Innovation in composite additive manufacturing

This master thesis contains an overview of existing additive manufacturing methods and considers possible new methods. The purpose being to develop a method for additive manufacturing that can create 3D objects with composite material and/or out of metal. Further this method should work on a low cost additive manufacturing machine. A development process is used in order to select an appropriate method. The method is then divided into parts that are individually analysed in order to produce a proof of concept model. Initially an overview of existing patents regarding additive manufacturing was conducted in order to see if the devised problem was addressed and how. A patent search regarding both additive manufacturing of composites and of metallic objects was performed. The next phase was conducting a market overview of existing low cost 3D printers and selecting one model that was appropriate for purchase. The purchased 3D printer was then assembled and tested to build up a general experience of properties and limitations of low cost printers. These properties regard both control parameters, mechanical properties (such as eigen frequencies, resolution) and print limitations (typical errors, materials etc.). Concept generation took place by brainstorming a wide range of possible ideas to address the project goal. Existing manufacturing methods and processes that inspired the concepts are described in the theory. The final concept was selected by a process of first concept screening followed by concept scoring and selection. After screening the bulk of four concepts remained. One mainly addressed the goal of manufacturing metallic parts and the others composites. Further literary study of material properties and manufacturing processes relevant to these methods was conducted for the scoring step. Also appropriate retailers of materials and parts and machines were contacted for relevant cost information. The selected concept uses photopolymers cured by UV radiation. In order to finalise the proof of concept a print head was constructed and several tests were conducted in order to observe possible fill rates and required radiation levels in order to achieve a required flow rate and curing times respectively. Finally suggestions for further development and studies is summarised.This project aimed to look at low cost 3D manufacturing technologies and develop a method to expand existing material options. Existing manufacturing methods for sets of materials were conducted in order to map out possible manufacturing steps. A review of existing models of 3D-printers was done and one was purchased and assembled. Design concepts were developed inspired by existing manufacturing methods and one method was selected using a pre-mixed compound and UV curing matrix material extruded through a nozzle and solidified with directed UV-LEDs in order to allow for manufacturing of composites. The method was verified to work and suggestions for further improvements and studies were made

Addendum to proposal of the Iowa City area as the site for the NASA Electronics Research Center.

This is a supplemental report to Dr. Van Allen's presentation in support of the Iowa City area as a site for a proposed Electronics Research Center. It provides additional insight into the educational and industrial resources of the Mid-America region as well as anticipated availability of working space and housing

Research-study of a self-organizing computer

It is shown that a self organizing system has two main components: an organizable physical part, and a programing part. This report presents the organizable part in the form of a programable hardware and its programing language

A Comprehensive Survey on Particle Swarm Optimization Algorithm and Its Applications

Particle swarm optimization (PSO) is a heuristic global optimization method, proposed originally by Kennedy and Eberhart in 1995. It is now one of the most commonly used optimization techniques. This survey presented a comprehensive investigation of PSO. On one hand, we provided advances with PSO, including its modifications (including quantum-behaved PSO, bare-bones PSO, chaotic PSO, and fuzzy PSO), population topology (as fully connected, von Neumann, ring, star, random, etc.), hybridization (with genetic algorithm, simulated annealing, Tabu search, artificial immune system, ant colony algorithm, artificial bee colony, differential evolution, harmonic search, and biogeography-based optimization), extensions (to multiobjective, constrained, discrete, and binary optimization), theoretical analysis (parameter selection and tuning, and convergence analysis), and parallel implementation (in multicore, multiprocessor, GPU, and cloud computing forms). On the other hand, we offered a survey on applications of PSO to the following eight fields: electrical and electronic engineering, automation control systems, communication theory, operations research, mechanical engineering, fuel and energy, medicine, chemistry, and biology. It is hoped that this survey would be beneficial for the researchers studying PSO algorithms

Aplicabilidade industrial de estampagem incremental: análise funcional e energética

Doutoramento em Engenharia MecânicaIncremental sheet forming processes like single point incremental forming have been majorly studied since the beginning of the 2000's. Besides the applications in the prototyping eld, ISF processes can also be used to the manufacture of unique parts and small batches. This possibility has a great potential for speed up new product development and to make products in smaller series economically viable. Also, this capability leads to a new business possibilities, enable the development of exclusive or custom products. However, mainly due to its novelty, SPIF industrial operation is still very apprehensive with just a few examples of application. The main purpose of the present work is to create tools that can be used for the SPIF process management and present examples of usage in di erent industrial elds. The SPIF process is studied using the SPIF-A machine design and built at the Department of Mechanical Engineering at the University of Aveiro. Despite being a free form manufacture process, SPIF has some geometric limitations, manly due to the forming mechanics and formability limit of the materials. The possible part con gurations and the design orientation are settled, allowing a suitable part development. The hardware to perform incremental forming operations is outlined and the forming process is described, presenting alternative solutions both based on experimental work and state of the art review. A group of parts are developed and manufactured using SPIF as examples of industrial application. Parts are developed and evaluated to meet design and development requirements. New applications using SPIF as a rapid tooling process, typically exclusive form additive manufacturing technologies, are developed. The parity between SPIF and AM processes encounter industrial applications not only in prototyping or part manufacturing but also in tool development and fabrication. This novelty allows to decrease the time to market, decrease tooling cost and increase tooling complexity and consequential part design freedom in sheet metal moulds. The concept is developed and proof for a variety of thermoplastic and composite materials processing technologies.Os processos de estampagem incremental de chapa, como a estampagem incremental por ponto unico, t^em sido estudados em profundidade desde o in cio dos anos 2000. Para al em da aplica c~ao no desenvolvimento de prot otipos, os processo de estampagem incremental apresentam potencial de aplica c~ao no fabrico de produto unicos ou pequenos lotes. Esta possibilidade oferece vantagens ao permitir acelerar o processo de design e desenvolvimento de produto e ao tornar economicamente vi avel a produ c~ao de pequenas s eries. Para al em disso, esta possibilidade permite a cria c~ao de novas tipologias de neg ocio, possibilitando o desenvolvimento e fabrico de produtos exclusivos ou customizados. No entanto, principalmente devido a novidade do processo, a estampagem incremental ainda n~ao tem muitos exemplos de aplica c~ao em empresas. O principal objetivo do trabalho apresentado e desenvolver ferramentas que possam ser utilizadas para a industrializa c~ao do processo de estampagem incremental por ponto unico e apresentar exemplos de aplica c~oes em diferentes areas industriais. A m aquina SPIF-A desenvolvida no Departamento de Engenharia Mec^anica da Universidade de Aveiro e utilizada para o estudo do processo de estampagem incremental. Apesar do potencial do processo de estampagem para fabricar superf cies de forma livre, existem algumas limita c~oes. Estas devem-se maioritariamente ao comportamento do material e ao processo e par^ametros de estampagem. S~ao de nidas linhas orientadoras para o design de pe cas, bem como as poss veis con gura c~oes, de forma a possibilitar o desenvolvimento de pe cas fact veis. O equipamento necess ario para a realiza c~ao de trabalhos de estampagem incremental e os par^ametros de trabalho s~ao estudados com recurso a an alise de estado da arte e a trabalho experimental. Como exemplo de aplica c~ao industrial da estampagem incremental, s~ao desenvolvidas e fabricadas pe cas. Os produtos s~ao desenvolvidos e avaliados de forma a garantir o cumprimento dos requisitos de nidos. S~ao propostas novas aplica c~oes para a utiliza c~ao de estampagem incremental para o fabrico r apido de ferramentas, tipicamente exclusivo do processos de fabrico aditivo. A analogia entre a estampagem incremental e o fabrico aditivo permite encontrar aplica c~oes industriais para al em da prototipagem, com grande potencial para o desenvolvimento e fabrico de ferramentas. Esta novidade contribui para a redu c~ao do tempo de comercializa c~ao, reduzindo custos e permitindo uma maior exibilidade do desenho de um produto. O conceito de fabrico de moldes em chapa para diversos materiais termopl asticos e comp ositos e desenvolvido e analisado.Les processus de formage incr emental de t^ole, come formage incr emental un point, sont etudi es en profondeur d es le d ebut des ann ees 2000. Les processus ont son application dans le d eveloppement des prototypes et pr esentent aussi du vrai potentiel dans la fabrication des produits uniques et dans des petits lots. Cette possibilit e o re des avantages parce que permit d'acc el erer le processus de design et d eveloppement de produit et de faire le projet des petites s eries economiquement viables. En plus, formage incr emental possibilit e la cr eation des nouvelles typologies de a aires a cause de ca contribution dans la fabrication des produits personnalis es et exclusives. Malgr e ca et comme celui est un processus tr es r ecent, pour l'instant, le formage incr emental n'a pas beaucoup de utilisation industrielle. L'objectif principal du travail pr esent e est de d evelopper des moyens que peut ^etre utilis es pour auxili e l'industrialisation do processus de formage incr emental un point et pr esenter des exemples pour des distinctes applications industrielles. La machine SPIF-A d evelopp e dans le D epartement de Ing enierie M ecanique de l'Universit e d'Aveiro est utilis ee pour l' etude du processus de formage incr emental. Nonobstant le potentiel du processus de formage incr emental pour fabriquer des surfaces de forme libre il y a quelques limitations g eom etriques. C a d epend du comportement du mat eriel et les param etres de travail. Les con gurations g eom etriques possibles et les lignes directrices de conception sont d e nies de fa con a possibilit e le dessein des pi eces faisables. L'Equipment n ecessaire pour la r ealisation des travaux de formage incr ementa et les param etres de travail sont etudi es en utilisant l'analyse de l' etat de l'art et des travaux exp erimentaux. Comme exemple des applications industrielles du formage incr emental, sont d evelopp ees et fabriqu es des pi eces. Les produits sont d evelopp es et avalis es de fa con a assurer qu'il respecte les exigences d e nis

COLLEGE OF ENGINEERING SCHOOL OF CIVIL ENGINEERING SIBLEY SCHOOL OF MECHANICAL ENGINEERING SCHOOL OF ELECTRICAL ENGINEERING SCHOOL OF CHEMICAL AND METALLURGICAL ENGINEERING DEPARTMENT OF ENGINEERING PHYSICS AGRICULTURAL ENGINEERING GRADUATE SCHOOL OF AERONAUTICAL ENGINEERING SEPTEMBER, 1958

Official publication of Cornell University V. 50 1958/5

Fabricación de medios fotónicos para el control de la emisión y transporte de luz

Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física de Materiales. Fecha de lectura: 15-07-2015This thesis is devoted to the development of advanced photonic materials and their potential implementation in multifunctional systems. It reports the fabrication and characterization of two dimensional photonic crystals, specifically inverse monolayers of silica. A fabrication protocol introducing some novelties is presented, which allows to grow composite monolayers in a one step method and porous membranes, by sacrificing one of the components. This work is partially extended in an attempt towards the fabrication of porous membranes of silicon. The growth of three dimensional photonic crystals by self-assembly methods is discussed. Composite opals are grown by vertical deposition and coassembly techniques and several doping strategies with Rare Earth elements are tested. The aim of this work is to search for photonic effects, in the infrared region of trivalent erbium photoluminescence, induced by the presence of a pseudogap in silica inverse opals or by a full photonic bandgap in silicon ones. We further describe a replica molding procedure, adequate to imprint two dimensional gratings in the surface of shape memory polymers, by using self-assembled colloidal monolayers as templates. The obtained crystals are characterized with different techniques to assess their structural and optical properties. Their applicability in new multifunctional photonic devices with programmable and self-healing capabilities is ascertained. The possibility of using shape memory polymers to fabricate new nanocomposites containing titania nanoparticles that may perform as functional photonic white paints is additionally explored. Furthermore, their potential use as shape programmable active media is verified by doping them with organic dyes. Systematic photoluminescence studies are performed

NASA Tech Briefs, Summer 1977

Topics: NASA TU Services: Technology Utilization services that can assist you in learning about and applying NASA technology; New Product Ideas: A summary of selected Innovations of value to manufacturers for the development of new products; Electronic Components and Circuits; Electronic Systems; Physical Sciences; Materials; Life Sciences; Mechanics; Machinery; Fabrication Technology; Mathematics and Information Sciences

Space Benefits: The secondary application of aerospace technology in other sectors of the economy

Some 585 examples of the beneficial use of NASA aerospace technology by public and private organizations are described to demonstrate the effects of mission-oriented programs on technological progress in the United States. General observations regarding technology transfer activity are presented. Benefit cases are listed in 20 categories along with pertinent information such as communication link with NASA; the DRI transfer example file number; and individual case numbers associated with the technology and examples used; and the date of the latest contract with user organizations. Subject, organization, geographic, and field center indexes are included

Magnetic components and microfluidics optimization on a Lab-on-a-chip platform

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Sinais e Imagens Médicas), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017Desde 1934, quando Moldovan criou o primeiro instrumento que poderia ser descrito como um citómetro de fluxo, este equipamento tornou-se um importante componente em várias especialidades dentro do laboratório clínico para o diagnóstico, prognóstico e monitorização de um número incontável de doenças. Esta tecnologia biofísica suspende entidades biológicas num fluxo de fluido, sinalizando-as usando reconhecimento biomolecular, para depois as detetar através de um aparelho de detecção eletrónica. Com o crescimento das técnicas de fabricação de semicondutores e microfluídos, foram e continuam a ser feitas muitas tentativas de criar citómetros de fluxo do tipo Lab-on-a-Chip (LOC), o que certamente irá afastar os equipamentos usados hoje me dia nos laboratórios por equipamentos usados in situ de custo e tamanho reduzidos, portáteis e sem necessidade de pessoal especializado. Após uma revisão bibliográfica das técnicas e princípios de funcionamento dos equipamentos já existentes foi possível perceber que a utilização de partículas magnéticas (PM) pode ter várias vantagens quando comparadas com o uso convencional de deteção por fluorescência, removendo assim a necessidade de integrar e alinhar componentes ópticos, permitindo uma medição direta e a construção de um citómetro de fluxo LOC com preparação, separação e deteção de amostras totalmente magnético. No INESC-MN foi feito um protótipo que permite a deteção de um tipo de PMs em tempo real a velocidades da ordem de cm/s usando sensores magnetoresistivos integrados em canais microfluídicos mas a primeira demonstração desta técnica para aplicações de citómetro foi realizada através da detecção de células Kg1-a marcadas com PMs de 50 nm que passaram, através de um canal microfluídico, sobre 3 sensores magnetoresistivos demonstrando que, para amostras de elevada concentração, pode ter a mesma eficiência que um hemocitómetro, mas com menor erro. Tendo como ambição um dispositivo LOC capaz de contar várias entidades biológicas na mesma amostra, um módulo de contagem com vários canais paralelos é necessário. Nesse sentido, foi projetado um novo chip com 4 colunas separadas por 3 mm, cada uma com 7 sensores do tipo válvula de spin (SV) com uma área de deteção de 100x4 μm2 distanciados 150 μm uns dos outros. Os sensores são abordados individualmente por uma linha de corrente de alumínio de 300 nm e passivados com 300 nm de nitreto de silicio. Alinhados com as colunas de sensores, 4 canais de polydimethylsiloxane (PDMS) com uma secção de 20 μm de altura e 100 μm de largura foram irreversivelmente colados ao chip por ultravioleta-ozono (UVO) criando o canal onde a amostra irá fluir. Para que as PMs sinalizem a sua passagem é necessário colocá-las sob um campo magnético forte o suficiente para induzir a sua magnetização e para que, consequentemente, as PMs emanem um campo marginal significativo. Aproveitando a insensibilidade das SVs às componentes perpendiculares ao seu plano (xy), aplica-se um campo magnético nesse sentido (z) para magnetizar as partículas. As PMs ao passarem sobre o sensor geraram um sinal bipolar devido ao campo marginal criado pela sua magnetização perpendicular. Como é apresentado na simulação do sinal, a amplitude do mesmo depende apenas da altura da partícula em relação ao sensor e da magnetização das mesmas, idealmente, uma saturação da magnetização das partículas e o máximo de proximidade aos sensores geraria a maior amplitude possível. O campo magnético perpendicular foi criado usando um magnete de neodímio posicionado sob a placa de circuito impresso (PCB), onde o chip do citómetro é colado e as ligações entre o chip e a PCB soldadas por ultrassons com fio de alumínio. Na abordagem usada em Loureiro et al., 2011, um magnete de 20 mm x 10 mm x 1 mm foi simplesmente colado sob a PCB, mas devido aos campos magnéticos serem sempre fechados as componentes x e y criam desvios nas curvas de transferência dos sensores deixando apenas 1 ou 2 sensores de uma coluna do chip operacionais. Numa abordagem seguinte foi usado um magnete 20 mm x 20 mm x 3 mm distanciado 2 cm abaixo da PCB, isto tornou as curvas de transferência dos sensores adequadas para medição, mas fez com que a componente z do campo magnético não fosse grande o suficiente para que as PMs emanassem um campo magnético suficientemente forte. Percebendo as falhas de cada uma das configurações anteriores, foram feitas simulações do campo magnético que iria influenciar o chip originado por magnetes de vários tamanhos a várias distancias para perceber qual conseguiria fornecer uma maior área em que as componentes x e y fossem menores que 10 Oe e em que a componente z fosse de pelo menos 1 kOe. Através das simulações foi concluído que o magnete de 20 mm x 10 mm x 1 mm o mais próximo possível do chip seria a melhor solução, mas que um alinhamento preciso seria necessário. Para esse fim, foi fabricado numa fresadora um sistema de alinhamento em PMMA. Para que o alinhamento fosse o correto foram feitos 4 furos de alinhamento no sistema de PMMA e na PCB e para reduzir a distancia ao máximo foi feita uma bolsa na PCB da mesma área que o chip deixando a distancia do magnete aos sensores de 1 mm (0.3 mm de PCB + 0.7 mm de substrato de silício). Com isto, o alinhamento em x foi conseguido, mas para alinhar em y foi criado um trilho no sistema de PMMA onde o magnete pudesse deslizar, controlando-o pela rotação de um parafuso com passo de 0.5 mm. Para colocar o magnete na posição ideal, foi medida consecutivamente a curva de transferência do 4º sensor de uma das colunas, num campo magnético de -141 Oe a 141 Oe, até que este tivesse um campo de acoplamento efectivo (Hf) de aproximadamente 0 Oe, o que significa que a curva de transferência estaria perfeitamente centrada em zero e criaria um sinal bipolar perfeito. Após o alinhamento e posicionamento do magnete, todos os sensores foram caracterizados e, nesses resultados, podemos ver perfeitamente o efeito das componentes x e y do magnete. Com o lado longo do magnete paralelo ao lado longo das SVs e alinhado de forma que o Hf fosse o mais próximo de 0 Oe no 4º sensor de uma coluna, percebemos que a componente x (lado longo) do campo magnético criado pelo magnete tem efeitos na sensibilidade dos sensores fazendo com que esta caia à medida que nos afastamos do centro do magnete. Enquanto que a componente y tem efeitos sobre o Hf dos sensores tornando-o mais positivo à medida que medimos a 3ª, 2ª e 1ª linha de sensores e tornando-o mais negativo quando medimos a 5ª, 6ª e 7ª linha. São também apresentadas simulações dos canais microfluídicos para perceber como a velocidade das partículas afeta o sinal e qual a velocidade máxima permitida para que placa de aquisição eletrónica seja capaz de o detetar. Com estas conclusões, um novo chip foi desenhado e fabricado. Neste novo chip a distância entre as colunas de SVs foi reduzida para apenas 1 mm, o que obrigou também à alteração dos canais microfluídicos, ao tamanho do chip e da estrutura de PDMS. Também são apresentadas simulações que mostram que se um segundo magnete, alinhado com o primeiro, for colocado sobre os canais microfluídicos poderá melhorar a magnetização e a homogeneidade do campo, o que permitirá que os 4 canais tenham a mesma sensibilidade e um desvio padrão de Hf menor. Todos os antecedentes teóricos, os métodos de microfabricação e técnicas de caracterização usados são apresentados e descritos.The diagnosis, prognosis and monitoring of diseases serves for the only purpose of preserving and improving life. Being this the greatest objective of the human kind, since ever that efforts have been made to better our ways to do that. One of those, a very important component in several specialties within the clinical laboratory is the flow cytometer, a biophysical technology which uses biomolecular recognition to sort and count biological entities by suspending them in a stream of fluid and detecting them through an electronic detection apparatus. The improvement of the semiconductor and microfluidic fabrication techniques have created the chance to bring the expensive, specialized and bulky equipment out of the laboratories and generate new machines able of having the same efficiency but with smaller price, size, allowing portability and removing the need for specialized personnel. This is the concept behind the next generation of in pointof- care apparatus, the La-on-a-Chip (LOC). At INESC-MN it is understood the potential that magnetic particles (MP) have in a LOC flow cytometer and as such a real-time detection of single magnetic particles magnetoresistive based cytometer was prototyped. Demonstration of this technique for cytometer applications was accomplished by indicating that for high concentration samples it can have the same efficiency as the hemocytometer method but with lesser error. This thesis has as objective the optimization of the magnetic and microfluidic components of a LOC to allow the parallelization of measurements and enabling the real-time measurement of different particles at the same time. For this purpose, a bibliographic review of the theoretical backgrounds, of the fabrication and characterization techniques, of the different detecting principles and of the already existing magnetoresistive counting modules was made to get a deeper understanding of the optimization possibilities. The present work describes the above-mentioned platform for dynamic detection of magnetic labels with a magnetoresistive based flow cytometer, where a permanent magnet is used to magnetize the labels enabling them to trigger the sensor. Several simulations of the magnetic fields created by the permanent magnet and the microfluidic channels were done and analyzed in order to characterize the MPs signal, understand which would be the best positioning of these components and which fluid velocities would be in the range of the electronic read-out capabilities. This study led to the fabrication of a micromachined polymethylmethacrylate (PMMA) alignment system to correctly position the permanent magnet under the cytometer’s chip. This made the control over the magnet’s positioning more sensible and thus reducing the influence of its unwanted magnetic components on the chip. The approximation of the magnet to the chip enhanced the signal by optimizing the MPs magnetization and consequently the signal amplitude, the precise alignment corrected the sensors response by improving its sensitivity and removing them from saturation states. Through this new setup all the sensors in the chip became operational. Finally, using the several techniques of microfabrication also describe in this thesis, a new chip was designed and fabricated to improve even more the sensors sensitivity and consequently augment the number of the cytometer’s counting channels