperatura, in due punti posti ad una distanza conosciuta,
attraverso un metodo inverso o studiando l’attenuazione della temperatura con la
profondità. E’ stata implementata un’analisi numerica per confrontare i risultati
con l’analisi teorica. Le soluzioni numeriche si accordano bene ai risultati teorici.
Le simulazioni termofluidodinamiche dei getti hanno mostrato un buon accordo
per quanto riguarda gli aspetti termici, mentre i metodi basati sul moto medio
non riescono a cogliere alcune grandezze fluidodinamiche, quali la lunghezza
indisturbata, l’apertura del getto ed in parte l’estensione della potential core.
Nella fluidodinamica biomedica le simulazioni non stazionarie sugli stent hanno
rivelato un miglior comportamento fluidodinamico da parte della configurazione a
celle chiuse. I risultati sono stati espressi in termini di sforzo di taglio alla parete
(Figura 2) e di percentuale di area critica.
Per ciò che riguarda le carotidi, un primo studio ha determinato che per alti gradi
di stenosi è ragionevole trattare il sangue come un fluido Newtoniano.
303
z=0m
z = 0.2 m
z = 0.4 m
z = 0.6 m
283
263
z = 0.1 m
z = 0.3 m
z = 0.5 m
243
T (K)
Simulazione TeoricoNumerica di
Fenomeni
Termofluidodinamici
223
203 0
5
10
15
20
183
163
143
t (h)
Figura 1
24
Figura 2
Le nostre ricerche
FISICA TECNICA INDUSTRIALE
DESCRIZIONE
L’attivtità di ricerca riguarda la determinazione teorica e sperimentale della
conduttività e della diffusività termica di materiali diversa natura, quali solidi, materiali
porosi o compositi. La determinazione della conduttività termica di terreni (terrestri
o extraterrestri), è di fondamentale importanza per lo studio di molti fenomeni di
scambi di calore e di massa relativi al sottosuolo: produzione di energia geotermica a
grandi profondità, gestione delle acque reflue, problemi relativi all’essiccazione di
terreni soggetti a flussi di massa e calore multifase, sistemi di immagazzinamento di
calore. In un terreno parzialmente saturo di acqua gli scambi di massa e di calore
sono fenomeni accoppiati a diversi meccanismi di flussi indotti da un potenziale di
temperatura e da un potenziale di pressione. In figura è riportato il confronto tra la
variazione di temperatura nel tempo ottenuta sperimentalmente utilizzando una dualprobe (per la misura della conduttività e della diffusività termica) e i risultati numerici
per un terreno parzialmente saturo. Sono stati creati dei modelli teorici ottenuti dalla
risoluzione dell’equazione di Fourier per la determinazione teorica della conduttività
termica di mezzi porosi a due, tre o quattro fasi con diverse configurazioni delle
stesse.
Nell’ambito della stessa attività di ricerca è stato simulato il comportamento delle fasi
di congelamento e scongelamento dei cibi, nella fattispecie carne, utilizzati nei
principali processi industriali (in Figura è riportato il confronto tra la conduttività
termica determinata sperimentalmente e teoricamente per una carne bovina durante
le fasi di freezing e defrosting).
RISULTATI
I risultati teorici vengono confrontati con alcuni dati sperimentali. Per ciò che
riguarda un terreno parzialmente saturo, la conduttività termica del gas presente nei
vuoti è dovuta a vapor d’acqua misto ad aria considerando che l’umidità relativa
dell’aria è minore del 100%. Si innesca così un “enhanced vapor-phase diffusion”;
questo fenomeno incrementa lo scambio termico e quindi la conduttività termica del
terreno. Il risultato è che alle temperature più elevate la conduttività termica è più
alta in corrispondenza di contenuti di umidità non troppo elevati, dovuto al fenomeno
dell”enhanced vapor-phase diffusion” che risulta più esaltato; aumentando il
contenuto di umidità la conduttività termica del terreno decresce. Dalle simulazioni
effettuate su diversi tipi di carni che contengono differenti quantità di acqua e diversa
composizione chimica in termini di percentuale di grassi, proteine, carboidrati…si
evince che la conduttività termica del mezzo aumenta al diminuire della temperatura
dovuto alla formazione del ghiaccio. Lo studio continua considerando un diverso
comportamento del mezzo in fase di freezing e di defrosting (figura).
0,010
r = 6 mm
0,008
dT/dt
0,006
0,004
Exp. Data
0,002
r = 7 mm
0,000
0
Keff (pih) defrosting pr.
Keff (pih) freezing pr.
Keff (phflh) freezing pr.
k eff [W/(mK)]
2,00
40
80
Lamb Thymus Min
Keff (phflh) defrosting pr.
1,50
1,00
0,50
0,00
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
T (°C)
25
t (s) 120
160
200
Misure Sperimentali e
Previsione Teorica
della Conduttività
Termica
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Fabio Gori
[email protected]
 Ing. Sandra Corasaniti
[email protected]
Pubblicazioni
 V.R. Tarnawsky, D.J. Cleland,
S.Corasaniti, F.Gori and R.H.
Mascheroni, Extension of Soil
Thermal Conductivity Models to
Frozen Meats with Low and
High Fat Content, International
Journal of Refrigeration, vol.28,
pp. 840-850, 2005.
 F.Gori and S.Corasaniti,
Experimental Measurements and
Theoretical Prediction of the
Thermal Conductivity of Twoand Three-Phase Water/Olivine
Systems, International Journal of
Thermophysics,
vol.24
(5),
pp.1339-1353, 2003.
 F.Gori and S.Corasaniti,
Theoretical Prediction of the
Soil Thermal Conductivity at
Moderately High Temperatures,
Journal of Heat Transfer, 2002,
ME, vol.124 (6), pp.1001-1008.
 F. Gori and S.Corasaniti,
Theoretical Prediction of Frozen
Foods
Thermophysical
Properties, ITSS II, ASME – ZSIS,
2004, Bled, Slovenia.
 F.Gori, S.Corasaniti and M.G.
Serranò, Numerical Simulation
and Design of the Two Thermal
Probes Instrument to Measure
“In Situ” the Thermal Properties
of Extraterrestrial Soils, 14th
Intern. Symp. on Transport
Phenomena, 2003, Bali, Indonesia
 F.Gori, S.Corasaniti and
W.M.Worek, Theoretical And
Numerical Prediction of the
Thermal Conductivity of Heat
Shields for Re-Entry Vehicles,
ASME-ATI-UIT 2010
Le nostre ricerche
FISICA TECNICA INDUSTRIALE
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Fabio Gori
[email protected]
 Ing. Daniele Ludovisi
Pubblicazioni
 F.Gori. Mass and Energy-
Capital Conservation Equations
to Study the Price Evolution of
Non-Renewable
Energy
Resources. Part III – Energy
supply curve. Applied Thermal
Engineering, (2009) 29: 21722186.
 F.Gori, D.Ludovisi and
P.F.Cerritelli. Forecast of oil
price and consumption in the
short term under three
scenarios: Parabolic, linear and
chaotic behavior. Energy, (2007)
32 (7): 1291-1296.
 F.Gori. Mass and EnergyCapital Conservation Equations
to Study the Price Evolution of
Non-Renewable
Energy
Resources. Part II – Extension
to Resources Sold to the
Market.
Applied
Thermal
Engineering, (2006) 26: 17511770.
 F.Gori. Mass and EnergyCapital Conservation Equations
to Study the Price Evolution of
Non-Renewable
Energy
Resources.
Part
I
–
Generalization of the Hotelling
Rule.
Applied
Thermal
Engineering, (2006) 26: 17461750.
 F.Gori. Mass and EnergyCapital Conservation Equations
for the Time Evolution of NonRenewable Energy Resources.
Chapter
5
of
Thermal
Engineering
Research
Development, Nova Science
Pubs. Inc, New York, 2009, In
Press.
DESCRIZIONE
L’equazione di conservazione della massa viene impiegata per studiare
l’evoluzione temporale dell’ammontare delle riserve di risorse energetiche non
rinnovabili a seconda della politica di estrazione. L’equazione di conservazione
dell’energia è trasformata in un’equazione di conservazione del capitale per
studiare l’evoluzione temporale del prezzo delle risorse energetiche non
rinnovabili. La legge di Hotelling per le risorse non estratte, cioè un aumento
esponenziale del prezzo delle risorse col prodotto dell’interesse corrente e del
tempo è un caso speciale della conservazione dell’energia-capitale quando il flusso
di estrazione delle risorse è unitario. Le equazioni di conservazione sono
accoppiate e risolte congiuntamente per studiare l’evoluzione temporale delle
riserve e dei prezzi delle risorse estratte.
Il mercato del greggio e’ di primaria importanza nell’ambito energetico poiche’
influenza l’economia mondiale e lo sviluppo delle fonti di energie alternative. La
Rescaled Range Analysis, RRA, permette di studiarne il comportamento senza fare
alcuna ipotesi a priori sul tipo di distribuzione probabilistica.
RISULTATI
Le previsioni ottenute sono state confrontate con l’evoluzione reale del prezzo
mondiale del petrolio e del gas Europeo in funzione del consumo mondiale
durante gli ultimi tre decenni, dal 1980 al 2005 per il petrolio e dal 1984 al 2005
per il gas, prendendo in considerazione l’inflazione e i tassi di sconto denominati
Discount e Prime del mercato. L’accordo è risultato accettabile ma, ancora più
importante è la tendenza che è risultata in buon accordo, Figura 1. La differenza
tra il prezzo della risorsa venduta ed estratta è stata poi studiata in funzione del
tasso di estrazione. Sono stati introdotti quattro nuovi parametri che definiscono
i fenomeni.
La principale caratteristica del mercato del petrolio emersa da RRA è l’esistenza
di una memoria forte di 12 mesi e di una debole di 70 mesi. Tali conclusioni sono
state utilizzate, attraverso le teorie del Caos e dei Frattali e con l’utilizzo della
Fuzzy Logic è stato previsto l’andamento del prezzo del petrolio da Febbraio 1999
a Dicembre 2003, ottenendo come risultato un aumento continuo simile
all’andamento reale. Tale andamento e’ stato paragonato ai risultati ottenuti con
un’analisi di tipo lineare e parabolico, Figura 2.
12
10
p(US$/GJ)
Previsione delle
Riserve e dei Prezzi
delle Risorse
Energetiche.
8
6
4
2
0
2.8
3.0
3.2
3.4
3.6
G (GT/y)
Figura 1
Figura 2
26
3.8
4.0
4.2
Le nostre ricerche
FISICA TECNICA INDUSTRIALE
Termofluidodinamica
DESCRIZIONE
I getti sommersi sono ampiamente utilizzati per controllare fenomeni di trasporto
di Getti e Fiamme
di massa e di calore, tipici di molte attività caratterizzate da trasferimenti di
energia. Garantiscono la salvaguardia delle funzionalità di alcuni elementi minacciati
dalle elevate temperature di esercizio e rappresentano parte attiva del processo
produttivo nell’industria del vetro, nella manifattura dei metalli, nelle industrie
GRUPPO DI LAVORO:
tessili e cartarie. Nei laboratori di Fisica Tecnica ed Energetica vengono condotti  Prof. Fabio Gori
esperimenti per l’analisi termofluidodinamica dell’evoluzione dei getti rettangolari e
[email protected]
circolari, sia liberi che impattanti superfici. Il gruppo di ricerca si avvale di  Ing. Ivano Petracci
attrezzature che comprendono tre gallerie del vento (di cui una in Figura 1) e un
[email protected]
impianto per l’alimentazione e distribuzione dell’aria compressa. Riguardo la  Ing. Jean-François Ciparisse
strumentazione e le tecniche di misura, il laboratorio ha la disponibilità
dell’anemometria a filo e film caldo, della shadowgrafia e della Particle Image
Velocimetry (PIV). Completano l’attrezzatura, trasduttori di pressione, flussimetri,
Pubblicazioni
manometri, tubo di Pitot, sistemi di acquisizione dati, termocoppie, termometri a

F.Gori,
E.Nino
and
resistenza, termostati e le apparecchiature necessarie alla taratura delle sonde
I.Petracci.
Shadowgraph
fluidodinamiche e termiche utilizzate.
visualizations of a submerged
free
slot
jet
of
air.
RISULTATI
International Journal of Heat
In relazione all’evoluzione fluidodinamica, uno degli aspetti più importanti è la
and Technology, (2007) 25 (1):
capacità di penetrazione del getto nell’ambiente circostante. Un ruolo
157-164.
fondamentale è giocato dalla presenza delle strutture vorticose di larga scala negli
 F.Gori, I.Petracci and
strati a mescolamento libero. Rispetto alla letteratura scientifica corrente, i
V.Tedesco. Cooling of two
risultati dell’indagine sugli slot rettangolari hanno evidenziato la presenza di una
smooth cylinders in a row by
regione indisturbata in cui i profili di velocità e turbolenza rimangono quasi uguali a
a slot jet of air with low
quelli della sezione di uscita.
turbulence. Applied Thermal
Riguardo alle tecniche di miglioramento dello scambio termico, si è sperimentata
Engineering. (2007) 27: 2415–
l’alettatura come sistema passivo per l’incremento del coefficiente di scambio
2425.
termico convettivo su un cilindro investito da un getto di aria. L’obiettivo è stato
quello di valutare se le alette siano ancora convenienti quando il getto sostituisce  F.Gori, M.Borgia, A.Doro
la configurazione del flusso uniforme. Sono stati testati diversi regimi di moto, in Altan, M.Mascia, I.Petracci.
Cooling of a finned cylinder
differenti posizioni del cilindro e per tre differenti sezioni rettangolari.
Nello studio della combustione di getti di metano, l’attività sperimentale è by a jet flow of air. Journal of
consistita nello studio di fiamme diffusive di metano in aria stagnante, al fine di Heat Transfer. (2005) 127(12):
valutare grandezze come la lunghezza della regione indisturbata, la lunghezza della 1416-1421.
fiamma e lo spazio di distacco, al variare del numero di Reynolds, del contenuto  Brevetto Nazionale: RM
2008A000059. Miscelatore a
iniziale di turbolenza e dello spessore della lamiera dello slot del metano.
flussi incrociati, in particolare
per bruciatori. Inventori: Gori
Fabio
,
Ciparisse
Jean
Francois, 04-02-2008.
 F.Gori and I.Petracci.
Thermal and Fluid dynamics in
Jet Flow Chapter 4 of Thermal
Engineering
Research
Development, Nova Science
Pubs. Inc, New York, 2009, In
Press.
Figura 1. Galleria del vento
Figura 2. Visualizzazione shadowgrafica
del getto libero
27
Le nostre ricerche
FISICA TECNICA INDUSTRIALE
Proprietà
Termofisiche di
Materiali a
Temperatura
Ambiente e ad Alta
Temperatura.
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof Paolo Coppa
[email protected]
 Ing. Gianluigi Bovesecchi
Pubblicazioni
 P. Coppa, G. Pasquali,
“Thermal Conductivity of
Lipidic Emulsions and its Use
for Production and Quality
Control.”2st
International
Symposium on Instrumentation
Science and Technology, Aug.
18~22, 2002, Jinan. China,
vol.1 pp. 486.
 V.R. Tarnawski, T. Momose,
W. H. Leong, G. Bovesecchi,
P.
Coppa,
“Thermal
Conductivity of Standard
Sands. Part I. Dry-State
Conditions”,
Int.
J.
Thermophys., v. 30, pp.649-668
(2009), DOI 10.1007/s10765009-0596-0,
 G. Bovesecchi , P. Coppa,
“High
temperature
(till
1500°C)
contemporary
thermal conductivity and
thermal
diffusivity
measurements with the step
flat heat source”, Proc. of the
5th International Symposium on
Instrumentation Science and
Technology,
Sept. 15~18,
2008, Shenyan. China, (vol.2
pp. 848-857)
DESCRIZIONE
Nel laboratorio di proprietà termofisiche del Dipartimento di Ingegneria
Meccanica sono stati messe a punto le seguenti procedure:
- Misure di conduttività termica con il metodi della sonda (probe method) su mezzi
porosi, quali suoli e alimenti. Nel laboratorio sono state realizzate sonde di
dimensioni variabili tra 0,3 mm e 1 mm, e rapporto tra diametro e lunghezza tra
50 e 150. Le sonde sono alimentate con una corrente variabile tra 50 e 200 mA,
e producono un riscaldamento del mezzo in cui sono inserite tra 2 e 5 °C, in
funzione della conduttività del mezzo stesso.
- Proprietà termofisiche e biologiche (perfusione sanguigna e metabolismo) di
tessuti viventi: sempre con la sonda , inserita in campioni di tessuti viventi, è
possibile misurare il metabolismo locale del tessuto stesso e la perfusione
sanguigna, parametri che possono risultare utili allo studio e alla diagnostica di
determinate patologie (invecchiamento dei tessuti, ischemia, alterazioni del
metabolismo).
- Diffusività termica con il flash method sino a 1500°C: si illumina un campione di
forma a lastra sottile con un flash (laser o fotografico), si misura la temperatura
dal lato opposto con la pirometria (con fotodiodi al Si ad alta temperatura e con
sensori HgCdTe a temperatura ambiente), ed infine si elaborano i dati con
regressione con i minimi quadrati utilizzando la soluzione analitica dell’equazione
di Fourier.
- Misure di conduttività termica con il metodo della sorgente piana: il metodo della
sorgente piana (flat heat source) può essere utilizzato per misure sino a 1500°C
di conduttività termica, diffusività termica e resistenza termica di contatto. La
sorgente è costituita da un deposito di platino su una sottile (0,1 mm di
spessore) lastra di allumina (cfr. figura).
RISULTATI
Il metodo della sonda, mediante l’analisi dell’incertezza e le misure di confronto
con materiali a conduttività termica nota (glicerina), ha mostrato un’accuratezza
relativa nella misura di conduttività pari al 2÷3%. Nei mezzi porosi l’incertezza può
aumentare a causa del wall effect.
Le misure di diffusività termica con il flash method, effettuate su campioni in
acciaio, alluminio, gomma, plastica a temperatura ambiente, e sui materiali
costituenti le celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC) ad altra temperatura,
hanno mostrato un’accuratezza relativa dell’ordine dell’1÷2% per le misure a
temperatura ambiente, a del 4÷5% ad alta temperatura.
28
Le nostre ricerche
FISICA TECNICA INDUSTRIALE
DESCRIZIONE
La misura della temperatura delle fiamme può essere effettuata con metodi a
contatto (termocoppie, termoresistenza), ma in tale caso la necessità di riscaldare
il sensore può portare a elevate incertezze nella misura,, e a costanti di tempo tali
da impedire la valutazione della turbolenza termica della fiamma, responsabile di
oscillazioni a frequenze elevate, e conseguentemente a possibilità di formazione di
inquinanti quali incombusti a bassa temperatura e NOx ad alta. La pirometria
permetterebbe di effettuare misure non invasive sulle fiamme, e con velocità di
risposta sino al MHz, però il segnale rilevato dal pirometro è fortemente
influenzato dall’emissività delle fiamme stesse, e risulta estremamente variabile e
dipendente da lunghezza d’onda e temperatura. Presso il laboratorio di proprietà
termofisiche sono state condotte misure su fiamme inseminate con particelle di
materiale inerte (allumina) su cui viene focalizzato il pirometro. Mediante il metodo
della multi lunghezza d’onda (sucui si basa il pirometro standard del Laboratorio di
Proprietà Termofisiche del Dipartimento di Ingegneria Meccanica) è possibile
tenere conto del fatto che solo una porzione ridotta dell’area esaminata dal
pirometro è occupata dalle particelle inseminanti. Per l’effettuazione delle misure è
stata costruita ed è attiva presso il laboratorio una camera di prova sperimentale
appositamente attrezzata per la sperimentazione della combustione.
RISULTATI
Le misure effettuate hanno da un lato dimostrato la validità del metodo,
mostrando un’ottima corrispondenza(entro l’1%) tra le misure a contatto con una
termocoppia tipo K inguainata in allumina, e le misure pirometriche, dall’altro
hanno permesso di evidenziare le frequenze proprie delle oscillazioni termiche
delle fiamme, e la correlazione tra esse e le frequezze fluidinamiche (della velocità)
misurate con altra strumentazione (PIV e LDV, cfr. figura)
29
Misura di
Temperatura e
Turbolenza di
Fiamme
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof Paolo Coppa
[email protected]
 Ing. Gianluigi Bovesecchi
 Ing. Jean-Fronçois Ciparisse
 Ing. Luca Scalorbi
Pubblicazioni
 P. Coppa, A. Consorti,
“Normal
Emissivity
of
Samples
Surrounded
by
Surfaces
at
Diverse
Temperatures”, Measurement,
38, (2005), pp. 125-131; da
una memoria in Atti del IX
Convegno
dell’A.I.P.T,
Orbassano
(TO),
26
settembre 2003, pp. 51-71,
ISSN: 0263-2241
 D. Giordano, P. Coppa, S.
Giammartini, G. Pezzotti, F.
Manfredi, “Confronto tra
frequenze
termiche,
cinematiche, e acustiche in
fiamme in presenza di
turbolenza”, Proc. of IX A.I.P.T
Meeting, Torino, pp. 67-84
 D. Giordano, P. Coppa, S.
Giammartini,
“Comparison
Among Thermal, Kinematic
and Acoustic Spectra in a Gas
Turbine
Burner
Model”,
Combustion and Urban Areas,
Proc. of the 28th meeting of
the Italian Section of the
Combustion Institute, Napoli
July 4-6th 2005, p. VI-1
 M.M. Dugand, P. Coppa, G.
Bovesecchi, “Misura della
temperatura delle fiamme con
telecamera ad infrarossi tra
200 and 1200 °C nel campo
di lunghezze d’onda 3÷5μm”,
Proc. of XII Convegno Nazionale
A.I.P.T., Vicenza, 29 settembre
2006, pp. 137-146
Le nostre ricerche
FISICA TECNICA INDUSTRIALE
Progettazione e
Valutazione
Economica di
Centrali di
Generazione
Elettrica e
Cogenerazione a
Biomasse Legnose
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof Paolo Coppa
[email protected]
 Ing. Stefano Del Ferraro
Pubblicazioni
 P. Coppa, S. Cordiner,
“Impianto di generazione di
energia a biomassa legnosa
per l’Università degli Studi di
Roma Tor Vergata”, Studio di
fattibilità, gennaio 2007
 P. Coppa, S. Del Ferraro,
S. Villa, “Relazione Ret003:
impatto
sull’atmosfera”,
Relazione finale contratto di
ricerca tra Dipartimento di
Ingegneria
Meccanica
e
InterEnergy S.r.L., 24 aprile
2009
 Coppa P., Francardi S.,
“Teleriscaldamento
nel
centro-sud: fattibilità tecnica
e convenienza economica”,
La Termotecnica, ottobre
2000, pp. 73-77.
 P Coppa, S. Del Ferraro,
“Studio di fattibilità per la
realizzazione di un sistema
cogenerativo a biomassa
legnosa”, Relazione finale
progetto Docup Abruzzo, 4
dicembre 2007
DESCRIZIONE
Il gruppo di lavoro ha portato avanti le seguenti attività relative alla realizzazione di
impianti di generazione di energia elettrica e/o di cogenerazione basati sulla
combustione di cippato di legno:
- fattibilità tecnica dell’impianto
- bilanci di massa ed energia, che in funzione della disponibilità di combustibile e
dei fabbisogni termici ed elettrici stabiliscano la taglia dell’impianto
- dimensionamento dell’impianto, comprendente anche la descrizione dei
componenti ed un layout di massima
- bilancio economico, che tenga conto dei differenti flussi di cassa (costi di
gestione, ammortamento, certificati verdi, crediti di carbonio, etc.) allo scopo di
valutare la convenienza economica
- valutazione dell’impatto ambientale, in particolare con lo studio modellistico
dell’impatto prevedibile sull’aria, con programmi open source quali CALPUF,
integrato da MM5 e CALMET.
RISULTATI
Sono stati affrontati studi relativi a cinque diversi impianti (Roma Tor Vergata,
cogenerativo da 5 MW elettrici e 7 MW termici), VastoLegno (Vasto, Abruzzo) da
0,9 MW elettrici e 1,1 MW termici, Demonte (CN) da 5MWelettrici e 2,5 MW
termici, Buti (PI) da 12 MW elettrici.
I risultati hanno mostrato una notevole convenienza economica, dovuta
principalmente al contributo dei certificati verdi, che consentono un ritorno
dell’investimento tra i 4 e i 7 anni.
Valutazione della ricaduta di inquinanti su una centrale a biomasse per il territorio
di Tor Vergata
30
Le nostre ricerche
FLUIDODINAMICA
DESCRIZIONE
Le attività di ricerca del gruppo di fluidodinamica riguardano problemi di turbolenza
convettiva (sia relativamente alla sola fase fluida che considerando anche le
proprietà termiche dei solidi a contatto), di dinamica della vorticità per flussi
geofisici (con effetti di rotazione e stratificazione), di biofluidodinamica (flussi nelle
valvole cardiache meccaniche con interazione fluido/struttura) e di pneumatica dei
sistemi di frenatura dei treni merci. Tutte le attività sono svolte utilizzando delle
simulazioni numeriche delle equazioni di Navier-Stokes effettuate con dei codici di
calcolo sviluppati ad-hoc per le ricerche.
E' in corso una collaborazione con l'Ing. V. Mulone per la simulazione fluidodinamica
dei fenomeni in un combustore a letto fluido.
RISULTATI
Simulazione
Numerica di Flussi
Turbolenti
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Roberto Verzicco
[email protected]
Pubblicazioni
Tra i risultati ottenuti si riportano come più rappresentativi:
 Verzicco,
R.
and
 l'effetto delle proprietà termiche dei materiali sullo scambio termico convettivo
Sreenivasan,
K.R.
"A
in un fluido,
comparison of turbulent
 lo studio della dinamica dei vortici in ambienti stratificati ed in presenza di thermal convection between
rotazione,
conditions
of
constant
 la dinamica del flusso nelle valvole aortiche meccaniche con l'analisi del temperature and constant
meccanismo di trombogenesi
heat flux" J. of Fluid Mech.,
la pneumatica dei sistemi di frenatura dei treni merci (studiata in collaborazione con 595, 203219, (2008).
il gruppo di Costruzione di Macchine coordinato dal Prof. V. Vullo) ha portato alla  Kunnen, R.P.J., Clercx,
realizzazione di un software di dinamica longitudinale dei treni che è stato acquisito H.J.H., Geurts, B.J., van
dalla UIC (Unione Ferroviaria Internazionale) ed è diventato lo standard per Bokhoven,
L.J.A.,
l'interoperabilità dei treni tra differenti nazioni.
Akkermans, R.A.
and
Verzicco, R. "A numerical
and
experimental
investigation of structure
function scaling in turbulent
Rayleigh Benard convection"
Physical Review E, 77, 016302,
(2008).
 Sbrizzai, F., Verzicco, R.
and Soldati, A. "Particle
dispersion and preferential
Figura 2. Scarico a mare, in
distribution in a sudden
condizioni barocline, del fiume
cylindrical pipe expansion"
Figura 1. Campo istantaneo di
Pescara
ed
influenza
sulla
Flows Turb. & Comb., 82,123,
pressione per il flusso intermedio
dispersione di inquinanti della diga
(2009).
attraverso una valvola cardiaca
foranea.
 Benzi, R., and Verzicco,
R. "Numerical simulation of
flow reversal in RayleighBenard
convection"
Europhysics
Letters,
81(6),64008, (2008).
Figura 3. Configurazione istantanea sulla piastra calda per un flusso di RayleighBénard a Pr=0.7 e Ra=2e10 in una cella cilindrica con rapporto d'aspetto 0.5. a)
gradiente di temperatura a parete, b) superficie isotemperatura, c) velocità
verticale (rosso negativa e verde positiva).
31
Le nostre ricerche
Energy
Management
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Vittorio Cesarotti
[email protected]
 Ing. Vito Introna
[email protected]
 Ing. Bruna Di Silvio
[email protected]
 Ing. Caterina Spada
[email protected]
Pubblicazioni

“Energy budgeting and
control: a new approach for an
industrial plant”, International
Journal
of
Energy
Sector
Management, Cesarotti V., Di
Silvio B., Introna V., vol.3 N°2,
pp. 131-156 giugno 2009
“Evaluation of electricity rates
through characterization and
forecasting
of
energy
consumption: A case study of
an Italian industrial eligible
customer “, Cesarotti V., Di
Silvio
B.,
Introna
V.,
International Journal of Energy
Ssector Management, Emerald
Group
Publishing
Limited
ISSN:1750-6220, vol.1 N°4, pp.
390-412, dicembre 2007
 “Plant energy consumption
reduction through monitoring
and control system based on
quality management concepts
and tools”, Cesarotti V., Di
Silvio B., Introna V., 8th
International Conference on
The
Modern
Information
Technology in the Innovation
process of the Industrial
Enterprises
(MITIP
2006)
Proceedings,
pp.445-450,
Budapest, 11 e 12 settembre
2006
IMPIANTI INDUSTRIALI MECCANICI
DESCRIZIONE
Energy Management inteso come gestione efficiente dell’energia da parte delle
aziende industriali e di servizio. I principali filoni di ricerca in quest’ambito sono nel
seguito riportati:
 sistemi di controllo dei consumi energetici di stabilimento: si sta approfondendo la
possibilità di utilizzare le tecniche di controllo statistico dei processi produttivi
(analisi di regressione, carte di controllo, analisi della varianza, design of
experiment, ecc.) per lo studio sia dei consumi dell’intero sito (plant o building) sia
dei consumi dei principali impianti utilizzatori di energia (impianti Heat Ventilation
and Air Conditioning, impianti aria compressa, impianti di illuminazione, reparti di
produzione, ecc.) al fine di sviluppare strumenti avanzati per il monitoraggio e la
previsione per supportare un processo per la riduzione continua e sistematica dei
consumi energetici globali;
 modellazione e simulazione dei sistemi di utilizzazione dell’energia: si sta studiando la
possibilità di integrare le informazioni deducibili dalle analisi effettuate con i metodi
discussi al punto precedente con informazioni ottenibili attraverso la modellazione
e la simulazione dei principali utilizzatori effettuabile a partire dai dati di targa degli
stessi e da informazioni relative alle modalità operative con le quali vengono
utilizzati;
 sistemi di Gestione per l’Energia: in relazione all’opportunità dell’introduzione di un
Sistema di Gestione per l’Energia all’interno delle aziende manifatturiere, si sta
studiando la definizione di un modello adeguato e le modalità per l’integrazione
con i sistemi di gestione preesistenti (qualità, ambiente, ecc.);
 sistemi di tariffazione dell’energia elettrica: si sta studiando un modello di analisi
della tariffazione energetica in relazione alla possibilità di ridurre i costi energetici
aziendali a fronte delle nuove formule tariffarie offerte dall’apertura del mercato
dell’energia elettrica attraverso un’adeguata pianificazione e controllo dei consumi
energetici di stabilimento.
RISULTATI
I principali risultati ottenuti sono:
 sviluppo di un software per il monitoraggio e controllo dei consumi energetici di
stabilimento in collaborazione con la cattedra di Macchine a fluido
 sviluppo di una metodologia per la previsione ed il controllo dei consumi
energetici di stabilimento
 sviluppo di modelli e indicatori per il controllo del budget energetico di
stabilimento
32
Le nostre ricerche
IMPIANTI INDUSTRIALI MECCANICI
DESCRIZIONE
Monitoraggio ed ottimizzazione delle prestazioni degli Impianti manifatturieri con
particolare riguardo all’applicazione di tecniche avanzate per il miglioramento
delle performance d’impianto. I principali filoni di ricerca in quest’ambito sono
nel seguito riportati:
 monitoraggio e miglioramento delle prestazioni degli impianti industriali: si sono
sviluppate metodologie per la misura sistematica dello status quo di un impianto,
che permetta di individuare criticità, priorizzare gli interventi di efficientamento e
stimarne l’impatto. Si sono sviluppate linee guida per il monitoraggio e il
controllo degli indicatori di stabilimento per il comparto delle lavanderie
industriali; si proseguirà la ricerca con l’individuazione dei benchmark di settore
legati ai parametri individuati.
 studio della formulazione e delle dinamiche di variazione dell’OEE nei sistemi
produttivi: mediante l’utilizzo di modelli di simulazione si stanno studiando le
dinamiche di funzionamento in condizioni reali di un singolo macchinario di
produzione per l’analisi dell’efficienza dello stesso; inoltre si sta approfondendo
lo studio dell’efficienza di un sistema produttivo in relazione alla propagazione
delle perdite di efficienza delle singole unità che lo compongono.
 miglioramento della “robustezza” di processi industriali: si sta studiando la
possibilità di applicazione di tecniche di disegno sperimentale per il
miglioramento della “robustezza” di processi industriali in cui si individuano
caratteristiche della qualità per attributi.
RISULTATI
I principali risultati ottenuti sono:
 linee guida per la misura ed il controllo dei parametri prestazione di
stabilimento per il settore delle lavanderie industriali
 sviluppo di un modello di simulazione per l’analisi delle prestazioni di una
singola unità di produzione
33
Monitoraggio ed
ottimizzazione delle
prestazioni degli
Impianti manifatturieri
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Vittorio Cesarotti
[email protected]
 Ing. Vito Introna
[email protected]
 Ing. Bruna Di Silvio
[email protected]
 Ing. Caterina Spada
[email protected]
Pubblicazioni

“Teaching
OEE
using
simulation”, Cesarotti V., Di
Silvio B., Introna V., 2009, 11th
International Conference on The
Modern Information Technology
in the Innovation process of the
Industrial Enterprises (MITIP
2009) Proceedings, Bergamo,
ottobre 2009
 “Misura e controllo dei
parametri
prestazionali
di
stabilimento. Linea guida per il
settore
delle
lavanderie
industriali”, Cesarotti V., Di Silvio
B., Introna V., Scorziello D.,
2009, (in press)
 “Design of experiment with
attribute response: case study of
injection
molding
process”,
Cesarotti V., Di Silvio B., Introna
V., 10th International Conference
on The Modern Information
Technology in the Innovation
process
of
the
Industrial
Enterprises
(MITIP
2008)
Proceedings, pp.32-37 Budapest,
settembre 2008
 “Evaluation and optimisation of
manufacturing
system
using
simulation modelling and design
of experiment”, Cesarotti V., Di
Silvio B., Introna V., 20th
European
Modeling
and
Simulation Symposium. EMSS
2008 Proceedings, 20th
European
Modeling
and
Simulation Symposium, EMSS08,
pp.224-230,
Campora
San
Giovanni, Amantea (CS) Italy 1719 settembre 2008
Le nostre ricerche
IMPIANTI INDUSTRIALI MECCANICI
Manutenzione degli
Impianti Industriali
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Vittorio Cesarotti
[email protected]
 Ing. Vito Introna
[email protected]
 Ing. Bruna Di Silvio
[email protected]
 Ing. Caterina Spada
[email protected]
Pubblicazioni
 “Improvement of maintenance
practices
through
the
introduction
of
energy
consumption control system”,
Cesarotti V., Di Silvio B.,
Introna V. 11th Int. Conf. on
The
Modern
Information
Technology in the Innovation
Process of the Industrial
Enterprises (MITIP 2009) Proc.,
Bergamo, 2009
 “A Systematic Approach to
Achieve Operational Excellence
in Hotel Services”, Cesarotti V.,
Spada C., Int. Journal of Quality
and Service Sciences, 2009, Vol.1
N°1 , pp:51-61
 “Energy monitoring and
control for condition-based
maintenance: case study of
industrial
cooling
system“,
Barile F., Cesarotti V., Di Silvio
B., Introna V., 9th Int. Conf. on
The
Modern
Information
Technology in the Innovation
process of the Industrial
Enterprises (MITIP 2007) Proc.,
pp. 327-332, Florence,2007
 “Technology management
model for technology-intensive
manufacturing plants”, Cesarotti
V., Di Silvio B., Introna V.,
8th Int. Conf. on The
Modern
Information
Technology in the Innovation
Process of the Industrial
Enterprises (MITIP 2006) Proc.,
pp.125-130, Budapest 2006
DESCRIZIONE
Manutenzione degli Impianti Industriali con riguardo agli studi sull'affidabilità e
disponibilità degli impianti, nonché sulle politiche ottimizzanti il processo di
manutenzione, non solo a livello di singola impresa, ma secondo le visioni più ampie di
global service e facility management, suggerite dalle esperienze di successo industriali. I
principali filoni di ricerca in quest’ambito sono nel seguito riportati:
 sviluppo di metodi e modelli per l’ottimizzazione e l’implementazione di politiche di
manutenzione preventive ed ispettive: si sta approfondendo la possibilità di integrare le
metodologie per la progettazione orientata a garantire alta affidabilità e manutenibilità
(FMECA, FMEA, maintenability) con studi sull’applicazione di sistemi di gestione
avanzati basati sull’affidabilità dei sistemi (ad es. Reliability Centered Maintenance) e di
politiche di manutenzione predittiva o su condizione.
 sviluppo della metodologia Total Productive Maintenance per il miglioramento
dell’efficienza degli impianti industriali mediante l’integrazione di concetti di Lean
Thinking e Total Quality Management con il coinvolgimento di tutti i livelli aziendali.
Applicazione di tale metodologia a diverse realtà aziendali, adattandola alle diverse
esigenze e contesti, e integrandola con altre metodologie di efficientamento degli
impianti industriali.
 energy maintenance system: si stanno sviluppando sistemi integrati di manutenzione e
monitoraggio e previsione dei consumi energetici di stabilimento (impianti di servizio
e di produzione) al fine di individuare le opportunità di manutenzione su condizione in
cui i “segnali deboli” siano legati ad aumenti dei consumi energetici, individuare le
attività di manutenzione con impatto sui consumi energetici, integrare all’interno delle
voci di costo di manutenzione i costi energetici.
 facility management: sono state sviluppate, presso diverse realtà industriali e di
servizio, metodologie di supporto alla gestione di facility complesse che permettono di
coniugare economia, efficienza e flessibilità massimizzando il valore del servizio sia per
l’erogatore (interno/esterno) che per il cliente/utente. Si sono sviluppate soluzioni per
il controllo dei servizi integrati di supporto all’edificio/impianto esternalizzati dalle
aziende e definiti driver ed indicatori per la pianificazione, gestione e controllo del
servizio.
RISULTATI
I principali risultati ottenuti sono:
 Una metodologia per la definizione di interventi di manutenzione su condizione per
impianti di servizio/produzione con parametri legati ai consumi energetici
 Linee guida per la pianificazione, l’esecuzione ed il controllo di servizi di facility
management nel settore ospedaliero
Dal 2007 è stato istituito e coordinato un Gruppo di lavoro sulla manutenzione e
l’efficientamento degli Impianti Industriali al quale aderiscono professionisti aziendali del
settore
34
Le nostre ricerche
IMPIANTI INDUSTRIALI MECCANICI
Gestione della Qualità
DESCRIZIONE
Gestione della Qualità: con particolare riguardo al controllo statistico di
processo, controllo in accettazione, problem solving, sviluppo di sistemi di
gestione per la qualità, certificazione di qualità ISO 9001, modelli di eccellenza
EFQM, self-assessment aziendale, accreditamento degli organismi di ispezione,
tecniche di monitoraggio delle soddisfazione del cliente, tecniche di lavoro di
gruppo, stakeholder engagement. I principali filoni di ricerca in quest’ambito sono
nel seguito riportati:
 analisi e modellizzazione di best practice aziendali in ambito europeo sviluppati in
partnership con EFQM, finalizzate a favorire bechmarking di esempi di eccellenza
organizzativa tra le organizzazioni nell’ottica del miglioramento continuo.
Revisione e sviluppo dei concetti della qualità totale, nonché del modello di
eccellenza EFQM, al fine di adattarlo alle realtà aziendali, nonché alle nuove
esigenze e sfide poste dal mercato.
 sviluppo di metodi e modelli volti alla valutazione e all’incremento all’interno di un
organizzazione dell’employee engagement, quale pilastro per perseguire l’eccellenza
organizzativa, nonché naturale sviluppo dei concetti della qualità totale.
 sviluppo e implementazione di metodi e modelli, supportati da tool informatici e di
business intelligence, per lo sviluppo di sistemi di gestione per la qualità all’interno
di organizzazioni conformi alla ISO 9001 orientati al miglioramento continuo.
 analisi di strumenti e politiche organizzative volte ad incrementare la fiducia e i
rapporti di lungo periodo nei rapporti cliente- fornitore. In particolar modo ci si è
focalizzati sulla centralità degli organismi di ispezione di parte terza quale
strumento di controllo e garanzia imparziale ed indipendente, attore
fondamentale per incrementare la qualità del prodotto/servizio erogato, nonché
per dare garanzie nei rapporti contrattuali.
RISULTATI
I principali risultati ottenuti sono:
 Sviluppo di casi aziendali nei quali sono stati presentati esempi di eccellenza in
ottica di miglioramento continuo e applicazione dei principi della qualità totale di
alcune tra le maggiori aziende europee
 Sviluppo di partnership con EFQM, la fondazione europea per l’eccellenza
35
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Vittorio Cesarotti
[email protected]
 Ing. Vito Introna
[email protected]
 Ing. Bruna Di Silvio
[email protected]
 Ing. Caterina Spada
[email protected]
Pubblicazioni
“The Impact of Cultural
Issues
and
Interpersonal
Behavior
on
Sustainable
Excellence
and
Competitiveness: An Analysis
of the Italian Context.”,
Cesarotti V., Spada C. (2008),
ZINK
K.J.,
Corporate
Sustainability as a Challenge for
Comprehensive
Management.
(pp.
95-113).
ISBN:
9783790820454. : Springer
(UNITED STATES).
• “Rolls-Royce Motor Cars:
Taking the very best to the
next level. Cesarotti V., Spada
C, Mulè G, Brussels: EFQM
(Belgium), EFQM cases (in
stampa).
•“White paper on Employee
Engagement.” Cesarotti V.,
Spada C., Brussels: EFQM
(Belgium), EFQM cases (in
stampa).
• “TNT Express ICS: On going
the extra mile”. Cesarotti V.,
Spada C, Mulè G.; ISBN: 905236-648-9.; Brussels: EFQM
(Belgium). EFQM Cases , 2007.
•“T_Systems MMS: Balancing
opposites”, V.Cesarotti, Mulè
G., Lebeer F; ISBN: 90-5236649-7.;
Brussels:
EFQM
(Belgium). EFQM Cases , 2007.
•
Le nostre ricerche
MACCHINE A FLUIDO
Design e Testing di
Sistemi di Posttrattamento dei Gas
di Scarico di Motori a
Combustione Interna
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof Vittorio Rocco
[email protected],
 Prof. Massimo Feola
[email protected]
 Prof. Stefano Cordiner
[email protected]
 Ing. Vincenzo Mulone
[email protected]
DESCRIZIONE
Con l’avvento di misure anti-inquinamento (EURO V, EURO VI) sempre più
stringenti in termini di emissioni allo scarico dei veicoli circolanti, i sistemi di
post-trattamento dei gas di scarico sono diventati negli ultimi anni sempre più
sofisticati ed efficienti. La richiesta evoluzione dei suddetti sistemi di posttrattamento ha riguardato diversi dispositivi (Diesel Oxidation Catalyst DOC,
Three-Way Catalyst TWC, Diesel Particulate Filter, DPF, Selective Catalytic
Reduction SCR) a tutti i livelli: dal disegno dei canali, al progetto fluidodinamico
dell’intero terminale, all’integrazione del sistema con il motore dal punto di vista
termico e del controllo. Inoltre, particolare attenzione è attualmente rivolta
verso lo studio della distribuzione dimensionale del particolato allo scarico di
motori Diesel, mediante opportuni strumenti di misura (EEPS, Engine Exhaust
Particle Sizer) e modelli termo-fluidodinamici 3D in grado di misurare e predire
l’efficienza di filtrazione di un dato DPF, oltrechè in massa, anche in funzione del
diametro delle particelle emesse. La capacità di un filtro DPF di eliminare
nanoparticelle, che sono particolarmente dannose per l’organismo data l’elevata
mobilità e rapporto superficie/volume, sarà infatti fondamentale per ottemperare
alle norme EURO V stage b per veicoli per il trasporto passeggeri.
RISULTATI
Pubblicazioni
 Arrighetti, S. Cordiner, V.
Mulone (2007), ASME Journal
of Heat Transfer, -- April 2007 - Volume 129, Issue 4, pp. 536547
 S- Cordiner, V. Mulone
(2007), SAE 2007-01-1132,
World Congress.
 S. Cordiner, G. De Simone,
V. Mulone, SAE 2007-01-4007,
Powertrain Congress, Chicago.
 -S. Cordiner, A. Mariani, V.
Mulone, SAE World Congress
2009.
 -S. Cordiner, G. De Simone,
V. Mulone, SAE World Congress
2010.
Le ricerche, condotte sia in laboratorio che al calcolatore, hanno riguardato negli
ultimi anni i diversi aspetti sopra citati.
Tali attività sono supportate dalla collaborazione con aziende di riferimento del
settore (FIAT-CRF, EMITEC, LOMBARDINI), e sono oggetto, per quanto
riguarda lo specifico studio dell’emissione di nanoparticelle, di un finanziamento
COFIN-PRIN 2007 nel quale l’UdR di Roma ha assunto il ruolo di coordinatore
scientifico, ed il progetto vede come partner le Università di Torino, Perugia, Pisa
e Modena. Queste ultime attività sono inoltre oggetto di collaborazioni
internazionali con la West Virginia University (WV, USA), prof. M. Gautam, e con
la Technical University of Tampere, prof. J. Keskinen (Finlandia).
A titolo di esempio, in Figura, è riportata la distribuzione dimensionale di
particelle rilevata a monte ed a valle di un moderno filtro per particolato di tipo
CLOSE COUPLED. Risulta evidente come, a seconda delle condizioni operative
del motore, il filtro sia in grado di trattenere le particelle in misura diversa a
seconda del peso dei diversi meccanismi di filtrazione nella matrice porosa del
filtro per particolato. L’accurata analisi dei dati proposit, al variare delle
condizioni operative del motore, indirizzerà i progettisti di filtri verso il disegno di
nuove soluzioni per lo sviluppo di sistemi di post-trattamento più puliti in termini
di emissione di nanoparticelle.
Motore Fiat MJ EURO V e strumentazione per l’analisi dellla distribuzione dei diametri
delle nanoparticelle emesse.
Distribuzione dimensionale dei diametri delle nanoparticelle emesse da motori Diesel in
due condizioni operative differenti
36
Le nostre ricerche
MACCHINE A FLUIDO
DESCRIZIONE
L’utilizzo dell’idrogeno come combustibile può costituire, a medio/lungo
termine, una delle soluzioni più promettenti per la produzione di energia a
ridottissime emissioni inquinanti. Tale soluzione può essere applicata sia nel
campo dei trasporti (celle a bassa temperatura operativa, PEMFC), sia per la
generazione stazionaria (celle ad alta temperatura, SOFC). Entrambe le soluzioni
sono d’altronde ancora lontane dalla produzione di massa. Difatti, numerosi
problemi devono ancora essere risolti sia dal punto di vista progettuale (ad
esempio riguardo il disegno innovativo dei canali che consentono il flusso dei
reagenti), sia in termini di materiali impiegati (ad esempio riguardo lo studio di
membrane tolleranti al CO, o di materiali innovativi a basso costo).
Diversi problemi sono inoltre correlati alla produzione ed allo stoccaggio
dell’idrogeno. Sono necessari in tale senso ulteriori sviluppi e ricerche riguardo la
fattibilità tecnico-economica di sistemi a taglia ridotta (on-board-reformer) o di
produzione da fonti rinnovabili.
RISULTATI
Le ricerche, condotte sia in laboratorio che al calcolatore, hanno riguardato negli
ultimi anni molti dei diversi aspetti sopra citati.
Tali attività sono supportate dalla collaborazione con aziende di riferimento del
settore (EXERGY-FUEL-CELLS, ALPPS, FAAM, ELECTROLUX, SOFC-POWER),
e sono state oggetto, per quanto riguarda lo studio delle SOFC, di un
finanziamento COFIN-PRIN 2004. Il gruppo inoltre collabora con ENEA e con la
Queen’s University, Kingston (CAN) per quanto riguarda lo sviluppo di soluzioni
innovative per celle a combustibile PEM.
Sino ad oggi, le attività hanno riguardato soprattutto lo sviluppo ed il test di
strumenti avanzati (3D), caratterizzati da elevato grado di dettaglio, a supporto
delle attività di progetto della fluidodinamica dei canali e dell’interazione tra
scambio termico e performance elettrochimica di stack microtubolari. Tali
attività sono state supportate da parallele attività sperimentali, con l’obiettivo di
validare direttamente i modelli sviluppati. Particolare attenzione è stata dedicata
ala modellazione del fenomeno dell’allagamento della membrana (celle a
combustibile a bassa temperatura PEM), del disegno dello stack e del manifolding
di celle SOFC micro-tubolari, e della ricerca di soluzioni di sistema innovative
quali l’utilizzo di gassificatori alimentati a biomassa, ed integrati termicamente,
per la generazione di energia mediante celle SOFC.
Celle a combustibile PEM: distribuzione dei reagenti nei canali e sulla membrana e curva di
polarizzazione
Celle a combustibile SOFC micro-tubolari: distribuzione del campo di corrente su uno
stack di 45 micro-tubi
37
Design e Testing di
Dispositivi e Sistemi
per la produzione e
l’utilizzo di Idrogeno.
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof Vittorio Rocco
[email protected]
 Prof. Massimo Feola
[email protected]
 Prof. Stefano Cordiner
[email protected]
 Ing. Vincenzo Mulone
[email protected]
Pubblicazioni
 -S. Cordiner, M. Feola, V.
Mulone, F. Romanelli, Applied
Thermal Engineering, Volume 27,
Issue 4, March 2007, Pages 738747.
 -S. Cordiner, V. Mulone, F.
Romanelli, ASME Journal of Fuel
Cell Science and Technology, -August 2007 -- Volume 4, Issue
3, pp. 317-327.
 -S. Cordiner, S.P. Lanzani, V.
Mulone, M. Chiapparini, A.
D’Anzi, D. Orsi,, ASME Journal
of Fuel Cell Science and
Technology, Vol. 6, Issue 2, 2009.
 -S. Cordiner, G. De Simone,
A. Mariani, V. Mulone, New
Energy Frontiers 2, Giugno
2009, Gaeta.
 -S. Cordiner, A. Mariani, V.
Mulone, ASME J. of Heat
Transfer, 2009.
 -S. Cordiner, S.P. Lanzani, V.
Mulone, ASME EFC-09, 2009.
Le nostre ricerche
MACCHINE A FLUIDO
Design di Motori a
Combustione Interna
alimentati a Gas
Naturale ad Elevato
Rendimento.
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof Vittorio Rocco
[email protected],
 Prof. Massimo Feola
[email protected]
 Prof. Stefano Cordiner
[email protected]
 Ing. Vincenzo Mulone
[email protected]
Pubblicazioni
 S. Cordiner, V. Mulone, R.
Scarcelli, SAE 2007-01-1901,
2007 Kyoto.
 E.C. Chan, S. Cordiner, M.
Davy, R.L. Evans, SAE 2007-011913, 2007 Kyoto.
 S. Cordiner, M. Gambino, S.
Iannaccone, V. Rocco, R.
Scarcelli, Energy Fuels, 22,
2008.
 F. Ortenzi, M. Chiesa, R.
Scarcelli, G. Pede, Int. J.
Hydrogen Energy, 2008.
 S. Cordiner, M. Gambino, S.
Iannaccone, V. Mulone, R.
Scarcelli, V. Rocco, SAE ICE
2009.
 E. C. Chan, M. Davy, G. De
Simone, V. Mulone, ASME J.
Eng. Gas Turbines Power, 2009.
 S. Cordiner, G. De Simone,
V. Mulone, SAE San Antonio
(TX). SAE TRANSACTION 2009.
DESCRIZIONE
L’utilizzo di combustibili alternativi (gas naturale puro o in miscele), e soprattutto
la ricerca di soluzioni innovative per l’ottenimento di elevati rendimenti,
costituiscono una delle soluzioni a breve termine per ridurre le emissioni di CO2
dei motori a combustione interna.
Nel panorama descritto, sono possibili diverse soluzioni in relazione alle differenti
applicazioni.
-Il motore alimentato a gas naturale a carica ultra-magra, consente di ottenere
ridottissimi consumi ed emissioni senza l’utilizzo di costosi ed invasivi sistemi di
post-trattamento dei gas di scarico. A tale fine è necessario lo sviluppo di
soluzioni progettuali ad hoc per ampliare il limite di accendibilità della miscela
aria-gas naturale.
-Il motore Dual-Fuel (Gasolio-Metano), consente di ottemperare a normative
sempre più restrittive per il parco circolante, senza l’utilizzo di pesanti modifiche
al motore.
-Il motore alimentato a miscele di H2 e Gas Naturale consente di migliorare
l’efficienza del processo di combustione, di estendere il limite di accendibilità, e di
introdurre a breve termine le infrastrutture per la distribuzione dell’idrogeno.
RISULTATI
Le ricerche, sui motori a combustione interna hanno soprattutto riguardato
l’implementazione e lo sviluppo di modelli numerici caratterizzati da elevato
grado di dettaglio (3D), con particolare attenzione riguardo alla rappresentazione
del modello di combustione turbolenta. Le attività sono state condotte con
partner (University of British Columbia CAN prof. Evans, CNR-Istituto Motori
ing. Gambino ed ENEA, ing. Pede) soprattutto in ottica di validazione dei modelli
rispetto a dati sperimentali direttamente acquisite al banco prova motori.
E’ stato dunque possibile, come riportato nelle diverse pubblicazioni citate,
sviluppare un modello predittivo a supporto del progetto di motori alimentati a
carica ultra-magra (PSC concept, prof. Evans), di motori Dual-Fuel a carica magra
e stechiometrica (ing. Gambino, CNR) e di motori alimentati a miscele di metano
ed idrogeno (ing. Pede, ENEA).
Gli strumenti sviluppati consentono di predire con elevato livello di accuratezza
l’evoluzione del processo di combustione all’interno del cilindro, tenendo conto
degli effetti di variazione delle condizioni operative, della geometria dei condotti,
delle valvole, del pistone, etc. Inoltre, particolare cura è stata dedicata
all’implementazione ed alla validazione di un modello di accensione che consente
di rappresentare l’incipit del processo di combustione seguendo l’evoluzione del
kernel durante il rilascio di energia da parte della candela.
Distribuzione del numero d’aria nei pressi della candela e confronto dati numericisperimentali (Motore a Gas Naturale ultra-magro, PSC CONCEPT)
Distribuzione del campo di temperatura al variare delle condizioni operative in un
motore HD Dual Fuel
38
Le nostre ricerche
MECCANICA APPLICATA ALLE MACCHINE
DESCRIZIONE
[1] Impostazione di un metodo generalizzato per l’analisi di sistemi meccanici
soggetti ad urti tramite tecniche multibody
[2] Estensione al campo dei duale di algoritmi di algebra lineare
[3] Simulazione di sistemi articolati piani soggetti ad attrito.
RISULTATI
[1] Nel primo lavoro è stato generalizzato il principio di Gauss così da
permetterne l’estensione al caso di urto tra sistemi meccanici. In particolare è
stata proposta un’espressione che consente il calcolo delle variazioni di velocità
generalizzate. Altro elemento di novità riguarda l’impiego delle funzioni logiche
per simulare sistemi che abbiano topologie variabili nel corso della simulazione.
[2] L’algebra di Clifford costituisce com’è noto uno strumento che consente
un’elevata concisione nell’espressione di quantità quali il torsore cinematico
caratterizzante l’atto di moto rigido. Il lavoro offre originali estensioni nel
campo dei numeri duali di algoritmi classici di algebra lineare. Esempi di
applicazioni delle estensioni proposte all’analisi dei meccanismi vengono altresì
illustrate.
[3] Il modello di attrito colombiano conduce ad equazioni differenziali con
discontinuità in funzione della velocità. Tali discontinuità, com’è noto,
provocano seri problemi nel corso di simulazioni. Per ovviare tale
inconveniente viene proposta l’adozione nelle simulazioni multibody di un
recente modello dovuto a Dahl. Il lavoro discute l’implementazione di tale
modello in un software di analisi dinamica multibody.
.
Cinematica e Dinamica
dei Sistemi Multibody
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Ettore Pennestrì
[email protected]
Pubblicazioni
[1] Pennestrì E., Valentini P.P,
and Vita L. Dynamic analysis
of
intermittent-motion
mechanisms
through
the
combined use of Gauss principle
and logical functions. In IUTAM
Symposium
on
Multiscale
Problems in Multibody System
Contacts, volume 1, pages 195–
204. Springer Verlag, 20-23
February 2006.
[2] Pennestrì E. and Valentini
P.P.
Multibody
Dynamics
Computational Methods and
Applications, volume 12, chapter,
Linear Dual Algebra Algorithms and
their Application to Kinematics.
Springer Verlag, DEU,2008.
[3] Pennestrì E., Valentini P.P,
and Vita L. Multibody dynamics
simulation of planar linkages with
Dahl
friction.
MULTIBODY
SYSTEM DYNAMICS, 17:321347,
2007.
Una
copia
delle
recenti
pubblicazioni del Prof. Ettore
pennestrì
è disponibile alla
seguente pagina web:
http://www.ingegneriameccanica.org
/papers.htm
39
Le nostre ricerche
MECCANICA APPLICATA ALLE MACCHINE
Enumerazione ed
Analisi di Viti
Differenziali
DESCRIZIONE
Nuovi modelli per la sintesi della struttura, analisi cinematica e del rendimento
meccanico di viti differenziali
RISULTATI
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. E. Pennestrì
[email protected]
 Ing. P.P. Valentini
[email protected]
Pubblicazioni
 Pennestrì E., Valentini P.P.,
Ciccioli
G.,
Enumeration,
Kinematics,
Static
and
Mechanical
Efficiency
of
Differential
Screw
Mechanisms, ASME Journal of
Mechanisms
and
Robotics,
August 2009, Volume 1, Issue
3,
031008
(8
pages)
doi:10.1115/1.3147188
Sebbene i meccanismi a viti differenziali siano largamente impiegati in meccanismi
di precisione per controllare i movimenti relativi, la loro enumerazione e le
metodologie sistematiche di analisi sono aspetti poco investigati. L’attività di
ricerca ha riguardato metodi per la progettazione concettuale di questi dispositivi.
In particolare sono stati sviluppati algoritmi per l’enumerazione di meccanismi a
vite mediante l’impiego delle relazioni strutturali cinematiche dedotte da Kraus
(1951, Getriebelehre, Verlag Technik, Berlin; 1952, Gründlagen des Systematischen
Getriebeaufbaus, Verlag Technik, Berlin). Le analisi cinematiche e statiche sono
presenti principalmente in scritti della letteratura tedesca e sono principalmente
basati su costruzioni grafiche. Le attività di ricerca hanno permesso
l’implementazioni analitiche basate sulla teoria die grafi che hanno supportato sia
studi di statica sia analisi del rendimento meccanico. A supporto di tali
metodologie sono stati implementati numerosi esempi applicativi.
40
Le nostre ricerche
METALLURGIA
Schiume Metalliche
DESCRIZIONE
La ricerca riguarda la produzione e la caratterizzazione (meccanica,
microstrutturale e morfologica) di schiume metalliche (Al, Fe, acciaio). Le possibili
applicazioni di una schiuma metallica dipendono dal metallo di cui essa è
composta, dalla tipologia di porosità nonché dalla possibilità di impartire alla
schiuma la forma voluta. Per ottenere differenti proprietà (densità, rigidezza,
morfologia della porosità, capacità di assorbire energia, urti e vibrazioni) sono
stati impiegati vari metodi di produzione.
L’attività da noi svolta riguarda fondamentalmente le schiume di alluminio.
L’effetto della composizione della miscela di polveri, fissati gli altri parametri, sulla
morfologia e sulle proprietà meccaniche, in particolare la capacità di assorbire
energia, è stata quantificata con prove di compressione statiche ed impulsive.
RISULTATI
Per ciascuna famiglia di schiume metalliche sono stati ottimizzati i parametri di
processo. Inoltre è stato analizzato il comportamento meccanico con prove di
compressione statica e impulsiva su schiume di Al e Fe: le principali differenze
riscontrate sono dovute, principalmente, alla tipologia di porosità presente
all’interno della schiuma. Sono attualmente in fase di sviluppo tecniche nonconvenzionali di processi di schiumatura dei metalli per produrre materiali a
porosità controllata (chiusa o aperta) a basso costo e/o con materiali di riciclo. Un
altro importante aspetto trattato, con numerose implicazioni economiche,
ambientali e sociali, riguarda la possibilità di ottenere schiume di alluminio a
partire da materiale da riciclare (scarti di produzione, trucioli ecc.).
41
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Roberto Montanari
[email protected]
 Ing. Maria Elisa Tata
[email protected]
 Ing. Girolamo Costanza
[email protected]
 Ing. Nadia Ucciardello
[email protected]
ma2.it
 Piero Plini
 Benedetto Iacovone
 Massimiliano Della Millia
Pubblicazioni
 G. Costanza, G. Gusmano,
R.Montanari, M.E. Tata, N.
Ucciardello “Effect of powder
mix composition on Al foam
morphology”,
Journal of
Materials:
Design
and
Applications, 222 (2008) 131140.
 G. Costanza, G. Gusmano,
R. Montanari, M.E. Tata
“Metodi di produzione e
applicazioni delle schiume
metalliche” La Metallurgia
Italiana, 2 (2003), p. 31-35
 G. Costanza, R. Montanari,
M.E. Tata “Ottimizzazione del
contenuto di TiH2 e di SiC
nelle schiume di Al” La
Metallurgia Italiana 6 (2005)
p.41-47.
Le nostre ricerche
METALLURGIA
Struttura di Metalli
Liquidi durante
Fusione e
Solidificazione
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Roberto Montanari




[email protected]
Dott. Roberto Volterri
Piero Plini
Benedetto Iacovone
Massimiliano Della Millia
Pubblicazioni
 R. Montanari, F. Gauzzi,
“XRD investigation of binary
alloys solidification”, ”, Ed. S.S.
Sadhal, Annals of the New
York Academy of Sciences,
1161 (2009) 407-415
 R. Montanari, “Real-time
XRD investigations on metallic
melts”, International Journal of
Materials
and
Product
Technology, 20 (2004) 452.
 R. Montanari, G. Costanza, E.
Evangelista, “XRD investigation
on liquid metals during phase
transformations”, Microgravity
and Space Station Utilization, 2
(2001) 49.
DESCRIZIONE
La conoscenza delle strutture dei metalli liquidi è di notevole importanza per la
comprensione della grande varietà di comportamenti osservati nei diversi metalli
e per validare i modelli teorici.
Fra i tre principali stati di aggregazione della materia (solido, liquido, gassoso)
quello liquido è sicuramente quello meno conosciuto e compreso. A differenza
dei solidi cristallini i liquidi non possiedono un ordine a lungo raggio,
rappresentato dalla ripetizione nelle tre dimensioni di una struttura base come la
cella unitaria, ma hanno solo un ordine a breve raggio. Nel passato si è tentato di
descrivere i metalli liquidi come cristalli disordinati oppure come gas molto densi,
tuttavia questi modelli hanno dimostrato di essere di fatto inadeguati.
RISULTATI
Questo studio iniziò circa 10 anni fa nell’ambito di un progetto quadriennale ASI
(Agenzia Spaziale Italiana) ed è tuttora attivo. I risultati ottenuti mettono in
evidenza molte correlazioni tra le strutture delle fasi solida e liquida durante
fusione e solidificazione.
Misure di diffrazione dei raggi X eseguite ad alta temperatura sono state utilizzate
per studiare l’evoluzione strutturale in metalli policristallini durante fusione e
successiva solidificazione.
Alla temperatura di fusione ( TM ) si è osservata una riorientazione dei grani
cristallini nel solido. Come conseguenza della variazione di tessitura, i piani
reticolari che si affacciano sul primo liquido che si forma sono quelli sui quali la
distanza degli atomi primi vicini è prossima alla distanza tra i primi vicini nel
liquido determinata dalla funzione di distribuzione radiale (RDF).
42
Le nostre ricerche
METALLURGIA
DESCRIZIONE
Il composito Ti6Al4V rinforzato con fibre lunghe di SiC è un materiale
promettente per applicazioni in componenti di motori aeronautici che operano
in esercizio a medie temperature (500-600 °C). Nell’ambito di una ricerca con il
Centro Sviluppo Materiali (CSM) si è sottoposto questo materiale a prolungati
trattamenti termici (fino a 1000 ore) alle temperature previste di esercizio. E’
stata studiata la stabilità meccanica con prove di trazione, durezza e fatica prima
e dopo i trattamenti.
Evoluzione
Microstrutturale e
Meccanica di
Compositi di Titanio
Rinforzati con Fibre
Lunghe di SiC dopo
Trattamenti Termici di
Lungo Periodo a Medie
Temperature
RISULTATI
GRUPPO DI LAVORO:
Dai riusultati si è visto che non si verifica un degrado delle proprietà
meccaniche. Questo è dovuto alla stabilità dell'interfaccia fibra-matrice.  Prof. Roberto Montanari
Osservazioni di microscopia elettronica in scansione e trasmissione, misure XPS [email protected]
e AES mostrano la formazione di un sottile strato di carburo di titanio durante  Ing. Maria Elisa Tata
[email protected]
la fase di produzione del composito. Questo strato di TiC rallenta
enormemente la diffusione del carbonio dalla fibra verso la matrice e stabilizza  Ing. Girolamo Costanza
l’interfaccia stessa. I profili di concentrazione degli elementi chimici presenti
[email protected]
attraverso l’interfaccia sono stati misurati e confrontati con profili calcolati  Ing. Nadia Ucciardello
utilizzando le equazioni di Fick.
[email protected]
2.it





Piero Plini
Benedetto Iacovone
Massimiliano Della Millia
Ing. Riccardo Donnini
Ing. Paolo Deodati
Pubblicazioni
 R. Donnini, S. Kaciulis, A.
Mezzi, R. Montanari, C. Testani,
“Production
and
heat
treatments of Ti6Al4V-SiCf
composite.
Part
IMicrostructural
characterization”,
Materials
Science Forum 604-605 (2009)
331-340
 G. Costanza, R. Montanari,
M.E.
Tata,
C.
Testani
“
Caratterizzazione
meccanica
del composito Ti6Al4V/SiCf
dopo prolungata esposizione ad
alta temperatura” Compositi e
Nanotecnologie 3 n.1 (2007)
p.29-34..
 R. Donnini, S. Kaciulis, A.
Mezzi, R. Montanari, C. Testani,
“Production
and
heat
treatments of Ti6Al4V-SiCf
composite.
Part
IMicrostructural
characterization”,
Materials
Science Forum 604-605 (2009)
331-340.
43
Le nostre ricerche
METALLURGIA
Sviluppo della Tecnica
di Indentazione
Strumentata FIMEC
per Alte Temperature
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Roberto Montanari




[email protected]
Dott. Roberto Volterri
Piero Plini
Benedetto Iacovone
Massimiliano Della Millia
Pubblicazioni
 B. Riccardi, R. Montanari,
“Indentation of metals by flatended
cylindrical
punch”,
Materials Science & Engineering
A, 381/1-2 (2004) 281-291.
 R. Montanari, G. Filacchioni,
B. Iacovone, P. Plini, B.
Riccardi, “High temperature
indentation tests on fusion
reactor candidate materials”, J.
of Nuclear Materials 367-370
(2007) 648.
 B. Iacovone, S. Libardi, A.
Molinari, R. Montanari, P. Plini,
“FIMEC tests on SPS sintered
FeMo nanostructured alloys”, J.
of Testing and Evaluation, 36
(2008).
DESCRIZIONE
La tecnica di indentazione strumentata FIMEC, che utilizza una punta cilindrica, è
stata sviluppata e perfezionata dal nostro gruppo nel corso degli ultimi 15 anni. La
prova, che può essere eseguita in un ampio intervallo di temperature, da -196°C
fino a +600 °C, fornisce l’andamento del carico applicato in funzione della
profondità di penetrazione. Dalle curve FIMEC si possono determinare le
seguenti proprietà di un materiale: 1- carico di snervamento, 2- modulo elastico
E, 3- temperatura di transizione duttile-fragile, 4- creep di superficie, 5rilassamento dello stress.
RISULTATI
Le principali caratteristiche della prova FIMEC sono: 1- la semplicità della
strumentazione e dell’elaborazione dei dati; 2- il carattere non distruttivo della
prova; 3- la misura locale delle principali proprietà meccaniche del materiale; 4risultati statisticamente attendibili in quanto, a differenza delle misure di nano- o
micro-indentazione, l’impronta comprende numerosi grani cristallini; 5- le
condizioni superficiali del materiale (rugosità, segregazione ecc.) non sono
critiche come nelle misure di nano- o micro-indentazione.
Attualmente la ricerca su questa metodologia riguarda due aspetti:
- progettazione e realizzazione di una attrezzatura portatile commerciale,
- progettazione e realizzazione di un’attrezzatura di laboratorio in grado di
operare a temperature molto alte, fino a 1300 °C.
BREVETTI
Titolo: Apparato portatile di
indentatore cilindrico a testa
piatta FIMEC
Autori: Bruno Riccardi e Roberto
Montanari
44
Le nostre ricerche
METALLURGIA
DESCRIZIONE
Le leghe metalliche a memoria di forma, comunemente chiamate SMA (Shape
Memory Alloys), possiedono la capacità di poter recuperare grandi deformazioni
e ritornare ad una prefissata forma quando vengono riscaldate, sviluppando al
contempo una notevole forza.
Nell’ambito dei contratti di ricerca finanziati da Sielte la ricerca ha riguardato la
caratterizzazione microstrutturale e meccanica di fili e molle di diverso diametro
in lega Nitinol sottoposti a ciclaggio via via crescente. L’obiettivo principale è lo
studio dell’effetto di elevati cicli termomeccanici (> 500.000) su varie leghe NiTi a
memoria di forma sulla capacità di recuperare la propria configurazione
austenitica.
RISULTATI
Per studiare l’effetto di elevati cicli termomeccanici sono state costruite delle
molle in lega Nitinol e sono state sottoposte a ciclaggio termomeccanico fino
oltre 600.000 cicli di attivazione monitorando la perdita della memoria che ne
deriva. E’ stato possibile determinare l’andamento della capacità di recupero della
forma in funzione del numero di cicli di riscaldamento-raffreddamento cui essa è
stata sottoposta. Sono stati così valutati gli effetti delle deformazioni plastiche sul
materiale a seguito del ciclaggio termico e sul comportamento a memoria di
forma dell’elemento stesso. Sono state infine determinate le condizioni per la
progettazione di attuatori che possono essere sottoposti a centinaia di migliaia di
cicli di attivazione. Infine è stato costruito un attuatore di tipo molla-sma
contromolla in acciaio armonico.
45
Leghe a Memoria di
Forma (SMA) da
Impiegare come
Sensori di
Temperatura e/o
Attuatori
GRUPPO DI LAVORO:
 Ing. Maria Elisa Tata
[email protected]
 Ing. Girolamo Costanza
[email protected]
 Dott. Roberto Volterri
 Piero Plini
 Benedetto Iacovone
 Massimiliano Della Millia
Pubblicazioni
 G. Costanza, M.E. Tata
“Influenza del ciclaggio termomeccanico su comportamento
a memoria di forma di una lega
NiTi” Atti convegno 32°
convegno
AIM
Ferrara
settembre 2008, memoria n
41, ISBN 88-85298-67-2.
 C. Calisti, G. Costanza, M.E.
Tata
“Attuatore
mollacontromolla
attivato
da
elemento a memoria di forma”
Il
progettista
industriale,
novembre 2008 pp76-79.
 G. Costanza, M.E. Tata, C.
Calisti, “Nitinol one way shape
memory
springs:
thermomechanical
characterization and actuator
design”, in stampa su Sensor &
Actuators: A.
Le nostre ricerche
METALLURGIA
Processi di Saldatura
per le Leghe Metalliche
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Severino Missori
[email protected]
 Ing. Maria Elisa Tata
[email protected]
 Ing. Girolamo Costanza
[email protected]
Pubblicazioni
 L. Bonaccorsi, G. Costanza, F.
Giacobbe, S. Missori, M.E. Tata
“Caratterizzazione
di
giunti
saldati di leghe di alluminio per
impieghi aeronautici” Atti 32°
convegno AIM Ferrara settembre
2008, memoria n 52, ISBN 8885298-67-2.

S.
Missori,
E.
Tata,
G.Costanza,A.Sili“Microstructural
Transformations on Quenched
and Tempered ASA CA 80 Steel
Welds”
Proceedings
of
International Conference New
Developments on metallurgy and
Applications of High Strength Steels;
Buenos Aires, 26-28 Maggio
2008.
 S.Missori,
E.Tata,
A.Sili
“Application of Hybrid laser
Beam +Electric Arc Processes to
Steel Welding”, Innovation in
Structural
Engineering
and
Costruction, ISBN 0415457556 ed.
Y.M.Xie & I. Patnaikumi, 1 (2007)
pp.179-183
DESCRIZIONE
L'utilizzazione di processi ad alta densità di energia consente di ridurre
distorsioni e tensioni termiche nei giunti saldati. L'impiego del fascio laser in gas
CO2 è stato sperimentato nella saldatura di giunti dissimili e lamiere placcate di
spessore fino a 10 mm. Nella saldatura di lamiere placcate è possibile eseguire
in una o poche passate la saldatura simultanea del materiale strutturale e del
materiale di placcatura.
RISULTATI
Le ricerche sulla saldatura fascio laser su materiali dissimili hanno consentito
di definire le caratteristiche del metallo di apporto (composizione,ecc) tali da
ottimizzare la qualità delle saldature e di ridurre al minimo la criccabilità a
caldo della zona fusa. Nei lavori relativi alla saldatura delle lamiere placcate
sono state definiti alcuni procedimenti innovativi nel campo della saldatura
delle lamiere placcate, che, tradizionalmente, viene eseguita in più passate con
impiego di diversi materiali di apporto. Con il procedimento ibrido (laser +
arco elettrico) si riescono ad abbinare alcuni vantaggi dei due processi.
Le esperienze di saldatura sulle leghe leggere in Al con impiego di arco
elettrico hanno l’obbiettivo di ridurre il deterioramento delle proprietà
meccaniche nella zona termicamente alterata dalla saldatura. Le proprietà di
giunti saldati in varie leghe di Al, tipicamente, utilizzate in impieghi aeronautici,
sono state studiate, valutando in particolare le modificazioni strutturali e le
proprietà meccaniche dopo saldatura.
46
Le nostre ricerche
PROGETTAZIONE MECCANICA E COSTRUZIONE DI MACCHINE
DESCRIZIONE
Il cartone ondulato è il materiale da imballaggi più diffuso e utilizzato per il
trasporto delle merci, grazie alle sue caratteristiche di resistenza, leggerezza e
non da ultimo grazie alla possibilità di stampare sulla superficie esterna. Il requisito
fondamentale richiesto ad un imballaggio è la resistenza alla compressione: infatti
sia durante il trasporto che durante lo stoccaggio, le merci vengono impilate per
motivi logistici.
La pratica progettuale comunemente utilizzata si fonda sull’utilizzo di una formula
semplificata (McKee) che lega la resistenza alla compressione verticale di una
scatola in cartone ondulato, alle caratteristiche delle carte costituenti e alle
dimensioni della scatola stessa.
Il gruppo di lavoro è attivo da dieci anni in questo settore con l’obiettivo di
raffinare le metodologie di calcolo degli imballaggi. Le ricerche svolte fino ad oggi
hanno consentito di migliorare le metodologie delle aziende partner (Agnati,
Smurfit, Mauro Benedetti). Il gruppo è attivo nella comunità scientifica del settore
contribuendo con pubblicazioni e con revisioni alle riviste scientifiche dedicate a
questo argomento.
Il gruppo è stato presente al “6th International Symposium - Moisture and Creep
Effects on Paper, Board and Containers” tenutosi a Madison nel Luglio 2009
contribuendo ai contenuti scientifici presentati e partecipando al comitato
scientifico internazionale.
RISULTATI
Nel corso degli anni abbiamo proposto diversi approcci per la modellazione del
comportamento strutturale del cartone ondulato. La struttura del cartone può
essere omogeneizzata mediante procedure numeriche estraendo i parametri di
rigidezza direttamente da modelli FEM della geometria locale, oppure utilizzando
la teoria della laminazione, utilizzando in questo caso delle formule per la
rappresentazione delle caratteristiche degli strati ondulati. I parametri di rigidezza
ottenuti possono essere quindi utilizzati per la progettazione di massima,
utilizzando formule semplificate, o per la progettazione di dettaglio, avvalendosi di
modelli FEM rappresentativi dell’intera struttura in cartone ondulato. Le
informazioni estratte dall’analisi della geometria effettiva possono essere utilizzate
anche come strumento di indagine per misurare le prestazioni di un particolare
cartone.
L’efficacia dei vari metodi è stata verificata nel tempo confrontandosi con le
evidenze sperimentali.
Le prove sperimentali sono state condotte a vari livelli, partendo dai materiali
costituenti, fino ad arrivare all’imballaggio completo.
Il livello di conoscenza raggiunto nel settore ha consentito di trasferire le nuove
metodologie di progetto in degli strumenti di calcolo in uso presso le aziende
partner.
47
Ottimizzazione delle
Prestazioni del
Cartone Ondulato
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof Carlo Brutti
[email protected]
 Ing. M.E. Biancolini
[email protected]
 Ing. S. Porziani
[email protected]
Pubblicazioni
 Analysis of corrugated board
panels under compression
load, Biancolini, M.E.; Brutti,
C.; Porziani, S., Steel and
Composite Structures, v 9, n 1,
p 1-17, February 2009
 Online quality control of
corrugated board panel by
image processing, Biancolini,
M.E., International Journal of
Computer
Applications
in
Technology, v 23, n 2-4, p 15765, 2005
 Evaluation of equivalent
stiffness
properties
of
corrugated board, Biancolini,
M.E., Composite Structures, v 69,
n 3, p 322-8, July 2005
 Numerical and experimental
investigation of the strength of
corrugated board packages,
Biancolini, M.E.; Brutti, C.,
Packaging
Technology
and
Science, v 16, n 2, p 47-60,
March/April 2003
Le nostre ricerche
PROGETTAZIONE MECCANICA E COSTRUZIONE DI MACCHINE
Modellazione di
Problemi di
Interazione Fluido
Struttura
GRUPPO DI LAVORO:
 Ing. Marco E. Biancolini
[email protected]
 Ing. A. Angeletti
[email protected]
Pubblicazioni
 R. Baudille,M. E. Biancolini,
“A general approach for
studying the motion of a
cantilever beam interacting
with a 2D fluid flow”,
Interaction
and
Multiscale
Mechanics, Vol. 1, No. 4
(2008).
 R. Baudille,M. E. Biancolini,
“Modelling FSI Problems in
FLUENT: a General Purpose
Approach by Means of UDF
Programming”,
Congresso
FISITA 2006 F2006M235.
 R. Baudille, M. E. Biancolini,
E. Mottola “Non-linear models
of reed valve dynamics” , Int. J.
Vehicle Systems Modelling and
Testing
(in
corso
di
pubblicazione).
DESCRIZIONE
La simulazione di problemi di interazione fluido struttura e tutt’oggi una disciplina
in corso di sviluppo e l’applicabilità degli strumenti di simulazione risulta molto
dipendente dal tipo di problema in esame.
Il Progetto è già attivo da diversi anni e ci si avvale di un solutore commerciale
per la parte CFD (il Fluent) corredato da delle routine di calcolo per aggiungere
anche la possibilità di simulare il comportamento della struttura. Sono stati
affrontati con successo numerosi problemi di interesse applicativo: movimento di
strutture sottili convogliate da getti d’aria, moto di valvole a lamella, effetti di
flessibilità delle pareti di condotti per i problemi di emodinamica. Il progetto ad
oggi prosegue grazie ad uno sponsor industriale (TetraPak) e le ricerche in corso
riguardano la modellazione del processo di formazione dei contenitori asettici in
cartone.
E’ tutt’ora in corso lo sviluppo di questo strumento di calcolo che anno dopo
anno si è arricchito di nuove funzionalità. Ad oggi esiste la possibilità di lavorare
sia in 2D che in 3D e sono stati sviluppati degli schemi di soluzione strutturale sia
lineari che non lineari, ricorrendo in questo ultimo caso anche alla formulazione
FEM esplicita.
RISULTATI
La metodologia proposta si è dimostrata efficace per diversi problemi applicativi.
In particolare per tutti quei casi in cui il corpo formabile è immerso nel dominio
fluido; si è ottenuta una ottima correlazione con i dati sperimentali per diversi
problemi: l’interazione fra i vortici generati nella scia di un ostacolo e le vibrazioni
di una trave, la dinamica di apertura e chiusura dei petali di una valvola a lamella, il
moto di una bandiera, lo studio di una diga deformabile investita da un’onda (caso
bifase).
E’ ad oggi in corso lo studio delle vibrazioni delle aste porta sonda che vengono
utilizzate per effettuare misure all’interno delle condotte.
I risultati di questa attività sono stati pubblicati inizialmente in occasione di eventi
nazionali ed internazionali specifici per gli utenti del solutore CFD.
Sono stati inoltre pubblicati diversi aspetti del metodo per la messa a punto del
solutore FEM in occasione di Congressi Scientifici e su rivista.
L’attività è stata inoltre finanziata dalla regione Lazio nell’ambito della misura
Business Lab con l’obiettivo di dare luogo ad uno Spin Off Universitario.
48
Le nostre ricerche
PROGETTAZIONE MECCANICA E COSTRUZIONE DI MACCHINE
DESCRIZIONE
Il nostro Gruppo collabora con il laboratorio NDT dell’ISPESL (Monteporzio
Catone) da diversi anni.
Sono stati finanziati fino ad oggi tre progetti in collaborazione: un primo progetto
relativo allo studio numerico e sperimentale della propagazione delle cricche di
fatica considerando l’evoluzione della forma del difetto; un secondo progetto
relativo all’uso della visione artificiale per il riconoscimento automatico dei difetti;
un terzo progetto relativo all’analisi dei segnali AE per la valutazione del
danneggiamento di serbatoi GPL interrati.
La collaborazione si è estesa anche oltre i progetti finanziati comprendendo una
collaborazione con un terzo soggetto (l’Istituto di Acustica “O. M. Corbino” del
CNR di Frascati) sul tema dell’uso delle tecniche frattali per l’analisi dei segnali AE
messi durante la propagazione di una cricca di fatica.
E’ stato svolto inoltre uno studio di tipo esplorativo per valutare la fattibilità
dell’uso dell’analisi di immagine per l’esame delle repliche metallografiche usate per
la valutazione dello stato di danneggiamento da creep.
RISULTATI
Uso di Tecniche
NDT per la
Valutazione dello
Stato di
Danneggiamento dei
Componenti
Meccanici.
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof Carlo Brutti
[email protected]
 Ing. Marco E. Biancolini
[email protected]
 Ing. S. Porziani
[email protected]
Per quanto riguarda lo studio dell’evoluzione della forma dei difetti si è riscontrato
un ottimo accordo fra le previsioni numeriche e le evidenze sperimentali; questo
primo lavoro in collaborazione con ISPESL è stato pubblicato in ambito nazionale
Pubblicazioni
ed internazionale ed è stato oggetto di pubblicazione in un libro monografico
 M. E. Biancolini, C. Brutti,
ISPESL.
G. Paparo, A. Zanini, “Fatigue
I lavoro sulle emissioni acustiche ha portato a risultati di notevole interesse; è stata
crack nucleation on steel,
infatti osservata un’analogia fra l’evoluzione della dimensione frattale e il
Acoustic emission and fractal
danneggiamento a fatica. Tale parametro consente di valutare lo stato di
analysis”, International Journal
danneggiamento durante la fase di nucleazione dei difetti in cui la scala
of fatigue, 2006, Vol 28/12 pp
dimensionale è tale da non consentire l’identificazione mediante altre tecniche
1820-1825
NDT.

G.
Augugliaro,
M.E.
Per quanto riguarda l’analisi di immagine si tratta dell’attività più recente ed ha
Biancolini, D. Di Fonzo, D.
consentito di ottenere già dei risultati molto promettenti. Il metodo implementato
Lazzaro,
S.
Porziani
consente infatti di estrarre ed identificare i difetti in modo completamente
“Individuazione automatica di
automatico.
difetti presenti in lastre
radiografiche
digitalizzate”,
AIPnD 2009, Roma 15-17
Ottobre 2009.
 Biancolini, M. E. , Brutti, C.,
(2002)
“A
numerical
technique to study arbitrary
shaped cracks growing in
notched elements”, Int. J. of
Computer
Applications
in
Technology, Vol 15, Nos 4/5,
pp. 176-185
123
133
3
3
3
3
3 3 123
3
133
3
3
3
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3 3 3 3 3
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3 33 3
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3 3
3 333 33 3
3 3
3 3
3 3
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3 3
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3
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333 33 3 3 3 3
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3 3 33
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3 3 3 33
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33
3
3
Z
X
Y
Z
X
Y
49
3
3
Le nostre ricerche
PROGETTAZIONE MECCANICA E COSTRUZIONE DI MACCHINE
Gli Strumenti del
Race Engineering
GRUPPO DI LAVORO:
 Ing. Marco E. Biancolini
[email protected]
 Ing. M. Urbinati
[email protected]
Pubblicazioni
 Baudille, R.; Biancolini, M. &
Reccia, L., “Load transfers
evaluation in competition gokart”, International Journal of
Vehicle Systems Modelling and
Testing , Vol. 2 , pp. 208 - 26,
2007
 Biancolini, M.; Renzi, F. &
Rizzoni, G. , “Design of a
lightweight chassis for the land
speed record vehicle buckeye
bullet 2”, International Journal of
Vehicle Design, Vol. 44, pp. 379
- 402, 2007
 Biancolini, M.E.; Cerullo, A. &
Reccia, L., “Design of a tuned
sandwich
chassis
for
competition
go-kart”,
International Journal of Vehicle
Design, Vol. 44, pp. 360 - 378,
2007
DESCRIZIONE
Il Gruppo di Ricerca Tor Vergata Karting è nato nel 2002 con lo scopo di
promuovere la Meccanica a Tor Vergata con iniziative legate al mondo del Race
Engineering. Le attività del Gruppo sono state fino ad oggi la Ricerca, la Didattica
e la promozione di Eventi nel settore del motorsport.
Le attività di Ricerca sono state rivolte al trasferimento delle tecniche avanzate di
progettazione in uso nelle categorie superiori (come la Formula 1) al go-kart. Il
trasferimento ha richiesto una forte innovazione nei metodi viste le
caratteristiche particolari di questo veicolo (assenza di sospensioni e
differenziale). I temi affrontati sono stati molteplici: aerodinamica, simulazione
motore due tempi, dinamica del veicolo, ottimizzazione della missione gara.
Sono ad oggi attivi due progetti studenteschi sostenuti da TVK: il primo relativo
alla realizzazione del go kart più veloce del mondo, il secondo è il progetto
FormulaSAE di TorVergata (SpqRacing nel 2008 ribattezzato Scuderia Tor
Vergata per il 2009).
RISULTATI
Il sito www.torvergata-karting.it è il principale strumento di comunicazione del
gruppo per la promozione delle attività svolte.
Il principale evento organizzato da TVK è la Giornata di Studio "Gli Strumenti del
Race Engineering", giunto nel 2008 alla quarta edizione.
Le attività di Ricerca, grazie alla forte integrazione trasversale di competenze del
Dipartimento, hanno consentito di ottenere risultati di rilievo testimoniati dai
numerosi articoli pubblicati in ambito nazionale ed internazionale sia su riviste
scientifiche che tecniche. L'interesse industriale dei risultati ottenuti ha poi spinto
il gruppo ad attivare progetti di trasferimento tecnologico che sono stati
supportati ampiamente dalla FILAS. Ad oggi è attivo un progetto di spin-off per lo
sviluppo di tools di supporto alla CFD ed il gruppo continua a seguire lo start-up
di TVK-Project per lo sviluppo di tools per la gestione e progettazione dei gokart.
50
Le nostre ricerche
PROGETTAZIONE MECCANICA E COSTRUZIONE DI MACCHINE
DESCRIZIONE
Questo filone di ricerca si riferisce al problema della caratterizzazione strutturale
ed alla previsione di vita a fatica di strutture meccaniche con giunzioni realizzate
mediante punti di saldatura.
Tale metodo di progettazione è basato sulla caratterizzazione strutturale del
comportamento di ogni singolo punto saldato presente in una struttura, mediante un
approccio sia sperimentale, sia modellistico (individuando modelli teorici e numerici
necessari ad una corretta interpretazione del fenomeno). I suddetti approcci hanno
consentito di definire un parametro tensionale convenzionale, denominato ERS,
basato sulla caratterizzazione dello stato tensionale agente sul punto saldato, e di
simulare il danneggiamento cui il punto è sottoposto durante i cicli di carico ripetuti.
L’introduzione di detto parametro permette di definire diagrammi di fatica ERS-N
validi per qualsivoglia tipologia di giunzione ed utili nella definizione di un criterio di
progettazione a fatica di strutture saldate per punti. L’agevole definizione del
parametro ERS è possibile mediante l’ausilio di una nuova ed originale tecnica di
modellazione numerica che comporta, oltre ad una consistente snellezza
computazionale ed operativa, una notevole accuratezza dei calcoli. La procedura
proposta semplifica enormemente lo studio di complesse strutture multipunto, oggi
analizzabili solo sulla base di notevoli ipotesi semplificative, e consente, per di più, di
valutare la progressiva evoluzione del danneggiamento, responsabile della continua
ridistribuzione dei carichi sui punti saldati.
La tecnica di modellazione proposta è fondata sulla definizione di un elemento
punto di saldatura, ottenuto sulla base di una rigorosa trattazione teorica
bidimensionale della zona contenente il punto saldato ed applicabile ad un modello FE
di una qualsiasi struttura giuntata a punti. La semplificazione del calcolo numerico, che
deriva dal basso numero di gradi di libertà associato al suddetto elemento punto di
saldatura, consente la corretta simulazione del danneggiamento progressivo del
punto, in una qualsiasi struttura giuntata a punti di qualsivoglia complessità, con tempi
di calcolo accettabili; la qual cosa oggi risulta impossibile, a parità di accuratezza dei
risultati, con una procedura basata su una modellazione FE ed eseguita con elementi
tridimensionali.
RISULTATI
L’attività ha portato alla definizione di un elemento finito punto di saldatura,
utilizzabile all’interno di un qualsivoglia codice di calcolo implicito agli elementi finiti,
anche commerciale.
La procedura di definizione dell’elemento punto di saldatura all’interno di un modello
FE di una struttura saldata nonché quella di elaborazione dei risultati, con
conseguente definizione del sopra accennato parametro tensionale ERS, sono state
implementate con un apposito codice, scritto in fortran, che costituisce un add-on ad
un generico codice di calcolo FE commerciale.
Attualmente l’attività è rivolta all’analisi delle modalità di rottura one shot del punto
saldato ed all’estensione nel campo delle deformazioni plastiche. È stato di recente
proposto un originale modello teorico per la valutazione della rigidezza di una
giunzione saldata con punto di saldatura in presenza di deformazioni oltre lo
snervamento e grandi spostamenti. La soluzione del modello teorico di riferimento è
ottenuta in forma chiusa ed è utile per la definizione della rigidezza dell’elemento
punto di saldatura nelle condizioni non lineari sopra descritte.
Modello FE con elementi punti di saldatura di uno scatolato saldato a punti
51
Caratterizzazione
Strutturale e Metodi di
Progettazione di
Strutture Saldate a
Punti
GRUPPO DI LAVORO:
 Ing. Francesco Vivio
[email protected]
 Prof. Pietro Salvini
[email protected]
 Prof. Vincenzo Vullo
[email protected]
 Ing. Pierluigi Fanelli
 Ing. Emanuele Marotta
Pubblicazioni
 Vivio F., “A new theoretical
approach
for
structural
modelling of riveted and spot
welded multi-spot structures.”
International Journal of Solids and
Structures, Vol 46, No. 22/23, pp
4006-4024, 2009.
 Vivio F., Fanelli P., “A new
analytical model for the elasticplastic behaviour of spot welded
joints”. International Journal of
Solids and Structures, Vol. 46,
No. 3-4, 572-586, 2009.
 Salvini P., Vivio F., Vullo V.,
“Fatigue life assessment for
multi-spot welded structures”.
International Journal of Fatigue,
Vol 31, No. 1, pp.122-129,
2009.
Le nostre ricerche
PROGETTAZIONE MECCANICA E COSTRUZIONE DI MACCHINE
Caratterizzazione
Strutturale di
Strutture Rivettate.
GRUPPO DI LAVORO:
 Ing. Francesco Vivio
[email protected]
 Ing. Michele Ferracci
 Ing. Emanuele Marotta
Pubblicazioni
 Vivio F., “Modelling rivets in
the finite element analysis”,
Welding & Joining & Fastening &
Friction Stir Welding, 2007, ISBN
076801929X, SAE, USA.
 Vivio F., Ferracci M.,
“Modelling of riveted joints
with a new rivet element”. SAE
Technical Paper 2009-01-25,
2009.
 Vivio F., “A new theoretical
approach
for
structural
modelling of riveted and spot
welded multi-spot structures.”
International Journal of Solids and
Structures, Vol 46, No. 22/23,
pp 4006-4024, 2009.
DESCRIZIONE
Questo filone di ricerca si riferisce al problema della caratterizzazione strutturale
ed alla previsione di vita a fatica di strutture meccaniche con giunzioni realizzate
mediante rivetti di varie tipologie.
Tale metodo di progettazione è basato sulla caratterizzazione strutturale del
comportamento di ogni singolo rivetto presente in una struttura, mediante un
approccio sia sperimentale, sia modellistico (individuando modelli teorici e
numerici necessari ad una corretta interpretazione del fenomeno). I suddetti
approcci hanno consentito di definire un elemento finito rivetto.
La definizione del modello teorico del rivetto è possibile mediante l’ausilio di una
nuova ed originale tecnica di modellazione numerica che comporta, oltre ad una
consistente snellezza computazionale ed operativa, una notevole accuratezza dei
calcoli. La procedura proposta semplifica enormemente lo studio di complesse
strutture multirivetto, oggi analizzabili solo sulla base di notevoli ipotesi
semplificative.
La tecnica di modellazione proposta è fondata su una rigorosa trattazione teorica
bidimensionale della zona contenente il rivetto ed applicabile ad un modello FE di
una qualsiasi struttura giuntata. Il modello teorico di riferimento è generico ed
applicabile ad ognuna delle differenti tipologie di connessione rivettata; infatti dalla
adeguata imposizione di due parametri elastici che caratterizzano la soluzione in
forma chiusa del mdoello teorico è possibile caratterizzare la singola tipologia di
giunzione rivettata. La scelta dei parametri elastici è eseguita grazie ad una
operazione di calibrazione che è possibile effettuarsi dal confronto di risultati
sperimentali di riferimento od utilizzando i risultati di complessi ed articolati
modello numerici FE tridimensionali.
La semplificazione del calcolo numerico, che deriva dal basso numero di gradi di
libertà associato al suddetto elemento punto di saldatura, consente la corretta
simulazione di in una qualsiasi struttura multi rivetto di qualsivoglia complessità,
con tempi di calcolo accettabili; la qual cosa oggi risulta impossibile, a parità di
accuratezza dei risultati, con una procedura basata su una modellazione FE ed
eseguita con elementi tridimensionali.
RISULTATI
L’attività ha portato alla definizione di un elemento finito rivetto, utilizzabile
all’interno di un qualsivoglia codice di calcolo implicito agli elementi finiti, anche
commerciale.
La procedura di definizione dell’elemento rivetto all’interno di un modello FE di
una struttura è stata implementata con un apposito codice, scritto in fortran, che
costituisce un add-on ad un generico codice di calcolo FE commerciale.
Attualmente l’attività è rivolta all’analisi del comportamento a fatica delle giunzioni
rivettate e la simulazione del danneggiamento progressivo dei rivetti, con
conseguente perdita locale di rigidezza.
Modellazione FE 3D classica di un collegamento rivettato e relativo modello equivalente
52
Le nostre ricerche
PROGETTAZIONE MECCANICA E COSTRUZIONE DI MACCHINE
DESCRIZIONE
Tale attività riguarda la definizione di un riduttore innovativo a vite e ruota con
ricircolazione di sfere, a velocità, rapporto di trasmissione e rendimento meccanico
elevati. Allo stato attuale non sono stati finora concepiti adeguati sistemi di
produzione di vite e ruota entrambe globoidali, tali da garantire l’accoppiamento
cinematicamente compatibile tra vite e ruota e la libera circolazione delle sfere nelle
apposite piste di guida, garantendo altresì il corretto e continuo contatto tra le sfere
medesime e tra queste ed i fianchi delle piste.
Il vantaggio della soluzione proposta è quello di definire le piste delle sfere sui
corpi globoidali della vite e della ruota onde consentire una guidabilità ideale della
sfera nelle pista della ruota ed un confinamento meno vincolato della sfera stessa
sulla pista realizzata nella vite.
La definizione di un profilo generatore delle piste sulla vite, individuato come
inviluppo delle successive posizioni assunte dalle sfere perfettamente confinate entro
le piste della ruota coniugata, permette di generare le piste del riduttore in maniera
cinematicamente corretta.
Per mezzo della suddetta definizione del profilo generatore, è possibile
configurare una modalità di taglio a passate successive per mezzo di un semplice
utensile a testa circolare che intaglia per inviluppo la vite con una serie di passate la
cui definizione analitica è oggetto del brevetto europeo i cui riferimenti sono
riportati di seguito. In questo modo si viene a realizzare l’inviluppo desiderato
mediante approssimazioni successive, ciascuna relativa ad una specifica operazione
elementare di taglio. Sempre per mezzo della suddetta definizione del profilo
generatore, è possibile configurare una ruota utensile, sviluppata ad hoc, consistente
in una ruota sulla quale è opportunamente montata una pluralità di taglienti a testa
circolare; tale ruota utensile permette il taglio della vite con moto di generazione
continua, senza necessità di riposizionamento dell’utensile.
La simulazione, durante l’ingranamento, del moto del centro della sfera in
movimento sulle superfici di vincolo, rappresentate dalla caratterizzazione
geometrica tridimensionale delle guide sulla vite e sulla ruota, ha confermato la
compatibilità cinematica delle piste nonché la continua presenza di due punti di
contatto della sfera con le due guide di riferimento.
RISULTATI
L’attività ha portato alla innovativa soluzione teorica, in forma chiusa, di dischi a
profilo variabile secondo una potenza di una funzione lineare a 2 parametri, soggetti a
campo centrifugo, campo termico e da variazione della densità con il raggio ed a
piastre inflesse, piene o forate, sempre con profilo variabile secondo una potenza di
una funzione lineare a 2 parametri.
Schema di un riduttore a vite e ruota con ricircolazione di sfere
53
Progettazione di
Riduttori Meccanici
Innovativi
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Pietro Salvini
[email protected]
 Ing. Francesco Vivio
[email protected]
 Prof. Vincenzo Vullo
[email protected]
Pubblicazioni
 Minotti M., Salvini P., Vivio F.,
Vullo V., “Metodo di taglio di
vite e ruota in un riduttore a
vite e ruota con ricircolazione
di sfere”, Atti XXXIV Convegno
AIAS, Napoli, 2007.
Brevetto italiano a nome
Università degli Studi di Roma
“Tor Vergata”, dal titolo
“Metodo di taglio di vite e ruota
in un riduttore a vite e ruota
con ricircolazione di sfere e
relativi utensili di taglio”,
depositato in Italia il 18/03/2004
con
num.
deposito
RM2004A000138.
Inventori:
Salvini P, Serpella D., Vivio F.,
Vullo V..
Brevetto Europeo a nome
Università degli Studi di Roma
“Tor Vergata”, EP1732727
EP20050709007
WO2005IB50898, dal titolo
“Method for cutting worm and
worm gear in a worm and gear
reduction unit with circulation
of bearing balls and related
cutting
tools”,
data
di
pubblicazione
20/12/2006.
Inventori: Salvini P, Serpella D.,
Vivio F., Vullo V.
Le nostre ricerche
PROGETTAZIONE MECCANICA E COSTRUZIONE DI MACCHINE
Analisi Teorica e
Soluzione in Forma
Chiusa di Dischi
Rotanti e Piastre a
Profilo Variabile
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Vincenzo Vullo
[email protected]
 Ing. Francesco Vivio
[email protected]
Pubblicazioni
 Vivio F., Vullo V., “Elastic
stress analysis of rotating
converging
conical
disks
subjected to thermal load and
having variable density along
the radius” International Journal
of Solids and Structures, Vol
44/24, pp 7767-7784, 2007.
 Vullo V., Vivio F., “Elastic
stress analysis of non-linear
variable thickness rotating
disks subjected to thermal load
and having variable density
along the radius”. International
Journal of Solids and Structures,
Vol 45/20, pp 5337-5355,
2008.
 Vivio F., Vullo V., “Closed
form solutions of bending
circular plate having non-linear
variable thickness.” Under
review on Journal of the
Mechanics and Physics of Solids,
2009.
DESCRIZIONE
Questo filone di ricerca si riferisce alla caratterizzazione strutturale, con approccio
puramente analitico, di dischi rotanti e piastre con spessore variabile. I dischi a profilo
variabile e, più specificamente, quelli con profilo rastremato dal raggio interno a quello
esterno, trovano largo impiego nelle applicazioni tecniche correnti (dischi di turbina,
volani, corpi di ruote dentate, ecc.) per gli indubbi vantaggi, rispetto agli equivalenti
dischi di spessore costante, in termini di riduzione di peso e di più bassa inerzia
rotazionale nonché di una più favorevole distribuzione delle tensioni lungo il raggio.
Spesso il disco viene considerato di densità variabile onde tener conto dell’effetto o di
palette radiali, le cui radici sono alloggiate in sedi ricavate sulle sue due superfici laterali
(dette palettature aumentano considerevolmente la massa del disco senza contribuire
apprezzabilmente alla sua capacità di carico), oppure della non assialsimmetrica
distribuzione di massa nella corona causata dalle palette equidistanziate lungo la
circonferenza periferica.
In questo contesto si è affrontata, per la prima volta, l’analisi degli stati di tensione
e di deformazione da variazione della densità lungo il raggio e da campo termico in
dischi rotanti aventi profilo variabile con la suddetta relazione. L’equazione
differenziale che governa il problema è una equazione differenziale a coefficienti che
sono funzioni analitiche della variabile indipendente; l’omogenea associata è l’equazione
differenziale di Gauss che è risolvibile per mezzo di funzioni ipergeometriche.
È stata sviluppata la trattazione analitica ed una procedura generale di calcolo delle
tensioni e delle deformazioni che si verificano in dischi a profilo variabile secondo una
potenza di una funzione lineare a 2 parametri, sia pieni che forati. La soluzione
generale, in campo lineare elastico, è relativa alle condizioni di carico dovute al campo
centrifugo ed al campo termico, per dischi pieni o forati configurati in modo da
presentare anche una variazione di massa volumica con il raggio.
Queste ultime condizioni si sono poi studiate nel calcolo delle tensioni e delle
deformazioni, oltre il limite elastico, che si verificano in dischi a profilo variabile
secondo una potenza di una funzione lineare a 2 parametri, sia pieni che forati.
In un altro approccio, si è poi introdotto e sviluppato un metodo teorico generale di
calcolo delle tensioni e delle deformazioni che si verificano in piastre inflesse di
spessore variabile sempre secondo una potenza di una funzione lineare a 2 parametri,
sia piene che forate, soggette, in campo elastico, a carichi trasversali concentrati e/o
distribuiti nonché a momenti flettenti di estremità. È possibile ricavare le soluzioni in
forma chiusa della piastra di spessore variabile linearmente, sia convergente sia
divergente. Al riguardo, è da notare che, con il profilo variabile trattato, è possibile
analizzare un’ampia famiglia di piastre piene o forate, convergenti o divergenti secondo
una funzione non lineare o lineare, convesse o concave. La procedura di calcolo
introdotta e sviluppata, originale e puramente teorica, porta a risultati che sono in
pieno accordo sia con quelli, pure teorici, ottenibili nei casi particolari noti dalla
letteratura tecnica (piastre conformi alle geometrie introdotte da Pichler e Conway),
sia con quelli numerici ottenibili utilizzando metodi di discretizzazione agli elementi
finiti.
RISULTATI
L’attività ha portato alla innovativa soluzione teorica, in forma chiusa, di dischi a profilo
variabile secondo una potenza di una funzione lineare a 2 parametri, soggetti a campo
centrifugo, campo termico e da variazione della densità con il raggio ed a piastre
inflesse, piene o forate, sempre con profilo variabile secondo una potenza di una
funzione lineare a 2 parametri.
p=P/2ri
h = h(r)
q=q(r)
ri
z
r
re
Esempio di piastra circolare con spessore variabile
54
Le nostre ricerche
PROGETTAZIONE MECCANICA E COSTRUZIONE DI MACCHINE
DESCRIZIONE
La dinamica longitudinale dei treni merci è il principale problema che ostacola la
realizzazione di treni merci a maggiore produttività (lunghi, pesanti e veloci) in
Europa. Ciò è causato dal fatto che il tipico impianto di frenatura montato su tali
treni prevede l’utilizzo di una valvola frenante posta sul locomotore di testa per
lo scarico della condotta generale (CG) e l’attuazione dell’azione frenante. Per
poter ottimizzare la dinamica longitudinale del treno e quindi per poter
prevedere configurazioni di treno più produttive è necessario studiare i
fenomeni di svuotamento (ed anche di riempimento) dell’aria nella CG e le
azioni conseguentemente scambiate tra i diversi carri ferroviari. A tale scopo è
stato messo a punto un modello di calcolo della pressione, velocità, temperatura
e densità dell’aria all’interno della CG che risolve le equazioni di Navier Stokes
sotto l’ipotesi di condotto quasi mono-dimensionale. Inoltre, mediante l’ausilio di
dati sperimentali forniti dalla Faiveley Transport Italia (azienda leader nella
costruzione di impianti frenanti ferroviari) è stato possibile mettere a punto
modelli di calcolo equivalenti per i principali altri componenti dell’impianto
frenante (valvole di comando del freno, distributori, cilindri freno, serbatoi
ausiliari, …), in modo da creare un database di mappatura per i principali
dispositivi attualmente utilizzati. Note le pressioni ai cilindri freno, è stato poi
possibile ricavare le forze frenanti agenti sui diversi veicoli e da queste le forze
longitudinali scambiate, per mezzo di una modellazione dinamica non lineare
degli organi di accoppiamento e risoluzione delle conseguenti equazioni
dinamiche del moto.
RISULTATI
L’attività di ricerca ha portato alla realizzazione di un software, denominato
TrainDy, che ha ricevuto nel gennaio 2009 la certificazione internazionale
dell’intero pacchetto software (pneumatica, dinamica, e interfaccia grafica) da
parte della UIC (Union Internationale des Chemins de Fer, che è l’Ente
internazionale preposto alle normative nel settore del trasporto ferroviario).
L’attività di certificazione del modulo dinamico e pneumatico, condotta mediante
confronto dei risultati numerici con quelli di quasi trenta campagne sperimentali
messe a disposizione dai principali Operatori Ferroviari Internazionali (DB AG,
SNCF e TRENITALIA), è durata circa 12 mesi. Il software sarà utilizzato come
base di calcolo per la stesura, mediante aggiornamento della vigente normativa
UIC 421, di nuovi limiti circa la composizione e le condizioni operative dei treni
merci lunghi interoperabili in Europa.
Confronto dati sperimentali e numerici per manovra transitoria con indicazione
dell’errore assoluto e relativo rispetto al dato sperimentale
55
Modello di Calcolo per
la Dinamica
Longitudinale dei
Convogli Ferroviari
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Vincenzo Vullo
[email protected]
 Ing. Luciano Cantone
[email protected]
 Ing. Daniele Negretti
Pubblicazioni
 L. Cantone, L. Müller, D.
Negretti, V. Vullo, “TrainDy, new
UIC simulator for longitudinal
dynamics of trains”, CompRail
2008 15-17 Settembre Toledo,
2008.
 L. Cantone, E. Crescentini, R.
Verzicco, V. Vullo, “A numerical
model for the analysis of unsteady
train braking and releasing
manoeuvres”, Proc. IMechE, Part
F: J. Rail and Rapid Transit, 2009,
223 (F3), 305-317. DOI
10.1243/09544097JRRT240.
 L. Cantone, R. Karbstein, D.
Negretti, L. Müller, “Validierung
von
TrainDy
mit
Versuchsergebnissen der Deutsche
Bahn
AG”,
ETR,
Eisenbahntechnische
Rundschau, 5, 2009, pp. 234239.
Le nostre ricerche
PROGETTAZIONE MECCANICA E COSTRUZIONE DI MACCHINE
Propagazione di
Fratture
Longitudinali in
Gasdotti Interrati
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Pietro Salvini
[email protected]
 Ing. Emanuele Marotta
emanuele.marotta@
ing.uniroma2.it
 Ing. Matteo Minotti
matteo.minotti@
ing.uniroma2.it
Pubblicazioni
 Fonzo A., Salvini P., Di
Biagio
M.,
“Fracture
Propagation in Dwt Back
Slotted
Specimens”,
International Journal of
Fracture, Vol. 128, 2004, pp.
159-169.
 Salvini P., Fonzo A.,
Mannucci G., "Identification
of CTOA and fracture
process parameters by
drop weigth test and finite
element
simulation“,
Engineering
Fracture
Mechanics, vol. 60, n.3-4,
pp. 553-566, 2003.
 Fonzo A., Salvini P.,
Mannucci G., Demofonti G.,
Di Biagio M., Edwards A.,
“A Finite Element Model to
Simulate Crack Arrestor
Constraint Effect on GasPipeline”,
Proc.
11th
International Conference on
Fracture 11, Torino, 2005.
 Fontana A., Minotti M.,
Salvini P., “Cohesive Release
Loads in a General Finite
Element Model of a
Propagating Crack”, 8th
International Conference on
Fracture
and
Damage
Mechanics, 8-10 Sept., Malta,
2009
DESCRIZIONE
Da circa 10 anni si è affrontato il problema dell’arresto di fratture longitudinali che
siano innescate in gasdotti interrati. Il lavoro nasce da una collaborazione ormai più
che decennale con il Centro Sviluppo Materiali S.p.A. di Castel Romano (RM). Lo
studio comporta lo sviluppo di software totalmente dedicati al comportamento
strutturale di gasdotti interessati da propagazione di frattura con conseguente
fuoriuscita rapida del gas in pressione. L’interesse è quindi incentrato sul fenomeno
della propagazione piuttosto che sulle cause di innesco della frattura stessa. Tutte le
modellazioni si avvalgono di strumenti di prova di laboratorio avanzati oltre che del
poligono di prova in Sardegna ove vengono realizzate prove in piena scala con linee
di oltre 300 m di lunghezza.
RISULTATI
I risultati più significativi sono legati ai diversi aspetti cui si è fatto riferimento: 1)
metodica per il trattamento dei dati sperimentali di laboratorio e definizione dei
parametri di frattura di riferimento, il CTOA in particolare; II) Implementazione di
un codice agli elementi finiti con solutore esplicito nel quale sono integrati i
fenomeni di rilascio coesivo dei nodi durante la propagazione, effetto di
contenimento del terreno, decompressione del gas in fuoriuscita; III) studio dinamico
del comportamento dei crack stopper e implementazione nel codice sviluppato
56
Le nostre ricerche
PROGETTAZIONE MECCANICA E COSTRUZIONE DI MACCHINE
DESCRIZIONE
Si tratta di una linea di ricerca dedicata allo studio delle possibilità economiche e
funzionali relative al posizionamento in orbita di piccoli satelliti. Si indaga la
eventualità di poter sfruttare i lanciatori già dedicati a missioni primarie. Lo studio
è stato inizialmente concentrato sui costi ed le modalità di riposizionamento di
singoli satelliti, per poi allargarsi alla disposizione ed al posizionamento di
costellazioni di satelliti cooperanti.
RISULTATI
I risultati riguardano la risoluzione numerica del problema non lineare relativo alla
metodica più efficiente per il riposizionamento di orbite satellitari, mediante la
tecnica del multiple firing. Si è poi estesa la soluzione al caso di motori a spinta
stazionaria (motori ionici). Infine si sono indagate le possibilità di lancio di
costellazioni di satelliti, che possano condividere un’orbita comune di rilascio,
identificando le soluzioni tra loro compatibili.
Dispiegamento
Ottimale di
Costellazioni
Satellitari
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Pietro Salvini
[email protected]
 Ing. Valerio Nicolai
[email protected]
Pubblicazioni
 Mortari D., Nicolai V.,
Ruggieri
M.,
Salvini
P.,
“Reconfiguring
Flower
Constellations
using
continuous
firing”,
IEEE
Aerospace Conference, Big Sky –
Montana (U.S.A.), March 2007.
 Nicolai V., Lucente M.,
Piantieri G., Rossi T., De
Sanctis M., Ruggieri M., Salvini
P.,“Multi-Purpose
Satellites
Constellations
Propagator
Toolkit”,
IEEE
Aerospace
Conference, Big Sky – Montana
(U.S.A.), March 2007.
 Nicolai V., Ruggieri M.,
Salvini P., “Positioning of
Satellites through continuous
firing”,
IEEE
Aerospace
Conference, Big Sky – Montana
(U.S.A.), March 2006.
 De Sanctis M., Ruggieri M.,
Salvini P., “Low Cost Orbital
Positioning
for
Small
Satellites”, IEEE Aerospace
Conference, Big Sky – Montana
(U.S.A.), March 2004.
57
Le nostre ricerche
PROGETTAZIONE MECCANICA E COSTRUZIONE DI MACCHINE
Messa a Punto di
Sistemi di
Navigazione Inerziale
a Basso Costo
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Pietro Salvini
[email protected]
 Ing. Emanuele Marotta
[email protected].
it
Pubblicazioni
 Salvini P., “Direct tuning of
inertia sensors of a navigation
systems
using
Neural
Network
approach”,
accettato per la pubblicazione
su Inverse Problems in Science
and Engineering, 2009.
 Angeloni F., Locci. A.,
Marotta E, Salvini P.,”Rete
neurale per la correzione di
traiettorie
da
sistemi
inerziali”,
Atti
Convegno
XXXVII AIAS, 10 - 13
Settembre, Roma, 2008.
 Salvini P., “Correcting
inertia sensors of a navigation
systems in spite to perform a
successfull neural network
approach”,
The
Fourth
International
Conference
"Inverse Problems: Modeling and
Simulation",
May
26-30,
Fethiye-TURKEY, 2008.
 Angeloni F., Locci A.,
Marotta E., Salvini P., “Un
sistema
di
navigazione
inerziale per il trasporto
terrestre”,
Atti
Convegno
AIMETA,
11-14
settembre,Brescia,2007.
DESCRIZIONE
Nella navigazione terrestre il ricorso al sistema GPS offre sicuramente un
validissimo aiuto. Tuttavia, il sistema non garantisce una continuità di
funzionamento in ogni condizione essendo richiesta la visibilità di un certo numero
di satelliti ad ogni nuovo posizionamento. La navigazione inerziale offre una
soluzione che può coadiuvare quella satellitare a patto di mettere a punto dei
sistemi intelligenti per la sua calibrazione. In questo settore di ricerca sono state
studiate diverse piattaforme inerziali ottenendo incrementi significativi con
l’adozione di sistemi low cost.
RISULTATI
Realizzazione di una piattaforma completa di navigazione inerziale contenente:
accelerometri triassiali, misuratori di velocità angolare ad effetto Coriolis,
magnetometri, inclinometri, misuratori di pressione e temperatura.
Il sistema viene corretto mediante una rete neurale che consente il confronto
intelligente tra i dati GPS (quando disponibili) e le rilevazioni della piattaforma
inerziale.
banco filtri
alimentazione
accelerometri
magnetometri
giroscopi
58
Le nostre ricerche
PROGETTAZIONE MECCANICA E COSTRUZIONE DI MACCHINE
DESCRIZIONE
Sono qui riuniti una serie di lavori accomunati dall’uso di sperimentazioni e
metodiche di modellazione adatte ai sistemi non stazionari e dinamici. Si tratta
per lo più di tecniche che introducono elementi di innovazione significativi alle
modellazioni e che hanno anche portato all’ottenimento di un brevetto
internazionale ed uno nazionale.
RISULTATI
Sono stati applicati i principi dello studio dinamico delle strutture in condizioni
operative, in alcuni casi utilizzando ipotesi di piccole deformazioni, ossia i metodi
dell’analisi modale, cui fa riferimento la prima figura. In altri casi si è fatto
riferimento a grandi spostamenti e deformazioni plastiche per individuare le
caratteristiche fisiche e morfologiche di lamiere durante la fase di piegatura,
come nel caso della II figura indicata.
Comportamento
Dinamico di Strutture
e Sistemi Meccanici
Innovativi
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Pietro Salvini
[email protected]
 Prof. Vincenzo Vullo
[email protected]
 Ing. Francesco Vivio
[email protected]
Pubblicazioni
1.4
Relative frequency error
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
0
5
10
15
20
25
30
Frequency No.
35
40
59
45
50
 Salvini P., Vivio F., “Dynamic
Reduction Strategies to extend
Modal Analysis Approach at
higher Frequencies”, Finite
Elements in Analyses and Design,
Vol. 43, pp. 931-940, 2007.
 Minotti M., Salvini P., Vivio
F.,Vullo V., “Metodo di Taglio
di Vite e Ruota in un Riduttore
a
Vite
e
Ruota
con
Ricircolazione di Sfere”, Atti
Convegno XXXVI AIAS, 3 - 8
Settembre, Ischia, 2007.
 Antonelli L., Salvini P., Vivio
V., Vullo V., “Identification
Elasto-Plastic Characteristics by
means of Air-Bending Test”,
Journal of Material Processing
Technology, Vol. 183, pp. 127139. 2007.
 Cantone C., Cantone L.,
Salvini P., Vullo V., “Effects of
gear
meshing
distributed
formulation on bearing forces”,
Proc. International Conference on
Gears 2005, Munich, GE,, 2005.
Le nostre ricerche
TECNOLOGIE E SISTEMI DI LAVORAZIONE
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Vincenzo Tagliaferri
[email protected]
 Prof. Loredana Santo
[email protected]
 Ing. Fabrizio Quadrini
[email protected]
 Ing. Alessandro
Guglielmotti
[email protected]
 Ing. Carmine Lucignano
[email protected]
 Ing. Erica Anna Squeo
[email protected]
Pubblicazioni
 Quadrini F., Squeo E.A.,
Solid-state foaming of epoxy
resin, Journal of Cellular
Plastics, vol. 44, No.2, pp.
161-173, 2008.
 Guglielmotti A., Quadrini
F., Squeo E.A., Tagliaferri V.,
Solid-state
foaming
of
thermosets, Proceedings of
“Polymer
Foam
2007”,
Newark, NJ, USA, 2-3
October 2007.
 Quadrini F., Guglielmotti
A., Lamastra F., Lucignano C.,
Nanni F., Santo L., Squeo
E.A., Epoxy nanocomposite
foams by solid-state foaming,
Proceedings of “ICCE-17”,
Honolulu, Hawaii, USA, 26
July - 1 August 2009.
DESCRIZIONE
Nell’ambito delle attività di ricerca sulle innovazioni di prodotto/processo nel
settore dei materiali polimerici, è stato sviluppato un nuovo metodo di
schiumatura di termoindurenti, che consente di ottenere delle schiume
omogenee a celle chiuse dalle ottime proprietà meccaniche. Tale metodo
consiste nel pressare a freddo delle polveri di resina termoindurente senza alcuna
aggiunta di agente schiumante, al fine di ottenere dei precursori compatti e
coerenti. Il precursore viene inserito in uno stampo e posto in forno. L’elevata
temperatura del forno provoca l’ebollizione della resina, ma al contempo
interviene la cura della resina che congela la struttura porosa generatasi in
seguito all’ebollizione.
Tale metodo è stato definito "allo stato solido" per analogia con un processo
impiegato nella realizzazione di schiume di titanio, nel quale le polveri del metallo
vengono pressate isostaticamente a caldo in presenza di gas inerte. Il compattato
che ne risulta presenta una piccola frazione di gas intrappolato, ma, durante la
ricottura ad elevata temperatura, i pori in pressione si espandono generando
creep nel materiale circostante e realizzando la schiumatura.
La schiumatura allo stato solido è un metodo molto più semplice di quelli
convenzionali, con il quale è possibile ottenere componenti nelle forme
desiderate, sia effettuando la schiumatura in apposti stampi sagomati, sia per
asportazione di truciolo da schiume realizzate in geometrie più semplici.
RISULTATI
La fattibilità del processo di schiumatura allo stato solido di resine
termoindurenti è stata finora dimostrata per polveri di resina epossidica ed
epossi-poliestere. Per queste due classi di materiali si riescono ad ottenere
rapporti di schiumatura superiori a 3. Le proprietà meccaniche della schiuma
ottenuta dipendono dal tipo di materiale impiegato e dalla presenza di eventuali
cariche. In generale, le schiume ottenute presentano ottime proprietà
meccaniche. A titolo di esempio, una schiuma in resina epossidica presenta un
rapporto di schiumatura di 3.7, una densità di circa 0.34 g/cm3 ed una tensione di
plateau a compressione superiore a 3 MPa.
Finora sono state realizzate schiume cilindriche con diametro massimo 50 mm e
altezza massima 30 mm (con precursore alto 5 mm), tuttavia è stata dimostrata la
possibilità di realizzare geometrie più estese sfruttando la “modularità” del
processo, accostando più precursori durante la fase di schiumatura.
16
14
Stress (MPa)
Schiumatura
allo Stato Solido
di Resine
Termoindurenti
12
10
8
6
4
2
0
0
a)
20
40
60
Strain %
80
100
b)
a) Prova di compressione di una schiuma in resina epossidica;
b) Realizzazione di pannelli in maniera “modulare” mediante l’impiego
di più precursori accostati durante la fase di schiumatura.
60
Le nostre ricerche
TECNOLOGIE E SISTEMI DI LAVORAZIONE
DESCRIZIONE
I polimeri a memoria di forma hanno guadagnato l'attenzione della ricerca negli
ultimi anni grazie alle loro peculiari caratteristiche, che ne consentono l'impiego
in molti campi di applicazione. Per le schiume polimeriche, il concetto di memoria
di forma risulta particolarmente interessante: una struttura cellulare polimerica di
qualsivoglia forma che si trovi ad una temperatura superiore a quella di
transizione viene compattata fino ad assumere ingombri molto piccoli e
successivamente viene raffreddata al di sotto di tale temperatura. In questo modo
la struttura è congelata in una configurazione compatta che è conservata anche
dopo la rimozione delle forze di compattazione, per un tempo teoricamente
illimitato. Riscaldando nuovamente il componente compattato al di sopra della
temperatura di transizione, verrà recuperata la forma originaria. La struttura può
essere nuovamente irrigidita raffreddandola al di sotto della temperatura di
transizione, quindi può essere nuovamente riscaldata e compattata. Tali materiali
possono essere usati in strutture auto-dispieganti, possono funzionare da
attuatori o addirittura come dispositivi biomedicali e presentano numerosi
vantaggi rispetto alle analoghe leghe metalliche a memoria di forma.
Si è potuto osservare che le schiume prodotte mediante la schiumatura allo stato
solido presentano delle spiccate proprietà di memoria di forma.
Schiume Polimeriche
a Memoria di Forma
ottenute mediante
Schiumatura
allo Stato Solido
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Vincenzo Tagliaferri
[email protected]
 Prof. Loredana Santo
[email protected]
 Ing. Fabrizio Quadrini
[email protected]
 Ing. Alessandro Guglielmotti
[email protected]
 Ing. Carmine Lucignano
[email protected]
 Ing. Erica Anna Squeo
[email protected]
Pubblicazioni
Ciclo termomeccanico per schiume polimeriche a memoria di forma
RISULTATI
Le schiume ottenute mediante schiumatura allo stato solido si presentano
estremamente rigide a temperatura ambiente, ma assumono la consistenza di una
spugna a temperatura superiore alla loro transizione vetrosa; in tale stato esse
possono essere compattate fino al completo collasso delle bolle, senza generare
alcun danneggiamento della schiuma. Raffreddando al di sotto della temperatura
di transizione, questa struttura compattata rimane stabile nel tempo senza alcuna
forza di contenimento. Riscaldando nuovamente al di sopra della temperatura di
transizione, la schiuma recupera la sua forma originaria. Si è verificato che è
possibile effettuare numerosi cicli di "memorizzazione di forma" senza apprezzare
significativi danneggiamenti della schiuma.
a)
b)
c)
a)
b)
c)
Fasi del ciclo termo meccanico: a) Forma originaria; b)Compattazione e
memorizzazione della forma; c)Recupero della forma originaria
61
 Squeo E.A., Guglielmotti A.,
Lucignano C., Quadrini F.,
Tagliaferri V., Shape memory
nanocomposite foams by solidstate foaming, Proceedings of
“ICCE-17”, Honolulu, Hawaii,
USA, 26 July - 1 August 2009.
Le nostre ricerche
TECNOLOGIE E SISTEMI DI LAVORAZIONE
Piegatura Laser
di Tubi in Acciaio
e di Schiume
in Lega d’Alluminio
GRUPPO DI LAVORO:
 prof. Vincenzo Tagliaferri
[email protected]
 ing. Fabrizio Quadrini
[email protected]
 ing. Alessandro Guglielmotti
[email protected]
 ing. Erica Anna Squeo
[email protected]
Pubblicazioni
 Guglielmotti A., Quadrini F.,
Squeo E.A., Tagliaferri V., Laser
bending of aluminum foam
sandwich panels, Advanced
Engineering Materials, vol.11,
pp.902-906, 2009.
 Gorga F., Quadrini F., Squeo
E.A., Tagliaferri V., Numerical
simulation of tube ovalization
in diode laser forming, Journal
of Manufacturing Technology
Research, vol. 1, No.1/2, pp. 7184, 2009.
 Guglielmotti A., Quadrini F.,
Squeo E.A., Tagliaferri V.,
Diode laser bending of tongues
from slotted steel tubes,
International Journal of Material
Forming, vol. 2, No.2, pp. 107111, 2009.
 Guglielmotti A., Quadrini F.,
Squeo E.A., Tagliaferri V.,
Diode laser forming of stainless
steel tubes, Atti del convegno
“Esaform2008”, Lyon, France,
23-25 April 2008.
DESCRIZIONE
La piegatura laser è un processo senza contatto che presenta numerosi vantaggi
rispetto ai processi di piegatura convenzionali, in quanto non richiede l’impiego
di forze esterne e di matrici, consente la realizzazione di forme complesse, il
ritorno elastico è trascurabile e permette di piegare anche materiali fragili che
non resisterebbero a processi di piegatura meccanici.
Numerosi studi sono stati svolti nel campo della formatura laser di lamiere,
mentre sono pochi gli studi riguardanti la piegatura laser di tubi; tale tecnica
risulta competitiva per la realizzazione di prototipi, in quanto non è necessario
disporre di stampi, e per la fabbricazione di componenti per piccoli volumi di
produzione. Risultano addirittura assenti, in letteratura scientifica, lavori
riguardanti la formatura laser di schiume d’alluminio, nonostante tale tecnica sia
praticamente l’unica che consenta di evitare rotture di materiali così sensibili ai
processi di piegatura meccanici e tra l’altro così difficili da realizzare
direttamente in forma finita durante il processo di fabbricazione.
RISULTATI
Attraverso l’uso di un laser a diodi e di un sistema di movimentazione molto
semplice, sono stati messi a punto processi di piegatura di tubi in acciaio AISI
304 e di schiume in lega d’alluminio a celle chiuse in forma di pannelli sandwich
e a celle aperte.
Per quanto riguarda la formatura di tubi, la tecnica prevede una scansione laser
nella zona da piegare su un arco di 180°. Negli studi svolti è stata valutata
l’efficienza di piegatura (in termini di incremento angolare) in funzione della
potenza del fascio laser e della velocità di rotazione. Inoltre si è osservato che
grazie alla piegatura laser l’effetto dell’ovalizzazione della sezione piegata risulta
inferiore.
Nell’ambito delle schiume d’alluminio sono stati condotti degli studi per
valutare l’effetto dei principali parametri di processo sulla piegatura. Le schiume
processate hanno mostrato un’ottima formabilità mediante il processo di
piegatura laser.
Piegatura laser di tubi in acciaio
Schiume in lega d’alluminio piegate mediante tecnologia laser
62
Le nostre ricerche
TECNOLOGIE E SISTEMI DI LAVORAZIONE
DESCRIZIONE
Nel settore delle materie plastiche nuovi processi sono stati sviluppati al fine di
superare alcune limitazioni derivanti dall’uso delle tecnologie ormai consolidate. In
tale panorama si colloca il processo innovativo di stampaggio diretto che viene
realizzato mediante l’azione combinata di pressione e riscaldamento di pellet
termoplastici. Nel sistema sviluppato vengono impiegati una lampada ad infrarossi
come sorgente termica ed uno stampo trasparente alla radiazione. Utilizzando tale
processo è possibile ridurre i fenomeni svantaggiosi legati allo stampaggio a
iniezione, quali l’orientazione delle catene molecolari nella direzione del flusso, le
elevate tensioni residue e il post ritiro.
Il nuovo sistema di fabbricazione elimina completamente la parte di plastificazione
in vite sostituendola con una pressatura diretta dei pellet a bassa pressione.
I principali vantaggi del nuovo processo sono:
- le ridotte dimensioni dei sistemi di produzione,
- il minimo degrado dei materiali stampati, avendo eliminato sia la plastificazione
che l’iniezione,
- il ridotto consumo energetico.
RISULTATI
E’ stata realizzata una macchina per lo stampaggio diretto assistito IR costituita da
un telaio su cui vengono fissati la lampada, lo stampo ed uno o più cilindri
pneumatici, a seconda delle dimensioni del componente da stampare. I cilindri
pneumatici consentono la movimentazione dello stampo e l’applicazione della
pressione voluta sul controstampo in vetro. Diverse tipologie di stampi sono stati
progettati e fabbricati, questi hanno consentito la produzione di componenti di
geometria differente in ABS, HDPE e PP (anche caricato con fibre di vetro). I
componenti stampati mostrano la capacità del processo di riprodurre sia la
geometria che la finitura dello stampo.
Sono stati sviluppati modelli teorico-sperimentali per la previsione del
comportamento del materiale in termini di spessori ottenuti in funzione del tempo
di processo e della potenza.
Macchina per stampaggio diretto assistito IR
e componenti stampati
63
Stampaggio Diretto
di Pellet Polimerici
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Vincenzo Tagliaferri
[email protected]
 Prof. Loredana Santo
[email protected]
 Ing. Fabrizio Quadrini
[email protected]
 Ing. Federica Trovalusci
[email protected]
 Ing. Carmine Lucignano
[email protected]
Pubblicazioni
 Quadrini F., Santo L.,
Tagliaferri V., Trovalusci F.,
Plastic shaping by means of IR
heating and direct pellet
moulding. Polymer Engineering
and Science, vol. 46, pp. 896903, 2006.
 Lucignano C., Quadrini F.,
Santo L., Trovalusci F.,
Infrared assisted polymer
forming.
Proceedings
of
ESAFORM 2008.
Le nostre ricerche
TECNOLOGIE E SISTEMI DI LAVORAZIONE
Microstampaggio
Laser Assistito di
Pellet Termoplastici
GRUPPO DI LAVORO:
 Prof. Vincenzo Tagliaferri
[email protected]
 Prof. Loredana Santo
[email protected]
 Ing. Fabrizio Quadrini
[email protected]
 Ing. Federica Trovalusci
[email protected]
 Ing. Carmine Lucignano
[email protected]
Pubblicazioni
 Quadrini F., Santo L.,
Trovalusci F., Direct molding
of
thermoplastic microparts.
Journal
of
Micromechanics
and
Microengineering,
vol.
18,
No.10, pp. 105006, 2008.
 Lucignano C., Quadrini F.,
Santo L., Trovalusci F., Laser
assisted polymer moulding of
small parts, Proceedings of
ESAFORM 2009.
 Trovalusci F. Shaping of
small plastic parts by laser
heating. Proceedings of AITEM
2009.
DESCRIZIONE
Componenti con dimensioni sub millimetriche, realizzati in polimeri di differente
natura, trovano oggigiorno applicazione in molteplici settori, dalla
microelettronica all’automotive, nelle telecomunicazioni e in medicina.
Attualmente la maggior parte di tali microcomponenti vengono prodotti con
tecnologie originariamente dedicate alla fabbricazione di oggetti di medie e
grandi dimensioni. Nel caso del microstampaggio di polimeri prima fra tutte è lo
stampaggio ad iniezione, processo a cui si associano fenomeni svantaggiosi quali
la forte orientazione delle catene molecolari nella direzione del flusso, gli stress
termici e dovuti al flusso. Per superare tali limiti è stato sviluppato un processo
innovativo: il microstampaggio diretto laser assistito a partire da un pellet
termoplastico o una porzione dello stesso. Lo stampaggio avviene per effetto
della pressione ed il contemporaneo riscaldamento del materiale polimerico. lI
sistema sviluppato prevede l’impiego di un laser a diodi per il riscaldamento e di
un microstampo trasparente alla radiazione.
RISULTATI
Al fine di realizzare il processo di microstampaggio è stata sviluppata una
micromacchina, dotata di un sistema stampo–spingistampo, movimentato da un
cilindro pneumatico di compressione a corsa breve, che consente l’applicazione
della pressione. Tali componenti sono montati su un telaio costituito da piastre
metalliche e guide filettate. Sulla piastra superiore è praticato un foro che
consente il passaggio della radiazione laser, che attraversato il vetro riscalda il
pellet posto nella cavità dello stampo. Differenti stampi sono stati progettati e
fabbricati, questi sono stati impiegati per la produzione di componenti a
geometria complessa, da dischi, a ruote dentate e viti filettate. L’introduzione
nello stampo di una camera di fusione ha consentito la produzione di boccole.
Micromacchina per stampaggio laser assistito
e componenti stampati
64
Le nostre ricerche
DIRITTO COMMERCIALE
Diritto
Commerciale
DESCRIZIONE
Studi in materia di diritto delle società e di diritto della concorrenza
RISULTATI
Le indagini sull’applicazione del diritto societario, condotte su campioni di
società italiane, con l’intento di mettere in luce l’interazione tra le scelte
adottate, nell’esercizio dell’autonomia negoziale, e la realtà socioeconomica
sottostante, hanno messo in luce le significative correlazioni tra dimensione
economica dell’impresa sociale, struttura della “proprietà” e altre variabili
economiche e il modo in cui si atteggiano regole e modelli organizzativi.
I risultati ottenuti vanno apprezzati anche in relazione all’obiettivo di
sperimentare un nuovo approccio nello studio del diritto delle società,
avviando una necessaria riflessione sulla relativa impostazione metodologica.
65

GRUPPO DI LAVORO:
Prof.Giovanni
Figà
Talamanca
[email protected]
Pubblicazioni
 Figà Talamanca G., Studi
empirici sulle società di
capitali, Ed. Nuova Cultura,
Roma, 2008
 Figà
Talamanca
G.,
Introduzione
al
diritto
commerciale internazionale,
Ed. Giappichelli, Torino, 2009
Dipartimento di Ingegneria Meccanica
Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”
Via del Politecnico 1 - 00133 ROMA
Tel. +39 06 72597159 – Fax +39 06 2021351
http://www.mec.uniroma2.it