Ingegneria Meccanica
La meccanica è un settore classico dell’ingegneria, tuttavia la ricerca nei vari settori è attiva e in continuo sviluppo sia in ambito nazionale che internazionale su molti e diversi fronti.
Nel dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale (DICI) sono sviluppate molte attività di ricerca in ambiti diversi, quali la resistenza dei materiali e dei componenti meccanici, comportamento dinamico di strutture, ruote dentate, tecniche di manifattura tradizionali ed innovative (es. additive manufacturing), robotica, bioingegneria meccanica, tribologia, etc.
Queste tematiche di ricerca sono sviluppate sia in ambito sperimentale sia di modellazione, sfruttando le tecnologie recenti e i software di calcolo più moderni.
L’attività di ricerca in ingegneria meccanica, presso il DICI, è spesso svolta in collaborazione con aziende sia del territorio sia multinazionali ed enti esteri, da cui si sviluppano collaborazioni pluriennali e progetti di valenza internazionale.
Principali Attività di Ricerca
Caratterizzazione della resistenza dei materiali
La determinazione delle proprietà di resistenza dei materiali è un’attività di ricerca che tradizionalmente viene svolta dai docenti di ingegneria meccanica afferenti al gruppo di Costruzione di Macchine. L’avanzamento della modellazione impone l’esecuzione di prove classiche, secondo le normative, ma anche la concezione e lo sviluppo di prove innovative su provini non-standard o direttamente su componenti. Il laboratorio del dip.to DICI dedicato a queste attività è dotato di diverse macchine e sistemi di prova, calibrate preferenzialmente per i metalli, ma utilizzabili anche per altri materiali. Nella sala esperienze sono disponibili tre macchine idrauliche universali (di cui una biassiale), due macchine di fatica a risonanza, ed inoltre un banco prova di grandi dimensioni dotato di tre attuatori idraulici assiali strumentati, che permette di allestire prove su componenti in piena scala come ad esempio telai motociclistici. Oltre alle attrezzature di prova sono disponibili macchine utensili per la realizzazione di provini e componenti di supporto per le prove. Inoltre, è disponibile una macchina di additive manufacturing (SLM) per metalli con relativo forno per il trattamento termico. Nell’ambito della ricerca sulla resistenza dei materiali, le tecniche produttive innovative come ad esempio quella additiva, sono di particolare interesse, in quanto rappresentano una sfida in termini di modellazione su materiali con proprietà e processi produttivi non tradizionali.
Laboratori
Costruzione di veicoli
Le caratteristiche strutturali e dinamiche di veicoli e componenti sono studiate dai docenti di Costruzione di Macchine attraverso modelli analitici e numerici e mediante prove sperimentali. Difatti, molti componenti di veicolo necessitano di essere simulati e provati mediante modelli e banchi prova appositamente sviluppati. Riguardo le simulazioni, il gruppo si occupa di sviluppare modelli analitici originali (es. modello a spazzola per cinghie di trasmissione) per l’analisi del comportamento meccanico e dell’efficienza dei sistemi, e modelli numerici (FEM e multibody) in grado di predire il comportamento dinamico, le vibrazioni, la resistenza statica e a fatica dei componenti. Le prove sperimentali prevedono l’utilizzo di macchine di prova universali (trazione e torsione), macchina a risonanza e la realizzazione di banchi prova ad-hoc con attuatori idraulici, motori elettrici e vari tipi di sensori. Tutto ciò è finalizzato al test (resistenza, durata ecc) dei componenti soggetti a carichi reali, anche di tipo random, e alla validazione dei modelli analitici e numerici sviluppati. Sia per le analisi numeriche che per quelle sperimentali, il gruppo sviluppa metodi per la predizione della durata dei componenti sia con metodi classici (rainflow e cumulazione del danno) sia con metodi di “fatica in frequenza”, che tengano conto dello spettro (PSD e pdf) dei carichi e siano in grado di predire con precisione la vita dei componenti e di ottimizzarne la forma in ottica lightweight
Laboratori:
Reverse engineering, Dinamica sperimentale, Design for additive manufacturing e Extended reality
Le attività di ricerca sono orientate allo sviluppo di tecniche di image processing e reverse engineering per la ricostruzione di forme 3D complesse e la misura di deformazione in campo industriale e biomedicale. L’attività si basa sullo sviluppo e l’impiego di scanner 3D a luce strutturata per applicazioni metrologiche nella meccanica di precisione e nella ricostruzione dell’anatomia umana. Questo approccio è stato ulteriormente sviluppato integrando tecniche di Digital Image Correlation (DIC) che consentono di misurare la deformazione di componenti meccanici durante test dinamici. Il sistema sviluppato consente la misura di vibrazioni fino a 10 µm e 6500 Hz. Le attività di ricerca attuali sono anche indirizzate verso lo studio e l’ottimizzazione dei parametri di processo per l’Additive Manufacturing (AM), con particolare riferimento ai materiali polimerici. La ricerca include la caratterizzazione meccanica di componenti AM, l’uso di trattamenti di post-processing e di coating per il miglioramento delle performance e lo sviluppo di strutture lattice alleggerite. I temi di ricerca riguardano anche la sperimentazione di tecniche ibride di AM, che estendono l’uso di tecnologie originariamente sviluppate per i materiali polimerici alla produzione di componenti metallici e ceramici. Infine, attività di ricerca emergenti riguardano lo sviluppo di tecniche di realtà virtuale, aumentata e mista applicate a differenti campi, come i beni culturali e la riabilitazione medica.
Laboratori:
Laboratorio Dinamica delle Giranti
Tecnologie e sistemi di lavorazione
Il gruppo di Tecnologie e Sistemi di Lavorazione sviluppa ricerca scientifica nell’ambito dei processi della trasformazione dei materiali e dei semi-lavorati allo scopo di studiare l’intero ciclo di vita dei prodotti dalla loro concezione, alla produzione ed all'eventuale riciclo.
Principale oggetto dell’attività di ricerca del gruppo è l’analisi delle varie fasi del processo produttivo e della sua ottimizzazione sia attraverso tecnologie convenzionali che sistemi di lavorazione innovativi basati sull’intensificazione dell’energia. L’attività di ricerca comprende inoltre la gestione ed organizzazione dei processi di trasformazione dei quali vengono studiati sia gli aspetti fisici che quelli digitali.
Il gruppo vanta un’esperienza pluriennale nell’ambito dei processi di trasformazione che interessano i prodotti manifatturieri, costituiti da materiali tradizionali e innovativi, e spazia dalla fabbricazione, agli assemblaggi e ai controlli. Ulteriori competenze pregresse sono quelle legate alla caratterizzazione metrologica e tecnologica dei materiali ed al legame delle loro proprietà con i parametri che governano i processi, alle metodologie e agli strumenti per la progettazione dei processi, dei componenti e dei sistemi di trasformazione, alla programmazione, alla gestione ed al controllo dei sistemi di lavorazione e dei sistemi flessibili di assemblaggio.
Laboratori:
Impianti Industriali meccanici
Il gruppo di Impianti Industriali Meccanici (ING-IND/17) dell’Università di Pisa si occupa di Lean e Agile Management, con particolare riferimento alle aziende Engineering e Design To Order (ETO, DTO), all’integrazione verticale e orizzontale come fattore abilitante dell’Industria 4.0 e alla digitalizzazione dei processi produttivi e logistici. L’obiettivo degli studi è quello di definire, implementare, ottimizzare e supportare i processi di trasformazione digitale che permettono ai tradizionali sistemi produttivi e logistici di evolvere rispettivamente in smart factories e smart supply chains. Ulteriori attività riguardano lo studio, l’implementazione e l’ottimizzazione dei sistemi di Quick Response Manufacturing e Quick Response Logistics. L’ambito delle ricerche si estende altresì alla Data Analytics per la manutenzione predittiva e per la prognostica e alla simulazione impiantistica (con strumenti di simulazione ad eventi discreti, ad agenti e con modelli di system dynamics). A quest’ultimo tema, già fortemente legato al paradigma Industria 4.0, si uniscono più di recente lo studio e la realizzazione prototipale di gemelli digitali (Digital Twin) di processo.
Meccanica applicata alle macchine
Il gruppo di Meccanica Applicata alle Macchine svolge attività di ricerca sui temi seguenti.
- Progettazione e ottimizzazione di trasmissioni a ingranaggi, in particolare ingranaggi spiroconici e ipoidi.
- Dinamica veicolo. Dall’approccio innovativo alla dinamica del veicolo ad opera di Massimo Guiggiani alla pianificazione ottima di veicoli racing.
- Mani Artificiali, manipolazione robotica, controllo ottimo. Sviluppo di mani robotiche sulla base di sinergie posturali. Sintesi automatica di grasp, estesa a task di manipolazione complessi e a locomozione whole-body.
- Tribologia. Lubrificazione, attrito, usura e analisi di superfici. Il Laboratorio di Tribologia esegue test su contatti lubrificati e a secco, quello di Rotordinamica e Cuscinetti indaga il comportamento statico/dinamico di cuscinetti. (Nuovo Pignone, AM Testing)
- Biotribologia. Stima dell’usura di protesi articolari mediante modelli analitici/FEM e analisi di componenti usurati tramite profilometri 3D, CMM e SEM. (AC2T, University of Newcastle)
- Biomeccanica. Sviluppo di modelli muscoloscheletrici per la stima di quantità non misurabili in vivo. Analisi del movimento presso il Laboratorio di Biomeccanica di Sport & Anatomy.
- Vibrazioni e acustica. Caratterizzazione numerico-sperimentale di risposte vibrazionali di vari sistemi. Valutazione psicoacustica della qualità sonora di un prodotto.
Laboratori:
