Accurate prediction of melt pool shapes in laser powder bed fusion by the non-linear temperature equation including phase changes - isotropic versus anisotropic conductivity

In this contribution, we validate a physical model based on a transient temperature equation (including latent heat) w.r.t. the experimental set AMB2018-02 provided within the additive manufacturing benchmark series, established at the National Institute of Standards and Technology, USA. We aim at predicting the following quantities of interest: width, depth, and length of the melt pool by numerical simulation and report also on the obtainable numerical results of the cooling rate. We first assume the laser to posses a double ellipsoidal shape and demonstrate that a well calibrated, purely thermal model based on isotropic thermal conductivity is able to predict all the quantities of interest, up to a deviation of maximum 7.3\% from the experimentally measured values. However, it is interesting to observe that if we directly introduce, whenever available, the measured laser profile in the model (instead of the double ellipsoidal shape) the investigated model returns a deviation of 19.3\% from the experimental values. This motivates a model update by introducing anisotropic conductivity, which is intended to be a simplistic model for heat material convection inside the melt pool. Such an anisotropic model enables the prediction of all quantities of interest mentioned above with a maximum deviation from the experimental values of 6.5\%. We note that, although more predictive, the anisotropic model induces only a marginal increase in computational complexity

Suitably graded THB-spline refinement and coarsening: Towards an adaptive isogeometric analysis of additive manufacturing processes

In the present work we introduce a complete set of algorithms to efficiently perform adaptive refinement and coarsening by exploiting truncated hierarchical B-splines (THB-splines) defined on suitably graded isogeometric meshes, that are called admissible mesh configurations. We apply the proposed algorithms to two-dimensional linear heat transfer problems with localized moving heat source, as simplified models for additive manufacturing applications. We first verify the accuracy of the admissible adaptive scheme with respect to an overkilled solution, for then comparing our results with similar schemes which consider different refinement and coarsening algorithms, with or without taking into account grading parameters. This study shows that the THB-spline admissible solution delivers an optimal discretization for what concerns not only the accuracy of the approximation, but also the (reduced) number of degrees of freedom per time step. In the last example we investigate the capability of the algorithms to approximate the thermal history of the problem for a more complicated source path. The comparison with uniform and non-admissible hierarchical meshes demonstrates that also in this case our adaptive scheme returns the desired accuracy while strongly improving the computational efficiency.Comment: 20 pages, 12 figure

Dosimetric comparison and time consuming evaluations for neoadjuvant 5-fields versus 7-fields Intensity-Modulated Radiation Therapy for locally advanced rectal cancer.

Aims and background: Preoperative  multidrug - chemoradiotherapy schedule (PCR) is proven to be the standard approach in patients with locally advanced rectal cancer (LARC).  The main limiting factor of PCR delivery is severe acute gastrointestinal (GI) toxicity due to the small bowel irradiated volume. Compared to 3-dimensional conformal radiation therapy (3DCRT), intensity-modulated radiotherapy (IMRT) plans, with 7 or more fields, by highly conformal dose distributions, will minimize the dose received by small bowel, but required an increase in overall treatment time. The purpose of this study was to investigate if simple IMRT plans were comparable to conventional 7-fields IMRT in terms of dose distribution, with the advantage of reducing time delivery.Twelve patients with histologically proved LARC underwent PCR with concurrent chemotherapy with Oxaliplatin 50 mg/m2 intravenously weekly x 6 weeks + Capecitabine 1500 mg/mq day (on days 1,14 every 21 days) and 7-field IMRT step-and -shoot technique at the cumulative dose of 50.4 Gy to the target volume, with conventional fractionation schedule of 1.8 Gy each day. Dose calculation for selected Organ at Risks (OARs) such as femoral heads, bladder and small bowel, were performed. Without exceeding OARs dose constraints or compromising target coverage, for each treated patients, a simpleIMRT plan with 5 fields was computed and retrospectively compared with 7-field IMRT. Dosimetric parameters and treatment time data were analized. As expected, homogeneity of dose distribution was significantly better for 7F-IMRT than 5F-IMRT; while in terms of Conformation Number, as proposed by vant Riet et. Al, we registered no statistically significant differences between the two IMRT techniques resulting in equal sparing of healthy tissues. We recorded a median delivering treatment time of 7.9 minutes for 5F-IMRT and of 12.3 minutes for 7F-IMRT, with a difference statistically significant. This preliminary study demonstrated that the reduction in the number of fields obtained with the 5F-IMRT is a strategy to improve treatment time delivery without a detriment in target coverage and normal tissue sparing in PCR for LARC patients

Studio di fattibilità sul sistema di depurazione delle acque reflue per le località di Marina di Grosseto e Principina a Mare

INTRODUZIONE Lo scopo del seguente elaborato è quello di valutare un’ipotesi d’intervento sul sistema di depurazione dei reflui provenienti da Marina di Grosseto e Principina a Mare. Gli impianti esistenti in entrambe le località presentano, infatti, una serie di problemi che si scontrano con l’attuale normativa in materia di tutela delle acque dall’inquinamento e con l’impatto ambientale esercitato su aree di elevato interesse turistico e paesaggistico. Inoltre sia la gestione, che la manutenzione ordinaria di entrambi appaiono evidentemente troppo onerose per l’ente gestore data l’età degli impianti stessi. Il percorso che ha portato alla definizione di tale proposta d’intervento è stato strutturato in tre fasi. In una prima fase di tipo conoscitivo, si è cercato di definire l’effettiva utenza da servire, imput fondamentale per poter presupporre qualsiasi tipologia di intervento. Le problematiche riscontrate hanno riguardato: • La variabilità della popolazione nei diversi periodi dell’anno, • Il trend in costante crescita dei flussi turistici, come riscontrato dai rapporti annuali dell’osservatorio Istat e dell’osservatorio del turismo della Regione Toscana. Dal confronto e dall’analisi dei dati raccolti è stato possibile definire dei tassi di crescita relativi sia alla popolazione residente che alla popolazione fluttuante. Dall’analisi invece delle portate in ingresso ai due impianti esistenti, fornite da Acquedotto del Fiora s.p.a., è stato possibile risalire agli abitanti equivalenti serviti. Applicando i tassi, riscontrati e supposti costanti, alle utenze servite, ricavate dai dati sulle portate in ingresso, è stato possibile definire una curva di crescita applicabile ad un periodo di riferimento di 25 anni, pari cioè alla vita utile minima di qualsiasi intervento proposto. Nella seconda fase, partendo dall’ effettiva utenza da servire, è stato possibile ipotizzare le seguenti soluzioni d’intervento: • invio verso l’impianto municipale di San Giovanni dei reflui provenienti da entrambe le località; • upgrading degli impianti di depurazione esistenti; • centralizzazione dei due impianti in uno unico di nuova realizzazione. Per ciascuna ipotesi avanzata è stata fatta una valutazione di carattere tecnico economica e dal confronto delle stesse si è giunti all’individuazione di una soluzione, rappresentata dall’istallazione di un nuovo impianto in cui venga centralizzato il trattamento dei reflui sia di Marina di Grosseto che di Principina a Mare. Nella terza e ultima fase si è proceduto alla stesura del progetto preliminare della soluzione trovata fornendo due opzioni relative allo schema impiantistico da adottare. La prima opzione prevede l’istallazione di un impianto di depurazione a fanghi attivi del tipo a schema classico con stabilizzazione dei fanghi attraverso digestore aerobico e successiva fitomineralizzazione degli stessi. La scelta di tale schema impiantistico suppone i seguenti vantaggi: • modesti costi realizzativi • elevata flessibilità ai diversi regimi di funzionamento • ridotta attività di manutenzione • livello di rumorosità contenuto • alto rendimento depurativo Nella seconda opzione, su richiesta dell’ente gestore, è stato sviluppato un schema di impianto che prevede l’utilizzo della tecnologia MBBR a cui fa seguito sempre una stabilizzazione aerobica dei fanghi e una fitomineralizzazione degli stessi. I vantaggi di tale sistema possono essere comparabili con lo schema di impianto a fanghi attivi e anche se presenta costi di gestione leggermente più alti a causa delle maggiori concentrazioni di ossigeno richieste per il comparto biologico, permette una notevole riduzione delle volumetrie nell’ordine del 25%. In ambedue schemi proposti, si è optato per il trattamento finale dei fanghi tramite la fitomineralizzazione che, come dimostrato dai recenti studi pubblicati dall’Università di Pisa, garantisce buoni risultati di disidratazione e mineralizzazione oltre che consentire un notevole contenimento dei costi di gestione e smaltimento degli stessi

Grafene: Proprieta, sintesi e applicazioni

Nel 2004 due Fisici dell’Università di Manchester, nel Regno Unito, hanno isolato per la prima volta un materiale dallo spessore di un singolo atomo: il grafene. Questo materiale, composto da un reticolo di atomi di carbonio disposti a nido d’ape, possiede interessanti proprietà chimiche e fisiche, tra le quali una elevata resistenza chimica e meccanica, un’eccellente trasporto termico ed elettrico ed una elevata trasparenza. Il crescente fermento attorno al grafene ha suscitato un forte interesse a livello europeo, al punto che il 28 gennaio di quest’anno la Comunità Europea ha approvato i due più grandi progetti di ricerca mai finanziati in Europa. Tra questi il Graphene Flagship Project (www.graphene-flagship.eu) che coinvolge oltre 120 gruppi di ricerca da 17 Stati Europei e distribuirà nei prossimi anni 1,000 milioni di euro per lo sviluppo di tecnologie e dispositivi a base grafene. Nel mio elaborato di Tesi ho seguito le ricerche del gruppo grafene dell’Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi del Consiglio Nazionale delle Ricerche di Bologna, approfondendo il funzionamento del sistema di sintesi di questo materiale chiamato Chemical Vapour Deposition e le tecniche sperimentali che permettono il trasferimento del grafene su substrati come il silicio, ma anche materiali polimerici flessibili come il PET, per la realizzazione di elettrodi conduttivi, trasparenti per applicazioni nell’elettronica flessibile. Questa esperienza e stata molto importante per la mia formazione e mi ha dato modo di lavorare ad un soggetto di ricerca cosi attuale, importante e promettente come il grafene. Nutro personalmente grande passione e aspettativa per questo materiale e sono convinto che nel prossimo futuro la tecnologia del grafene saprà entrare nella vita quotidiana di tutti noi