Il corso di dottorato di ricerca in Meccanica Applicata si propone di fornire all'allievo una serie di conoscenze di carattere tecnico e scientifico in alcune branche di punta della meccanica applicata di interesse per i processi di innovazione dei relativi settori applicativi. Per ogni settore è stato tracciato un ambito curricolare.
Benché ciascuno dei settori individuati richieda tecniche specifiche, essi condividono la necessità di una solida preparazione meccanica teorica ed applicativa nonché la capacità di seguire l’intero iter che prevede lo sviluppo di modelli matematici adeguati, la loro validazione per via teorica, simulativa e sperimentale nonché la loro applicazione per la risoluzione di problemi concreti.
La ricerca riguarda sia la soluzione di specifici problemi scientifici, sia lo sviluppo di tecniche di progetto di carattere generale.
L'addestramento prevede una formazione di carattere teorica, tecnica e scientifica che metta in grado l'allievo di compiere ricerca negli ambiti indicati che paiono di interesse nelle aree industriali di possibile sbocco occupazionale degli allievi.
Più specificamente i curricula previsti sono:
a) Robotica e Automazione Industriale
b) Biomeccanica
c) Sistemi Avanzati di Progettazione
d) Meccanica dei Sistemi
e) Meccanica del Veicolo
f) Sistemi avanzati di manifattura
g) Elaborazione e gestione della documentazione di prodotto.
h) Relazioni tra morfologia, funzionalità, sicurezza e percezione
La formazione dei dottorandi comprenderà le seguenti attività:
a) la frequenza ad attività didattiche istituzionalizzate (corsi istituzionali e/o atipici)
b) la frequenza a seminari in qualità di discente
c) la partecipazione a seminari e convegni anche in qualità di relatore
d) lo sviluppo di attività di ricerca su uno o più temi tra esso correlati che, oltre a sfociare nella dissertazione finale per il conseguimento del titolo (major thesis), possono sfociare in uno o più ulteriori elaborati (minor thesis).
L’attività di ciascun dottorando verrà stimolata e monitorata da un docente tutore assegnato dal collegio docenti.
Il tutore affiancherà il dottorando nella esecuzione delle ricerche curando il raggiungimento dei risultati scientifici attesi nonché la formazione scientifica dell’allievo.
Oltre all’attività specificatamente organizzata dal collegio docenti, il dottorando potrà completare la sua formazione frequentando altri corsi offerti dalla facoltà, partecipando a convegni scientifici o seminari o giornate di studio organizzate da università o enti esterni.
Oltre alle attività atipiche, ad ogni dottorando potrà essere richiesta indicativamente la frequenza a corsi tipici per un totale di 25 crediti da conseguire nei primi due anni.
Al dottorando, in accordo con il relativo tutore, può essere assegnata una limitata attività didattica a carattere seminariale che gli consenta di affinare le sue capacità di sintesi e comunicazione in ambito scientifico.
Il piano formativo di ciascun dottorando verrà da lui elaborato annualmente in accordo con il tutore e dovrà essere approvato dal collegio docente.
a) Robotica e Automazione Industriale
Il campo è quello della movimentazione programmabile degli attuatori flessibili che coinvolge una vastissima serie di problematiche a carattere interdisciplinare. Per quanto attiene più specificatamente le tematiche del presente dottorato le ricerche tipiche sono quelle tendenti ad ottimizzare il comportamento dinamico di attuatori articolati a più gradi di libertà con riferimento sia alle caratteristiche dei singoli azionamenti sia alle esigenze di movimentazione derivanti dal servizio richiesto al sistema. Le tematiche comprendono la modellizzazione dinamica di macchine automatiche e di robot a membri rigidi e flessibili, la loro sensoristica ed il loro controllo con tecniche tradizionali ed innovative, la calibrazione statica e dinamica.
Esempi applicativi comprendono: sistemi robotizzati per la diagnostica di difetti superficiali e applicazioni di robotica medica tra cui progetto e realizzazione di interfacce aptiche, controllo ibrido di posizione e forza, elementi per radioterapia conformazionale.
Il campo è quello dell'applicazione delle metodologie proprie della meccanica applicata alla soluzione di alcuni problemi riguardanti la meccanica del corpo umano.
Esempi di studio sono: analisi e modellizzazione cinematica e dinamica del movimento umano, modellizzazione e progettazione di protesi e ausili per disabili, analisi di esercizi sportivi, ottimizzazione di attrezzature sportive, riduzione di fratture con tutori esterni, modellistica dei tessuti molli, studio dell’interazione tra apparati automatici e parti del corpo umano.
Applicazioni di robotica medica tra cui: progetto e realizzazione di interfacce aptiche, controllo ibrido di posizione e forza, elementi per radioterapia conformazionale.
c) Sistemi Avanzati di Progettazione (Progettazione Meccanica Assistita)
Il campo è quello del progetto automatico di sistemi meccanici. Nel caso specifico la problematica riguarda i dispositivi adottati nelle macchine automatiche per la realizzazione di funzioni e/o movimenti.
Le ricerche tipiche sono quelle rivolte alla messa a punto di procedure automatiche per il progetto e l'ottimizzazione dei singoli dispositivi in termini di velocità, dimensionamento e dolcezza di funzionamento. Si tratta prevalentemente di tecniche interattive applicate al progetto di dispositivi meccanici a ciclo fisso.
Si tratta di porre l’allievo in grado di operare efficacemente nella modellazione e simulazione di sistemi complessi.
Tra le ricerche in atto si cita nell’ambito delle vibrazioni random il problema della caratterizzazione del comportamento elastodinamico delle giunzioni (componenti in gomma e polimeri) in sistemi meccanici complessi in relazione ai transitori termici introdotti dall’isteresi con l’impiego di particolari shaker a più gradi di libertà e la conseguente gestione sala prove vibrazionali tipo “four poster”.
Altri esempi applicativi sono: modellazione e controllo di meccanismi articolati in presenza di elasticità dei membri, modellazione e controllo di attuatori per impianti di distribuzione del gas.
Il campo è quello della modellizzazione e progettazione di veicoli a 2 o 4 ruote, specialmente se caratterizzate da prestazioni non convenzionali.
Esempi di studio: handling & ride di veicoli ad alte prestazioni (formula 1, superbike), progettazione di veicoli a trazione ibrida, sviluppo di veicoli adatti alle esigenze di utenti disabili, studio del confort e della sicurezza su veicoli di uso sportivo, civile e medico (ambulanze), acquisizione ed analisi dati provenienti da telerilevamento o sala prove vibrazionali.
f) Sistemi avanzati di manifattura
L’ambito della ricerca è lo studio teorico/sperimentale, con possibile prototipazione di componenti, dispositivi o sistemi per la manifattura con impatto prioritario nei settori del "made in Italy". Tra questi, in maniera non esclusiva, si considerano macchine utensili, tessile, abbigliamento, meccanica strumentale, biomedicale, elettromedicali. Queste applicazioni richiedono componenti, sensori ed attuatori particolarmente performanti nonché metodologie avanzate per la loro gestione.
In questi settori si richiedono talvolta agli attuatori doti speciali di modularità, dimensioni compatte, buona controllabilità, alta velocità di posizionamento, integrabilità e connessione con vincoli complessi, rigidezza, basso costo. I componenti devono essere realizzati con tecniche e materiali innovativi tra i quali, in maniera esemplificativa e non esaustiva, si trovano materiali compositi, a memoria di forma, super elastici, piezoelettrici, organici o biologici. Nel caso di dispositivi medici assumono poi notevole importanza ulteriori aspetti tra cui biocompatibilità, sterilizzabilità, durata, impiantabilità.
Il curriculum comprende inoltre sistemi classici con modalità innovative di controllo. Ad esempio, illustrativo e non esaustivo, i robot industriali con controllo dell'interazione con l'ambiente (ad es. di forza o ibrido forza-velocità).
g) Elaborazione e gestione della documentazione di prodotto
La documentazione di prodotto, un tempo limitata essenzialmente ai disegni costruttivi ed alle distinte base, si è arricchita di numerosi elementi che hanno ormai acquisito importanza strategica nella economia aziendale. La vita del prodotto, specialmente, ma non solo, nella fase di progetto, è seguita e razionalizzata da una rete di documenti che ne seguono lo sviluppo e le interazioni con tutti gli attori della progettazione e della produzione. Il tutto diventa particolarmente importante in casi di progettazioni complesse, spesso frutto di collaborazioni tra enti diversi, talvolta anche geograficamente lontani. Vi sono mezzi informatici orientati alla progettazione collaborativa ed alla simulazione in ambito virtuale il cui sviluppo e la cui conoscenza sono sempre più importanti. Inoltre la documentazione di prodotto si estende anche all’area della comunicazione commerciale e del marketing, aprendo scenari sempre più complessi.
h) Relazioni tra morfologia, funzionalità, sicurezza e percezione
La morfologia dei componenti meccanici è stata tradizionalmente dettata da esigenze di funzionalità, realizzabilità ed economia. Attualmente, con lo spostamento dell’attenzione dal prodotto industriale al prodotto di largo consumo, alla morfologia intesa in senso lato (colore, sensazione tattile, materiale, …) sono affidati anche altri compiti, specialmente legati alla percezione da parte dell’utilizzatore finale. E’ noto che tale percezione, oltre a rivestire rilevanza ai fini del gradimento, e quindi del successo commerciale del prodotto, ne condiziona anche la sicurezza d’uso. Ad esempio vi sono forme più adatte di altre ad attrarre l’attenzione dei bambini, e quindi a rendere più frequenti degli indesiderabili usi impropri dell’oggetto. Si ritiene importante che l’ingegnere progettista approfondisca queste tematiche.