[ES] En los últimos años, la fabricación aditiva a través de la extrusión de materiales ha experimentado un desarrollo y adopción acelerados gracias a la amplia disponibilidad de máquinas y materiales de bajo costo. El tamaño de estas máquinas se ha reducido del tamaño del taller al tamaño del escritorio, lo que permite su uso en configuraciones de oficina o en el hogar. Este cambio ha permitido la adopción de la tecnología por la gama más amplia de usuarios que nunca, con o sin experiencia en diseño de ingeniería. Este nuevo paradigma ha creado el desafío de cómo habilitar que estos nuevos usuarios aprovechen las capacidades proporcionadas por esta tecnología. Esta tecnología permite la creación de geometrías complejas y productos personalizados con un coste inferior a los procesos de fabricación convencionales. Además, la gran cantidad de usuarios dispuestos a compartir sus diseños permite encontrar soluciones de diseño desde otros diseñadores. Sin embargo, la amplia gama de configuraciones de máquina, parámetros y materiales requiere brindar soporte para obtener resultados exitosos para cualquier combinación. Esta tesis aborda este desafío identificando las características de diseño y fabricación a considerar e investigando las consideraciones mecánicas y de pos procesamiento. Se propone y evalúa un nuevo marco de diseño que permite a los nuevos usuarios aprovechar las capacidades y considerar las limitaciones. Esta investigación encuentra que es posible crear un conjunto de herramientas de diseño que permita a los usuarios no capacitados diseñar productos utilizando la complejidad habilitada por la tecnología al tiempo que garantiza la funcionalidad y la capacidad de fabricación del producto. / [CA] En els últims anys, la fabricació additiva a través de l'extrusió de materials ha experimentat un desenvolupament i adopció accelerats gràcies a l'àmplia disponibilitat de màquines i materials de baix cost. La grandària d'aquestes màquines s'ha reduït de la grandària del taller a la grandària de l'escriptori, la qual cosa permet el seu ús en configuracions d'oficina o en a casa. Aquest canvi ha permés l'adopció de la tecnologia per la gamma més àmplia d'usuaris que mai, amb o sense experiència en disseny o enginyeria. Aquest nou paradigma ha creat el desafiament de com habilitar que aquests nous usuaris aprofiten les capacitats proporcionades per aquesta tecnologia. Aquesta tecnologia permet la creació de geometries complexes i productes personalitzats amb un cost inferior als processos de fabricació convencionals. A més, la gran quantitat d'usuaris disposats a compartir els seus dissenys permet trobar solucions de disseny des d'altres dissenyadors. No obstant això, l'àmplia gamma de configuracions de màquina, paràmetres i materials requereix brindar suport per a obtindre resultats reeixits per a qualsevol combinació. Aquesta tesi aborda aquest desafiament identificant les característiques de disseny i fabricació a considerar i investigant les consideracions mecàniques i de post processament. Es proposa i avalua un nou marc de disseny que permet als nous usuaris aprofitar les capacitats i considerar les limitacions. Aquesta investigació troba que és possible crear un conjunt d'eines de disseny que permeta als usuaris no capacitats dissenyar productes utilitzant la complexitat habilitada per la tecnologia al mateix temps que garanteix la funcionalitat i la capacitat de fabricació del producte. / [EN] In recent years, additive manufacturing through material extrusion has experienced accelerated development and adoption thanks to the wide availability of low-cost machines and materials. The size of these machines has been reduced from shop floor to desktop size, enabling their usage in office setups or at home. This change has allowed the adoption of the technology by the broadest range of users than ever, with or without an engineering design background. This new paradigm has created the challenge of how to enable these novel users to leverage the capabilities provided by this technology. This technology allows the creation of complex geometry and customised products with a cost lower than conventional manufacturing processes. Furthermore, the large number of users willing to share their designs allows finding design solutions from other designers. However, the wide range of machine configurations, parameters and materials requires providing support to obtain successful results under any combination. This thesis addresses this challenge by identifying the design and manufacturing characteristics to be considered and investigating the mechanical and post-processing considerations. A new design framework that enables new users to leverage the capabilities and consider the limitations is proposed and evaluated. This research finds that it is possible to create a design toolkit that enables untrained users to design products using the complexity enabled by the technology whilst ensuring the product's functionality and manufacturability. / Fernández Vicente, M. (2022). Analysis to Support Design for Additive Manufacturing with Desktop 3D Printing [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/185344

La impresión 3D es una tecnología emergente que está revolucionando la industria de la construcción. Un gran número de proyectos de construcción con impresión 3D usa como principal material el concreto a base de cemento Portland. No obstante, la producción del cemento es altamente contaminante, aportando cerca del 75% de los gases de efecto invernadero de la industria de la construcción. Por lo tanto, algunos investigadores han empleado a los geopolímeros como conglomerante hidráulico alternativo al cemento Portland. Sin embargo, la producción de los geopolímeros generalmente requiere una disolución alcalina que tiene un elevado costo y significativo impacto ambiental. Considerando este escenario, esta tesis plantea usar un residuo proveniente de la industria cervecera denominado tierra de diatomeas como activador alcalino alternativo. Al mezclarse con el catalizador gastado de craqueo catalítico (FCC) en polvo permitirá la producción de un mortero geopolimérico compatible con la tecnología de manufactura aditiva. Se realizó un plan experimental abarcando (i) el procesamiento y caracterización de los materiales (ii) la evaluación de propiedades en estado fresco de mortero geopolimérico (fluidez, trabajabilidad, capacidad de extrusión y edificabilidad) (iii) la validación del diseño de mezcla y (iv) la evaluación de la resistencia a la compresión del mortero geopolimérico. Se determinó que el polvo de FCC debía pasar por un proceso de molienda de 6 horas para llegar a un tamaño promedio de partícula de 17 μm y de esta manera mejorar su reacción con la disolución alcalina. Se realizó el diseño de mezclas mediante ensayos de extrusión por manga pastelera en donde se pudo observar la buena trabajabilidad de las mezclas. Se obtuvieron filamentos continuos y sin deformaciones geométricas, los cuales son una de las principales características de la impresión 3D. Mediante la impresión de elementos en 3D se validó la dosificación imprimible con una molaridad de NaOH en la disolución alcalina de 7, una relación disolución alcalina/materia prima de 1.04 y una relación agregado fino/materia prima de 2.91 que cumple con las características esperadas. También, se evaluó la resistencia a la compresión de todas las mezclas, en donde la dosificación imprimible tuvo una resistencia promedio de 10 MPa. La presente tesis abre una nueva línea de investigación del uso de residuos industriales para la fabricación de geopolímeros que cumplan con los requisitos para su aplicación en manufactura aditiva y brindando una alternativa de bajo impacto ambiental. / 3D printing is an emerging technology that is revolutionizing the construction industry. A large number of 3D printed construction projects use Portland cement-based concrete as their main material. However, cement production is highly polluting, contributing about 75% of the construction industry's greenhouse gases. Therefore, some researchers have used geopolymers as an alternative hydraulic binder to Portland cement. However, the production of geopolymers generally requires alkaline dissolution, which has a high cost and significant environmental impact. Considering this scenario, this thesis proposes to use a waste from the brewing industry called diatomaceous earth as an alternative alkaline activator. When mixed with spent catalytic cracking catalyst (FCC) powder, it will allow the production of a geopolymeric mortar compatible with additive manufacturing technology. An experimental plan was carried out covering (i) the processing and characterization of the materials (ii) the evaluation of fresh state properties of geopolymer mortar (flowability, workability, extrudability and buildability) (iii) the validation of the mix design and (iv) the evaluation of the compressive strength of the geopolymer mortar. It was determined that the FCC powder should go through a 6-hour grinding process to reach an average particle size of 17 μm and thus improve its reaction with the alkaline solution. The design of mixtures was carried out by means of extrusion tests with a pastry bag, where the good workability of the mixtures was observed. Continuous filaments were obtained without geometric deformations, which are one of the main characteristics of 3D printing. By printing 3D elements, the printable dosage was validated with a NaOH molarity in the alkaline solution of 7, an alkaline solution/raw material ratio of 1.04 and a fine aggregate/raw material ratio of 2.91, which complies with the expected characteristics. Also, the compressive strength of all the mixtures was evaluated, where at the printable dosage it had an average strength of 10 MPa. This thesis opens a new line of research on the use of industrial wastes for the manufacture of geopolymers that meet the requirements for their application in additive manufacturing and provide an alternative with low environmental impact.

El desarrollo de las tecnologías de la información y nuevos canales comunicación están modificando las preferencias y actitudes de los compradores hacia los bienes de consumo que adquieren. Por un lado, gracias a la venta on-line, una localización geográfica distinta a la de la tienda física deja de ser un impedimento, y por otro, se demandan en mayor medida bienes dotados de características avanzadas que se adapten a sus necesidades. A su vez, la aparición de nuevas tecnologías de fabricación, como la fabricación aditiva o impresión 3D, hacen posible dar respuesta a esta demanda, ya que permiten el desarrollo de productos avanzados técnicamente, que además pueden ser personalizados, o al menos adaptarse en gran medida a las características propias de diferentes grupos de individuos, lo cual se conoce como personalización masiva. Sin embargo el calzado tiene la limitación, por una parte, de que la única forma de evaluar su confort y talla adecuada es mediante prueba presencial. Esto es debido a que los métodos de escalado de hormas que utilizan los fabricantes son de naturaleza heterogénea y están faltos de armonización, de forma que la talla adecuada para un usuario puede variar en función del fabricante y/o tipo de modelo en relación a unas mismas dimensiones del pie. Por otra parte, no existen metodologías específicas de diseño para impresión 3D orientadas a los diferentes elementos que integran el zapato. A través de esta investigación se ha buscado dar respuesta a estas dos consideraciones mediante el desarrollo de metodologías CAD que permitan, en primer lugar, la obtención de tallas correctas de calzado no sólo en el ámbito local de la fábrica de zapatos, sino también en términos de mercado globalizado. En segundo lugar, el diseño y obtención de elementos del calzado (en este caso plantillas anatómicas y elementos correctores de la pisada) dotados de propiedades funcionales avanzadas a través de fabricación aditiva. Gracias a estas nuevas técnicas de automatización del diseño y producción del calzado, la industria puede alinearse con los nuevos requerimientos de la industria 4.0 en relación a la automatización y digitalización de procesos; y de personalización del producto y aumento de la flexibilidad del flujo productivo. La investigación realizada ha tenido como resultado la publicación de dos artículos en revistas JCR de alto impacto.

[ES] La industria de la construcción es un amplio sector industrial que abarca desde el diseño y la gestión de grandes infraestructuras como puentes hasta la construcción de viviendas civiles. Es mundialmente reconocido como un sector impulsor fundamental del Producto Interno Bruto, pero también se encuentra entre los de menor rendimiento y retraso en la adopción y explotación de mejoras tecnológicas. Estas limitaciones están induciendo a las partes interesadas a tomar prestadas e integrar muchas mejoras de otros campos industriales en el sector. Esta tendencia de digitalización se está extendiendo a lo largo de todo el ciclo de vida del proceso de construcción e identifica un enfoque desafiante debido al cambio de paradigma necesario de los sistemas físicos a los ciberfísicos. El concepto Industria 4.0 impulsó esta tendencia por lo que tanto en la academia como en la industria de la construcción se ha concretado como Construcción 4.0. Toma prestada de la Industria 4.0 la adopción de muchas tecnologías habilitadoras clave como Internet de las Cosas, Inteligencia Artificial y Fabricación Aditiva. Esta tesis investiga specíficamente esta integración tecnológica, centrándose en la aplicación de tales tecnologías habilitadoras en el campo de la construcción y considerando diferentes etapas en el ciclo de vida en diferentes tipologías de infraestructura. A partir de una investigación bibliográfica sobre sistemas inteligentes "holísticos" en la construcción de Edificios Inteligentes, a la manera de Gemelos Digitales, se estudia la influencia y la aplicación de tecnologías habilitadoras y herramientas TIC operativas relacionadas, como Internet de las Cosas y Big Data, desde una perspectiva de todo el ciclo de vida de las construcciones. Se estudia la fase de mantenimiento de grandes infraestructuras en materia de seguridad estructural y detección de fallos, mediante el desarrollo de un método de detección de daños en puentes ferroviarios de celosía metálica mediante inteligencia artificial. Luego se presenta una innovadora tecnología de fabricación aditiva para construcciones de gran altura. Consiste en una mejora de la tecnología de las grúas torre estándar con una extrusora personalizada, mientras que todo el sistema está controlado por un agente de inteligencia artificial. Concluimos que la Construcción 4.0 aún se encuentra en su etapa embrionaria. Se pueden obtener resultados más avanzados en la implantación tecnológica sobre infraestructuras existentes para su gestión de operación y mantenimiento debido al enfoque relacionado principalmente con la sensorización y análisis de datos. La innovación en la fase integrada de diseño/construcción sigue siendo más desafiante, debido a la necesidad de un paradigma completamente nuevo e innovaciones industriales en muchos campos diferentes. / [CA] La indústria de la construcció és un ampli sector industrial que abasta des del disseny i la gestió de grans infraestructures com a ponts fins a la construcció d'habitatges civils. És mundialment reconegut com un sector impulsor fonamental del Producte Intern Brut, però també es troba entre els de menor rendiment i retard en l'adopció i explotació de millores tecnològiques. Aquestes limitacions estan induint a les parts interessades a amprar i integrar moltes millores d'altres camps industrials en el sector. Aquesta tendència de digitalització s'està estenent al llarg de tot el cicle de vida del procés de construcció i identifica un enfocament desafiador a causa del canvi de paradigma necessari dels sistemes físics als ciberfísics. El concepte Indústria 4.0 va impulsar aquesta tendència pel que tant en l'acadèmia com en la indústria de la construcció s'ha concretat com a Construcció 4.0. Ampra de la Indústria 4.0 l'adopció de moltes tecnologies habilitants clau com a Internet de les Coses, Intel·ligència Artificial i Fabricació Additiva. Aquesta tesi investiga específicament aquesta integració tecnològica, centrant-se en l'aplicació de tals tecnologies habili- tants en el camp de la construcció i considerant diferents etapes en el cicle de vida en diferents tipologies d'infraestructura. A partir d'una investigació bibliogràfica sobre sistemes intel·ligents "holístics" en la construcció d'Edificis Intel·ligents, a la manera de Bessons Digitals, s'estudia la influència i l'aplicació de tecnologies habilitants i eines TIC operatives relacionades, com a Internet de les coses i Big Data, des d'una perspectiva de tot el cicle de vida de les construccions. S'estudia la fase de manteniment de grans infraestructures en matèria de seguretat estructural i detecció de fallades, mitjançant el desenvolupament d'un mètode de detecció de danys en ponts ferroviaris de gelosia metàl·lica mitjançant intel·ligència artificial. Després es presenta una innovadora tecnologia de fabricació additiva per a construccions de gran altura. Consisteix en una millora de la tecnologia de les grues torre estàndard amb una extrusora personalitzada, mentre que tot el sistema està controlat per un agent d'intel·ligència artificial. Concloem que la Construcció 4.0 encara es troba en la seua etapa embrionària. Es poden obtindre resultats més avançats en la implantació tecnològica sobre infraestructures existents per a la seua gestió d'operació i manteniment degut a l'enfocament relacionat principalment amb la sensorització i anàlisi de dades. La innovació en la fase integrada de disseny/construcció continua sent més desafiadora, a causa de la necessitat d'un paradigma completament nou i innovacions industrials en molts camps diferents. / [EN] The construction industry is a wide industrial sector ranging from the design and management of major infrastructures, such as bridges, to civil dwelling construction. It is worldwide acknowledged as a fundamental driving sector for the Gross Domestic Product, but it is also among the less performing and delayed ones in the adoption and exploitation of technological improvements. These limitations are inducing stakeholders to borrow and integrate many enhancements from other industrial fields into the sector. This digitalization trend is spreading through the entire life cycle of the construction process and identifying a challenging approach because of the paradigm shift needed from physical to cyber-physical systems. The Industry 4.0 concept boosted this trend so that both in the academy and in the construction industry it has been specified as Construction 4.0. It borrows from the Industry 4.0 the adoption of many key enabling technologies such as Internet of Things, Artificial Intelligence and Additive Manufacturing. This thesis investigates specifically this technological integration, focusing on the application of such enabling technologies in the construction field and considering different stages in the life cycle in varying infrastructure typologies. Starting from a literature investigation on "holistic" intelligent systems in Intelligent Buildings construction, in a Digital Twin fashion, the influence and the application of enabling technologies and related operative ICT tools such as Internet of Things and Big Data are studied, from a perspective of the whole constructions' life cycle. The maintenance phase of major infrastructures is studied concerning structural safety and fault detection, by developing a method to detect damages in railway steel truss bridges via artificial intelligence. An innovative additive manufacturing technology for high-rise constructions is then presented. It consists of an improvement with a custom extruder of standard tower crane technology, while the whole system is driven by an artificial intelligence agent. We conclude that Construction 4.0 is still at its embryonic stage. More advanced results are obtainable for the operation and maintenance management of existing infrastructures because of the already mature approach related to sensorization and data analysis. Innovation in the design/construction phase remains more challenging,because of the need for a completely new paradigm and industrial innovations in many different fields. / Parisi, F. (2023). Automation and Information Approaches to Support Maintenance and Production Management in the Construction Industry [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192826

Tesis por compendio / [ES] El principal objetivo de la presente tesis doctoral se centra en la obtención de poliésteres alifáticos con propiedades mejoradas para su empleo en procesos industriales aplicando técnicas de fabricación específicas de polímeros como son el proceso de inyección o la fabricación aditiva. Para alcanzar dicho objetivo se proponen diferentes estrategias como la incorporación de aditivos plastificantes de origen natural, la incorporación de cargas naturales, la obtención de mezclas con otros polímeros, así como la incorporación de aditivos orientados al sector médico. En una primera fase, se han estudiado los poliésteres alifáticos de la familia de los polihidroxialcanoatos - PHA. Las modificaciones realizadas a los polihidroxialcanoatos van desde la incorporación de residuos de cáscara de almendra para la obtención de composites, el desarrollo de mezclas binarias con poli(¿-caprolactona) para la mejora de las propiedades dúctiles y el análisis del efecto de diferentes plastificantes derivados de terpenoides, concretamente ésteres de geraniol. En esta primera fase se propone el uso del moldeo mediante inyección para la determinación precisa de las propiedades que alcanzan las formulaciones tras las modificaciones realizadas. Posteriormente se propone el uso de los polihidroxialcanoatos para su empleo en el sector médico debido a sus propiedades biocompatibles y bioabsorbibles. En un primer momento se opta por analizar el efecto de los parámetros a emplear en fabricación aditiva empleando PHA, siendo polímeros con una ventana de procesado bastante estrecha, y con una alta sensibilidad al grado de cristalinidad que alcanzan en función de las condiciones de enfriamiento. La incorporación de aditivos osteoconductores como la hidroxiapatita tiene un especial interés para la mejora del proceso de regeneración ósea; es por ello que se considera como aditivo para PHA en el sector médico. En un primer trabajo, se propone el uso del proceso de moldeo por inyección para determinar las propiedades que se obtienen con la incorporación de las nanopartículas de hidroxiapatita. Posteriormente, esas mismas formulaciones se emplean en impresión 3D para ofrecer una aplicación más directa al sector médico mediante la obtención de scaffolds que pueden ser empleados en procesos de regeneración ósea. Finalmente, esta tesis aborda el empleo de ácido poliláctico - PLA, empleando las técnicas de conformado mediante inyección y fabricación aditiva. El PLA es un poliéster alifático con propiedades y coste interesante, pero presenta una elevada fragilidad; es por ello que el uso de plastificantes naturales derivados de ésteres del ácido itacónico ofrece una especial relevancia para el desarrollo de formulaciones con alta ductilidad. Adicionalmente, el PLA es un material con alto interés en fabricación aditiva. El empleo de diferentes patrones y la cantidad de relleno tiene un efecto marcado sobre el comportamiento mecánico de los componentes fabricados mediante impresión 3D, que también está vinculado con el tiempo necesario para completar la impresión. Una de las aplicaciones interesantes de la fabricación aditiva con PLA, es la fabricación de dispositivos médicos con la capacidad de ser reabsorbidos por el cuerpo humano de forma progresiva. En este sentido se propone el diseño y validación de una prótesis de fijación ósea para fémur. / [CA] El principal objectiu de la present tesi doctoral se centra en l'obtenció de polièsters alifàtics amb propietats millorades per al seu ús en processos industrials aplicant tècniques de fabricació específiques de polímers com són el procés d'injecció o la fabricació additiva. Per a aconseguir aquest objectiu es proposen diferents estratègies com la incorporació d'additius plastificants d'origen natural, la incorporació de càrregues naturals, l'obtenció de mescles amb altres polímers, així com la incorporació d'additius orientats al sector mèdic. En una primera fase, s'han estudiat els polièsters alifàtics de la família dels polihidroxialcanoats - PHA. Les modificacions realitzades als polihidroxialcanoats van des de la incorporació de residus de corfa d'ametla per a l'obtenció de compòsits, el desenvolupament de mescles binàries amb poli(¿-caprolactona) per a la millora de les propietats dúctils i l'anàlisi de l'efecte de diferents plastificants derivats de terpenoids, concretament èsters de geraniol. En aquesta primera fase es proposa l'ús del moldeig mitjançant injecció per a la determinació precisa de les propietats que aconsegueixen les formulacions després de les modificacions realitzades. Posteriorment es proposa l'ús d'aquests polihidroxialcanoats per al seu ús en el sector mèdic donat que tenen propietats biocompatibles i bioabsorbibles. En un primer moment s'opta per analitzar l'efecte dels paràmetres a emprar en fabricació additiva en els utilitzant PHA, donat que es tracta de polímers amb una finestra de processament bastant estreta, i amb una alta sensibilitat pel grau de cristal·linitat que aconsegueixen en funció de les condicions de refredament. La incorporació d'additius osteoconductors com la hidroxiapatita té un especial interés per a la millora del procés de regeneració òssia; és per això que es considera com a additiu per a PHA per al sector mèdic. En un primer treball, es proposa l'ús del procés de moldeig per injecció per a determinar les propietats que s'aconsegueixen amb la incorporació de les nanopartícules d'hidroxipatita. Posteriorment, aqueixes mateixes formulacions s'utilitzen en impressió 3D per oferir una aplicació més directa al sector mèdic mitjançant l'obtenció d'scaffolds que poden ser emprats en processos de regeneració òssia. Finalment, aquesta tesi aborda l'ús de l'àcid poliláctic - PLA emprant les tècniques de conformat mitjançant injecció i fabricació additiva. El PLA és un polièster alifàtic amb propietats i cost interessants, però presenta una elevada fragilitat; és per això que l'ús de plastificants naturals derivats d'èsters de l'àcid itacònic té una especial rellevància per al desenvolupament de formulacions amb alta ductilitat. Addicionalment, el PLA és un material amb alt interés en fabricació additiva. L'ús de diferents patrons i la quantitat de farciment té un efecte marcat sobre el comportament mecànic dels components fabricats mitjançant impressió 3D, que també està vinculat amb el temps necessari per a completar la impressió. Una de les aplicacions interessants de la fabricació additiva amb PLA, és la fabricació de dispositius mèdics amb la capacitat de ser reabsorbits pel cos humà de manera progressiva. En aquest sentit es proposa el disseny i validació d'una pròtesi de fixació òssia per a fèmur. / [EN] The main objective of this thesis is to obtain aliphatic polyesters with improved properties for their application in industrial processes by applying conventional polymer processing techniques such as injection moulding and additive manufacturing. In order to reach the aforementioned objective several strategies are proposed such as the incorporation of natural origin plasticizing additives, the incorporation of natural fillers, the development of polymer blends and the incorporation of additives for the medical sector. The first stage of this research consists in the study of aliphatic polyesters from polyhydroxyalkanoates - PHA. The modifications made to those polymers have been the introduction of almond shell wastes to produce composites, the development of binary blends with poly(¿-caprolactone) to improve ductile properties and the addition of different plasticizers derived from terpenoids, more specifically geraniol esters. In this first stage, injection-moulding is proposed to obtain all the properties and features of the formulations after the aforementioned modifications. Afterwards, the use of these polyhydroxyalkanoates in the medical sector due to they are biocompatible and resorbable, is proposed. First, the effect of the parameters to be used in additive manufacturing of PHA is analysed. These polymers possess a very narrow processing window and a great sensitiveness to the degree of crystallinity depending on the cooling conditions. The incorporation of osteoconductive additives such as hydroxyapatite is of great interest for the improvement of the bone regeneration process, so it is considered as an additive of PHA for medical applications. It is for this reason that in the first work, injection moulding is used for determining the effect of nanohydroxyapatite have on the polymer matrix. Then, the developed formulations are used in 3D printing to assess the feasibility of this technology for the medical sector by obtaining scaffolds structures that can be used in bone regeneration processes. Finally, poly(lactic acid) - PLA is processed by injection-moulding and additive manufacturing to assess the feasibility of these techniques. PLA is a cost-effective aliphatic polyester with balanced properties; nevertheless, it shows high intrinsic brittleness. Therefore, the use of natural plasticizers derived from esters of itaconic acid are of especial interest for the development of formulations with improved toughness. Additionally, PLA is a material with a great interest in additive manufacturing. The use of different patterns and infills used in 3D printing play a key role on mechanical behavior of the 3D-printed components, which is also related to the overall 3D-printing time. One of the interesting applications of additive manufacturing with PLA, is the production of medical devices with the ability to be progressively reabsorbed by the human body. In this sense, the design and validation of a femur fixing prosthesis is proposed. / I would like to thank the Ministry of Universities for their financial support through the FPU grant FPU19/01759 regarding my PhD studies. I am very grateful to Universitat Politècnica de València for their financial support through the FPI PhD grant PAID–2019– SP20190011. I thank the Ministry of Science and Innovation for their financial support to the research group in the projects RTI2018–097249–B–C21, MAT2017–84909–C2–2–R and PID2020–116496RB–C22. I acknowledge Generalitat Valenciana for their grants AICO/2021/025 and CIGE/2021/094 as a support to the research group. / Ivorra Martínez, J. (2023). Procesado y caracterización de formulaciones industriales de poliésteres alifáticos mediante tecnologías de inyección y fabricación aditiva [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192667 / Compendio

[ES] La fabricación aditiva, también llamada impresión 3D, ha tenido un gran impacto en la industria. La capacidad de fabricar modelos complejos y personalizados a bajo coste se adapta muy bien para algunas aplicaciones, sustituyendo procesos de fabricación tradicional y ofreciendo nuevas oportunidades. En medicina, la fabricación personalizada de modelos complejos ha encontrado muchas aplicaciones, desde réplicas de patologías para la educación hasta implantes hechos a medida y remplazo de órganos. De todas las posibilidades de esta tecnología en medicina, la fabricación de modelos anatómicos a partir de imágenes médicas ofrece un excelente balance entre facilidad de implementación y beneficio, esto la hace una aplicación perfecta para ser usada ampliamente en los hospitales. La fabricación aditiva de modelos anatómicos es un campo que ha suscitado considerable entusiasmo en los últimos años. La comunidad médica ve esta herramienta como el siguiente paso generacional en la visualización clínica, ofreciendo grandes beneficios para los pacientes y el sistema de salud. Debido al gran interés, hay muchos investigadores que han evaluado el impacto de esta tecnología en la práctica médica, midiendo los beneficios médicos que puedan tener estos modelos anatómicos. En general, los resultados muestran que hay reducción de tiempo de quirófano, menor morbilidad y mortalidad al igual que menor estrés y denuncias por parte de pacientes. A pesar de estos resultados prometedores, no hay muchos estudios realizados sobre cuál debe ser el proceso para garantizar la reproducibilidad y seguridad de estos modelos, un tema que es de gran importancia para poder cumplir con las regulaciones actuales, que exigen protocolos de fabricación y sistemas de calidad para este proceso. Debemos observar que, aunque el proceso para obtener modelos anatómicos es más fácil que otras aplicaciones de esta tecnología, no es un proceso trivial. Es un trabajo complejo con múltiples pasos que Involucra a varios especialistas para su correcta realización. Actualmente el hospital es el entorno ideal para poder fabricar estos modelos, permite un mayor control del proceso, facilita la colaboración multidisciplinar necesaria y reduce considerablemente los requisitos legales que rigen los dispositivos médicos. El objetivo de esta investigación es desarrollar un protocolo detallado y optimizado que cumpla con los requisitos técnicos, médicos y legales para poder implementar esta tecnología emergente de forma segura y eficiente en centros de salud. Para alcanzar este objetivo, las metodologías observadas fueron la revisión por literatura, la investigación doctrinal legal y la investigación acción empleada en los diferentes casos estudiados. Los casos se han elegido buscando la mayor diversidad posible bajo el criterio de conveniencia en el horizonte temporal contemplado, dada la diversidad compleja del estudio realizado. Gracias a la colaboración con varias instituciones médicas y de educación, este protocolo se pudo implementar en diversos contextos, mejorándolo progresivamente al ponerlo a prueba con casos reales, mediante el trabajo continuo con los expertos. El resultado es un protocolo que incluye varios años de experiencia y que ha sido aplicado en un amplio rango de especialidades. Este protocolo es relativamente sencillo de seguir y cumple con los principales requisitos para ser implementado en hospitales. / [CA] La fabricació additiva, també anomenada impressió 3D, ha tingut un gran impacte en la indústria. La capacitat de fabricar models complexos i personalitzats a baix cost s' adapta molt bé per a algunes aplicacions, substituint processos de fabricació tradicional i oferint noves oportunitats. En medicina, la fabricació personalitzada de models complexos ha trobat moltes aplicacions, des de rèpliques de patologies per a l'educació fins a implants fets a mida i òrgans. De totes les possibilitats d'aquesta tecnologia en medicina, la fabricació de models anatòmics a partir d'imatges mèdiques ofereix un excel·lent balanç entre facilitat d'implementació i benefici, això la fa una aplicació perfecta per ser usada àmpliament als hospitals. La fabricació additiva de models anatòmics és un camp que ha suscitat considerable entusiasme en els últims anys. La comunitat mèdica veu aquesta eina com el següent pas generacional en la visualització clínica, oferint grans beneficis per als pacients i el sistema de salut. A causa del gran interès, hi ha molts investigadors que han avaluat l'impacte d'aquesta tecnologia en la pràctica mèdica, mesurant els beneficis mèdics que puguen tenir aquests models anatòmics. En general, els resultats mostren que hi ha reducció de temps de quiròfan, menor morbiditat i mortalitat igual que menor estrès i denúncies per part de pacients. Malgrat aquests resultats prometedors, no hi ha molts estudis realitzats sobre quin ha de ser el procés per garantir la reproduïbilitat i seguretat d' aquests models, un tema que és de gran importància per poder complir amb les regulacions actuals, que exigeixen protocols de fabricació i sistemes de qualitat per a aquest procés. Hem d'observar que, tot i que el procés per obtenir models anatòmics és més fàcil que altres aplicacions d'aquesta tecnologia, no és un procés trivial. És un treball complex amb múltiples passos que Involucra diversos especialistes per a la seva correcta realització. Actualment l'hospital és l'entorn ideal per poder fabricar aquests models, permet un major control del procés, facilita la col·laboració multidisciplinària necessària i redueix considerablement els requisits legals que regeixen els dispositius mèdics. L'objectiu d'aquesta investigació és desenvolupar un protocol detallat i optimitzat que compleix amb els requisits tècnics, mèdics i legals per poder implementar aquesta tecnologia emergent de forma segura i eficient en centres de salut. Per assolir aquest objectiu, les metodologies observades van ser la revisió per literatura, la investigació doctrinal legal i la investigació acció emprada en els diferents casos estudiats. Els casos s' han triat buscant la major diversitat possible sota el criteri de conveniència en l' horitzó temporal contemplat, atesa la diversitat complexa de l' estudi realitzat. Gràcies a la col·laboració amb diverses institucions mèdiques i d'educació, aquest protocol es va poder implementar en diversos contextos, millorant-lo progressivament en posar-lo a prova amb casos reals, mitjançant el treball continu amb els experts. El resultat és un protocol que inclou diversos anys d' experiència i que ha estat aplicat en un ampli rang d' especialitats. Aquest protocol és relativament senzill de seguir i compleix amb els principals requisits per ser implementat en hospitals. / [EN] Additive manufacturing, also called 3D printing, has had a huge impact on the industry. The ability to manufacture complex and customized models at a low cost is well suited for some applications, replacing traditional manufacturing processes and offering new opportunities. In medicine, the custom manufacture of complex models has found many applications, from replicas of pathologies for education to custom-made implants and organ replacement. Of all the possibilities of this technology in medicine, the manufacture of anatomical models from medical images offers an excellent balance between ease of implementation and benefit, this makes it a perfect application to be widely used in hospitals. Additive manufacturing of anatomical models is a field that has attracted considerable enthusiasm in recent years. The medical community sees this tool as the next generational step in clinical visualization, offering great benefits for patients and the healthcare system. Due to the great interest, there are many researchers who have evaluated the impact of this technology on medical practice, measuring the medical benefits that these anatomical models may have. In general, the results show that there is a reduction in operating room time, lower morbidity and mortality as well as less stress and complaints from patients. Despite these promising results, there are not many studies conducted on what the process should be to guarantee the reproducibility and safety of these models, an issue that is of great importance to be able to comply with current regulations, which require manufacturing protocols and quality systems for this process. We should note that although the process for obtaining anatomical models is easier than other applications of this technology, it is not a trivial process. It is a complex work with multiple steps that involves several specialists for its correct realization. Currently the hospital is the ideal environment to be able to manufacture these models, it allows greater control of the process, facilitates the necessary multidisciplinary collaboration, and considerably reduces the legal requirements that govern medical devices. The objective of this research is to develop a detailed and optimized protocol that meets the technical, medical, and legal requirements to implement this technology in hospitals. To achieve this objective, the methodologies observed consisted of literature review, legal doctrinal research and action research used in the multiple cases studied. The cases have been selected seeking the greatest possible diversity under the criterion of convenience in the time horizon contemplated, given the complex diversity of the study carried out. Thanks to the collaboration with several medical and educational institutions, this protocol could be implemented in various contexts, progressively improving it by testing it with real cases, through continuous work with experts. The result is a protocol that includes several years of experience and has been applied in a wide range of specialties. It is relatively simple to follow and complies with most requirements to be implemented in hospitals. / De Rossi Estrada, M. (2022). Investigación para el desarrollo de un protocolo para fabricación aditiva de modelos anatómicos en centros de salud [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183303

[ES] Los procesos convencionales de transformación de materiales requieren afrontar nuevos retos que se presentan en la actual sociedad industrial como es la propia sostenibilidad medioambiental. De la misma forma, los productos fabricados en el futuro deberán cumplir ciertos requisitos medioambientales, como la reciclabilidad de la materia prima utilizada. Dentro de este contexto la fabricación de productos mediante técnicas tridimensionales como la fabricación aditiva, permite utilizar únicamente el material necesario que se requiere para un producto completo. Dichas técnicas de fabricación son las solicitadas por el sector aeronáutico, entre otros, que requiere de unos valores de calidad muy exigentes. Dentro de estos ensayos, el estudio del comportamiento del material ante crecimiento de grieta es de gran importancia. Mediante este tipo de fabricación se obtiene un producto en estado casi final a través de la adición de capas de alrededor de 100 micras, que da como resultado una orientación de grano metalúrgico preferente y diferente a la misma aleación fabricada por forja convencional. Los fenómenos ocurridos durante la fabricación pueden dar lugar a defectos como grietas o porosidades que disminuyen las capacidades resistentes, por lo que un estudio para predecir la vida del componente es importante. Dentro de los procesos de fabricación aditiva nos encontramos con la fabricación por haz de electrones, que consigue calidades de material casi con porosidad nula, por lo que empresas del sector aeronáutico o médico consideran esta técnica como de gran fiabilidad. El trabajo desarrollado en esta tesis se basa en el estudio de aleaciones de titanio fabricadas mediante fabricación aditiva por haz de electrones. En concreto, el estudio se centra en el comportamiento a tenacidad a la fractura para relacionarlo con las características microestructurales más relevantes. Los análisis llevados a cabo consideran diversas orientaciones que tienen lugar en la bandeja de fabricación, realizándose ensayos mecánicos tanto estáticos como dinámicos. Una segunda parte de la tesis se basa en el modelado mediante elementos finitos extendido, XFEM, que se desarrolla como alternativa a los métodos tradicionales de mallado. En el XFEM una aproximación de elementos finitos se construye de forma que sea capaz de representar funciones de enriquecimiento dentro de los elementos mediante grados de libertad adicionales. Un punto crítico en el proceso de cálculo mediante elementos finitos es el proceso de mallado. La precisión obtenida en la aproximación depende del tamaño de los elementos de la malla. Por tanto, el cálculo con precisión en puntos importantes como la zona cercana a grieta exige una malla con un tamaño de elemento muy pequeño. Con la técnica XFEM se alcanza una mayor precisión mediante un proceso de enriquecimiento de extremo de grieta. Los resultados que ofrece la herramienta XFEM se comparan con los obtenidos experimentalmente con componentes fabricados mediante impresión 3D. Esta comparativa se lleva a cabo sobre diversas geometrías con la presencia de agujeros, de tal forma que se ha podido predecir el crecimiento de grieta que tiene lugar en materiales por impresión 3D. De la misma forma, se llevan a cabo comparativas de piezas con geometría compleja, para validar el modelo desarrollado. / [CA] Els processos convencionals de transformació de materials requereixen afrontar nous reptes que es presenten en l'actual societat industrial com és la pròpia sostenibilitat mediambiental. De la mateixa forma, els productes fabricats en el futur hauran de complir certs requisits mediambientals, com el reciclatge de la matèria primera. Dins d'aquest context, la fabricació de productes mitjançant tecnologia 3D com la fabricació additiva, permet usar només el material necessari que es requereix per a un producte complet. Aquestes tècniques de fabricació són les sol·licitades pel sector aeronàutic que requereix d'uns valors de qualitat molt exigents. Dins d'aquests assajos, l'estudi del comportament del material a través de creixement de clivella és vital. Mitjançant aquesta mena de fabricació s'obté un producte en estat quasi final a través de l'addició de capes d'alçària al voltant de 100 micres, que dona com a resultat una orientació de gra metal·lúrgic preferent i diferent al mateix però fabricat convencionalment. Els fenòmens ocorreguts durant la fabricació poden donar lloc a defectes com a clivelles o porositats que poden disminuir les capacitats resistents, per la qual cosa un estudi per a predir la vida del material és important. Dins dels processos de fabricació additiva ens trobem amb la fabricació per feix d'electrons la qual aconsegueix qualitats de material quasi amb porositat nul·la, per la qual cosa empreses del sector aeronàutic i mèdic han conclòs a aquesta tècnica com la més fiable. El treball desenvolupat en aquesta tesi es basa en l'estudi d'aliatges de titani fabricades mitjançant fabricació additiva per feix d'electrons, principalment el seu comportament a la tenacitat a la fractura per a relacionar-ho amb les característiques microestructurals més rellevants. Les anàlisis dutes a terme se centren en diverses orientacions que tenen lloc en la plataforma de fabricació, realitzant-se assajos mecànics tant estàtics com dinàmics. Una segona part de la tesi es basa en el modelatge mitjançant elements finits estesos, XFEM, que es desenvolupa com a alternativa als mètodes lliures de malla. En el XFEM una aproximació d'elements finits es construeix de manera que siga capaç de representar funcions (enriquiment) dins dels elements. Un punt crític en el procés de càlcul en qualsevol mètode que usa una malla és el procés d'emmallat. La precisió obtinguda en l'aproximació depén de la grandària dels elements de malla. Per tant, el càlcul amb precisió en punts importants, com la zona pròxima a clivella, exigeix l'ús d'una malla amb una grandària d'element molt xicoteta. Amb la tècnica XFEM aconseguim aqueixa precisió mitjançant un procés de enriquiment. / [EN] Conventional material transformation processes require facing new challenges that arise in today's industrial society, such as environmental sustainability. Similarly, products manufactured in the future must meet certain environmental requirements, such as the recyclability of the raw material used. Within this context, the manufacture of products using 3D technology such as additive manufacturing, allows using only the necessary material that is required for a complete product. These manufacturing techniques are requested by the aeronautical sector, which requires very demanding quality values. Within these tests, the study of the behavior of the material through crack growth is of great importance. By means of this manufacturing technology, a product is obtained in an almost final state through the addition of layers of about 100 microns, which results in a preferential metallurgical grain orientation and different from the same alloy manufactured by conventional methods. The phenomena occurring during manufacturing can lead to defects such as cracks or porosities that can reduce the strength capabilities, so a study to predict the life of the component is important. Within the additive manufacturing processes we find the electron beam manufacturing which achieves material qualities with almost zero porosity. As a consequence, companies in the aeronautical or medical sector have concluded this technique as very reliable. The work developed in this thesis is based on the study of titanium alloys manufactured by electron beam additive manufacturing. More precisely, the work is focused on the fracture toughness behavior in order to relate it to the most relevant microstructural characteristics. The analyses carried out consider different orientations and positions that take place in the fabrication tray, performing both static and dynamic mechanical tests. A second part of the thesis is based on the application of the extended finite element method, XFEM, which is developed as an alternative to conventional finite element method. In XFEM a finite element approximation is constructed in such a way that it is able to represent functions within the elements. A critical point in the calculation process in the finite element method is the meshing process. The accuracy obtained in the approximation depends on the size of the elements of the mesh. Therefore, accurate computation at important points such as the near-crack zone requires the use of a mesh with a very small element size. With the XFEM technique, we achieve this accuracy by means of an enrichment process. The results provided by the XFEM tool are compared with those obtained experimentally with respect to components manufactured by 3D printing. This comparison is carried out on different geometries with the presence of holes, in such a way that it has been possible to predict the crack growth that takes place in 3D printed materials. In the same way, comparisons of parts with complex geometry are carried out to validate the developed model. / Niñerola González, R. (2022). Estudio del comportamiento por crecimiento de grieta de aleaciones fabricadas por adición mediante haz de electrones [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183818

[ES] El uso masivo de los sistemas de comunicaciones inalámbricas y móviles ha tenido un impacto significativo en nuestra sociedad. Estas tecnologías han experimentado una amplia adopción en el mercado, volviéndose totalmente indispensables en nuestro día a día y provocando un aumento notable en la demanda de movilidad y ancho de banda. Esto ha llevado a la rápida aparición de nuevos sistemas de comunicación y a la progresiva saturación del espectro radioeléctrico, lo que conlleva un constante aumento en los requisitos de los sistemas de radiofrecuencia. Como resultado, los dispositivos que forman parte de estos sistemas se ven sometidos a especificaciones cada vez más restrictivas. Estas restricciones se han visto fuertemente incrementadas en las comunicaciones espaciales, donde los nuevos sistemas basados en satélite de alta capacidad y grandes constelaciones fuerzan la reducción de costes a la vez que requieren de altas prestaciones. Con el fin de satisfacer las crecientes demandas de los sistemas inalámbricos, se busca el desarrollo de dispositivos de comunicación que ofrezcan altas prestaciones a bajo costo. Estos dispositivos también deben ser compactos, ligeros y fáciles de integrar con diversas tecnologías de guiado de ondas (guías de ondas, cables coaxiales y tecnologías planares). En respuesta a estas necesidades, han surgido dos soluciones tecnológicas: los circuitos integrados en sustrato (SIC) y la fabricación aditiva (AM). La tecnología SIC permite combinar tecnologías de guiado planares y no planares en un mismo sistema, lo que resulta en unas prestaciones híbridas entre ambas tecnologías. Además, ofrece una notable reducción de peso y una gran miniaturización y su naturaleza planar permite una integración nunca vista. Por otro lado, la fabricación aditiva permite crear dispositivos con geometrías complejas y bajo peso, lo que proporciona menos limitaciones en el diseño. Esto permite el desarrollo de dispositivos con características avanzadas y la integración de los diferentes bloques de una cadena de radiofrecuencia en un único dispositivo, mejorando así las especificaciones del sistema y reduciendo su complejidad. Tanto la tecnología SIC como la fabricación aditiva son de gran interés para el sector espacial. Sin embargo, la aplicación de estas tecnologías en el agresivo entorno espacial aún no ha sido estudiada. Por ello, el objetivo principal de esta tesis es precisamente investigar la aplicación de estas tecnologías al diseño de dispositivos de microondas para aplicaciones espaciales. Con este estudio, se busca obtener un mayor conocimiento de las capacidades y limitaciones de estas tecnologías en el contexto espacial, y así explorar su potencial para mejorar y optimizar los dispositivos utilizados en este tipo de sistemas. En primer lugar, se ha llevado a cabo una comparación de diferentes topologías de filtros implementados en tecnología SIC, los cuales han sido sometidos a pruebas ambientales que simulan las condiciones reales de operación en el espacio. En segundo lugar, se ha estudiado la aplicación de técnicas de fabricación aditivas al desarrollo de dispositivos de microondas. Para ello, se ha desarrollado un novedoso método de metalización y un sistema de integración de filtros de montaje superficial. Con estas tecnologías se han desarrollado una serie de filtros paso banda que han sido sometidos a pruebas de ambiente espacial, incluyendo: ciclado térmico, pruebas de vibración y test de efecto multipactor. Por último, se ha estudiado el uso de cristal líquido para agregar capacidades de reconfigurabilidad a dispositivos SIC. Se han analizado las características mecánicas y electromagnéticas de estos materiales mediante dos métodos de caracterización basados en elementos resonantes. Además, se ha desarrollado un demostrador tecnológico basado en la tecnología ESICL. / [CA] L'ús massiu dels sistemes de comunicacions sense fils i mòbils ha tingut un impacte significatiu en la nostra societat. Aquestes tecnologies han experimentat una àmplia adopció en el mercat, perquè s'han tornat totalment indispensables en el nostre dia a dia i han provocat un augment notable en la demanda de mobilitat i amplada de banda. Al seu torn, això ha portat a la ràpida aparició de nous sistemes de comunicació i a la progressiva saturació de l'espectre radioelèctric, la qual cosa comporta un constant augment en els requisits dels sistemes de radiofreqüència. Com a resultat, els dispositius que formen part d'aquests sistemes es veuen sotmesos a especificacions cada vegada més restrictives. Aquestes restriccions s'han vist fortament incrementades en les comunicacions espacials. Amb la finalitat de satisfer les creixents demandes dels sistemes sense fils, se cerca el desenvolupament de dispositius de comunicació que oferisquen altes prestacions a baix cost. Aquests dispositius també han de ser compactes, lleugers i fàcils d'integrar amb diverses tecnologies de guia d'ones (guies d'ones, cables coaxials i tecnologies planar). En resposta a aquestes necessitats, han sorgit dues soluciones tecnològiques: els circuits integrats en substrat (SIC) i la fabricació additiva (AM). La tecnología SIC permet combinar tecnologies de guiatge planars i no planars en un mateix sistema, la qual cosa resulta en unes prestacions híbrides. A més, ofereix una notable reducció de pes i una gran miniaturització i la seua naturalesa planar permet una integració no vista mai abans. D'altra banda, la fabricació additiva permet crear dispositius amb geometries complexes i baix pes, la qual cosa proporciona menys limitacions en el disseny. Això permet el desenvolupament de dispositius amb característiques avançades i la integració dels diferents blocs que conformen la cadena de radiofreqüència, que millora així les especificacions del sistema i en redueix la complexitat. Tant la tecnologia SIC com la de fabricació additiva són de gran interès per al sector espacial. Tanmateix, l'aplicació d'aquestes tecnologies en l'agressiu entorn espacial encara no ha sigut estudiada. Per això, l'objectiu principal d'aquesta tesi és investigar l'aplicació d'aquestes tecnologies en el disseny de dispositius de microones per a aplicacions espacials. A través d'aquest estudi, se cerca obtenir un major coneixement sobre les capacitats i limitacions d'aquestes tecnologies en el context espacial. En primer lloc, s'ha dut a terme una comparació de diferents topologies de filtres implementats en tecnologia SIC, els quals han sigut sotmesos a proves ambientals que simulen les condicions reals d'operació a l'espai. En segon lloc, s'ha estudiat l'aplicació de tècniques de fabricació additives al desenvolupament de dispositius de microones. Per a això, s'ha desenvolupat un nou mètode de metal·lització autocatalític i un sistema d'integració de filtres de muntatge superficial. Aquestes tecnologies s'han combinat per a desenvolupar una sèrie de filtres passabanda de muntatge superficial. Finalment, aquests filtres han sigut sotmesos a proves d'ambient espacial, incloent-hi: ciclatge tèrmic, proves de vibració i test d'efecte multipactor. Finalment, s'ha estudiat l'ús de cristall líquid per a agregar capacitats de reconfigurabilitat a dispositius de microones integrats en substrat. S'han analitzat les característiques mecàniques i electromagnètiques d'aquests materials mitjançant dos mètodes de caracterització basats en elements ressonants. A més, s'ha desenvolupat un demostrador tecnològic basat en la tecnologia ESICL. / [EN] The widespread use of wireless and mobile communication systems has had a significant impact on our society. These technologies have been widely adopted in the market, becoming essential in our daily lives and leading to a notable increase in the demand for mobility and bandwidth. Consequently, new communication systems are rapidly emerging, and the radio frequency spectrum is becoming increasingly crowded, resulting in continuously rising requirements for radio frequency systems. As a result, radio frequency devices are subjected to ever more stringent specifications. These restrictions are particularly heightened in space communications. To meet the growing demands of wireless systems, there is a need to develop communication devices that offer high performance at a low cost. Additionally, these devices should be compact, lightweight, and easily integrable with various waveguide technologies (waveguides, coaxial cables, and planar technologies). In response to these needs, two technological solutions have emerged: Substrate Integrated Circuits (SIC) and Additive Manufacturing (AM). SIC technology combines planar and non-planar guiding technologies in a single system, resulting in hybrid performance between both technologies. It significantly reduces weight and miniaturisation, and its planar nature allows for unprecedented integration. On the other hand, additive manufacturing enables the creation of devices with complex geometries and low weight, providing fewer design limitations. This allows for the development of devices with advanced features and the integration of different blocks of the radio frequency chain, thereby enhancing the performance of the entire system and reducing its complexity. Both SIC and AM are of great interest to the space sector. However, the application of these technologies in the harsh space environment has not been thoroughly studied. The main objective of this thesis is to investigate the application of these technologies in the design of microwave devices for space applications. This study aims to gain a deeper understanding of the capabilities and limitations of these technologies in the space context and explore their potential for improving and optimising devices used in such systems. The thesis first involves the design and comparison of different filter topologies implemented using SIC technology, which has been subjected to environmental tests simulating real space operation conditions. Secondly, the application of additive manufacturing techniques to the development of microwave devices has been studied. For this purpose, a novel metallisation method and a system for surface-mounted filter integration have been developed. These technologies were combined to develop a series of surface-mounted bandpass filters. Finally, these filters were subjected to space environmental tests, including thermal cycling, vibration tests, and multipactor effect tests. Lastly, the use of liquid crystal to add reconfigurability capabilities to substrate-integrated microwave devices has been investigated. The mechanical and electromagnetic characteristics of these materials have been analysed using two resonant element-based characterisation methods. Additionally, a technological demonstrator based on ESICL technology has been developed. / Nova Giménez, V. (2024). Development of Non-Conventional Microwave Devices Based on Substrate-Integrated Technology for Advanced Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202844

[ES] En esta tesis, el principal objetivo es analizar el efecto de la osteoporosis en el comportamiento mecánico del hueso trabecular. El comportamiento del hueso trabecular se ha abordado desde diferentes enfoques: ensayos experimentales, modelos de elementos finitos (EF) e imagen médica obtenida por micro-CT. El impacto de la osteoporosis se ha estudiado en distintas escalas. Se ha abordado un estudio a nivel de tejido lamelar del hueso trabecular para estimar las ecuaciones que nos permitan definir las propiedades elásticas y resistentes en función de la densidad mineral ósea y la porosidad del tejido. Estas ecuaciones inferidas en los modelos de EF permitirán estudiar el comportamiento del tejido óseo lamelar abarcando un amplio rango de porosidades y DMOs. Se ha realizado un estudio de la estructura trabecular y del tejido lamelar utilizando un estereomicroscopio y el FESEM. Al nivel del tejido lamelar, se ha podido observar la disposición de las lamelas en distintas localizaciones, como en las trabéculas y sus intersecciones. Además, se ha podido evaluar la porosidad tisular natural y la producida por enfermedades óseas. Esta información se ha introducido en los modelos EF para definir las propiedades en las muestras. Las ecuaciones elásticas y resistentes estimadas consideran un comportamiento ortótropo y es posible cuantificar cómo afectan la DMO y la porosidad a estas propiedades. Se ha estudiado el comportamiento mecánico a compresión de muestras humanas de hueso trabecular procedente de cabezas femorales. Estas muestras se clasifican en tres grupos: sano, artrósico y osteoporótico. Estas muestras se han estudiado mediante ensayos experimentales, imagen médica y modelos de EF, permitiendo obtener gran información sobre el comportamiento mecánico del hueso. La respuesta mecánica está muy influenciada por la microarquitectura trabecular. Los resultados obtenidos más relevantes son el módulo aparente, la tensión de fallo y la deformación de fallo. Se han podido generar modelos de EF y estudiar la morfometría de las muestras. Los modelos de EF han permitido estimar las propiedades a nivel de tejido: módulo de Young a nivel de tejido y las deformaciones de fluencia y fallo. Los resultados muestran que a nivel de tejido no se aprecian variaciones en el módulo de Young aunque el hueso presente una patología ósea. Un comportamiento de fluencia similar se ha observado para todos los grupos, con diferencias únicamente en la deformación de fallo. El estudio morfométrico permite analizar los parámetros morfométricos que diferencian las muestras sanas de las enfermas. Se han correlacionado dichos parámetros con la respuesta mecánica para analizar los que tienen mayor influencia sobre ella. Las correlaciones permiten estimar la respuesta mecánica del hueso utilizando imagen médica sin realizar ensayos experimentales. Los parámetros obtenidos de la respuesta mecánica también se han relacionado entre sí, permitiendo conocer el comportamiento de cada una de las muestras que es diferente según la enfermedad que padecen. También, se han estudiado muestras bioinspiradas y estructuras TPMS obtenidas mediante fabricación aditiva. Estas muestras se han fabricado con PLA como material de impresión. Las muestras muestran un comportamiento ortótropo como las muestras trabeculares. Los simulantes pueden ser utilizados para hacer estudios previos cuando no se disponga de las muestras óseas. El tratamiento de fracturas óseas de gran tamaño requiere de técnicas no convencionales para la fijación del hueso. Suelen utilizarse andamios óseos con triple periodicidad que tienen como resultado propiedades ortótropas iguales en las tres direcciones ortogonales. Estos sistemas deben disponer de rigideces similares al hueso alrededor del defecto para evitar el aflojamiento del implante. Por ello, se propone una metodología que permite diseñar andamios óseos paciente-específicos que permiten ajustar las propiedades mecánicas ortótropas en función del hueso. / [CA] En esta tesi, el principal objectiu és analitzar l'efecte de l'osteoporosi en el comportament mecànic de l'os trabecular. El comportament de l'os trabecular s'ha abordat des de diferents plantejaments, com són els assajos experimentals, els models d'elements finits (EF) i la imatge mèdica obtinguda per micro-CT. L'impacte de l'osteoporosi s'ha estudiat en diferents escales. En primer lloc, s'ha abordat un estudi a nivell de teixit lamellar de l'os trabecular per a estimar les equacions que ens permeten definir les propietats elàstiques i resistents en funció de la densitat mineral òssia i la porositat del teixit. Estes equacions inferides en els models d'EF permetran estudiar el comportament del teixit ossi lamel·lar abastant un ampli rang de porositats i DMOs. S'ha realitzat un estudi de l'estructura trabecular i del teixit lamel·lar utilitzant un estereomicroscopi i el FESEM. Al nivell del teixit lamel·lar, s'ha pogut observar la disposició de les lamel·les en diferents localitzacions, com en les trabècules i les seues interseccions. A més, s'ha pogut avaluar la porositat tissular natural i la produïda per malalties òssies. Tota esta informació ha sigut incorporada als models numèrics per a poder definir les propietats en les mostres trabeculars. Les equacions elàstiques i resistents estimades consideren un comportament ortòtrop i és possible quantificar com afecten la DMO i la porositat a estes propietats. S'ha estudiat el comportament mecànic a compressió de mostres humanes d'os trabecular procedent de caps femorals i s'han classificat en tres grups: sa, artròsic i osteoporòtic. S'han estudiat mitjançant assajos experimentals, imatge médica i models d'EF, obtenint gran informació sobre el comportament mecànic de l'os. La resposta mecànica està fortament influenciada per la microarquitectura trabecular. Els resultats obtinguts més importants són el mòdul aparent, la tensió de fallada i la deformació de fallada. S'han generat models d'EF i estudiat la morfometria. Els models d'EF han permés estimar les propietats a nivell de teixit: el mòdul de Young a nivell de teixit i les deformacions de fluència i fallada. A nivell de teixit no s'aprecien variacions en el mòdul de Young encara que l'os present una patologia òssia. Un comportament de fluència similar s'ha observat per a tots els grups, amb diferències únicament en la deformació de fallada. L'estudi de la morfometria ha permés analitzar els paràmetres morfomètrics que diferencien les mostres sanes de les malaltes, i fins i tot a diferenciar entre diferents patologies. S'han correlacionat estos paràmetres amb la resposta mecànica per a analitzar aquells que tenen major influència sobre ella. Les correlacions obtingudes permeten estimar la resposta mecànica de l'os trabecular utilitzant les imatges micro-CT sense necessitat de realitzar assajos experimentals. Els paràmetres obtinguts de la resposta mecànica també s'han relacionat entre si. Estes relacions permeten conéixer el comportament de cadascuna de les mostres que és diferent segons la malaltia que patixen. També, s'han estudiat mostres bioinspirades i estructures TPMS obtingudes mitjançant fabricació additiva. Estes mostres bioinspirades s'han fabricat amb PLA com a material d'impressió. Les mostres mostren un comportament ortòtrop com les trabeculars. Estos simulants poden ser utilitzats per a fer estudis previs quan no es dispose de les mostres òssies. El tractament de fractures òssies de gran grandària requerix de tècniques no convencionals per a la fixació de l'os. Solen utilitzar-se bastides òssies amb triple periodicitat que tenen com a resultat propietats ortòtropes iguals en les tres direccions ortogonals. Estos sistemes han de disposar de rigideses similars a l'os en el veïnatge del defecte per a evitar l'afluixament de l'implant. S'ha proposat una metodologia que permet dissenyar bastides òssies pacient-específics que permeten ajustar les propietats mecàniques ortòtropes en cada direcció en funció de l'os. / [EN] The main objective of this thesis is to analyse the effect of osteoporosis on the mechanical behaviour of cancellous bone. The behaviour of cancellous bone has been addressed through different approaches: experimental tests, finite element (FE) models and medical imaging obtained by micro-CT. The impact of osteoporosis has been studied on different scales. Firstly, a study has been undertaken at the lamellar tissue level of trabecular bone to estimate the equations that define the elastic and strength properties as a function of bone mineral density and tissue porosity. These equations are inferred from FE models and allow us to characterise the behaviour of lamellar bone tissue covering a wide range of porosities and BMDs. A study of the cancellous structure and lamellar tissue has been carried out using a stereomicroscope and FESEM. At lamellar tissue level, it was possible to observe the arrangement of lamellae in different locations, such as trabeculae and at their intersections. In addition, it has been possible to evaluate the natural tissue porosity and that produced by bone diseases. All this information has been incorporated to the numerical models in order to define the properties of cancellous bone samples. The estimated elastic and strength equations consider an orthotropic behaviour and it is possible to quantify how BMD and porosity affect these properties. On the other hand, the mechanical behaviour under compression of human trabecular bone samples from femoral heads has been studied. These samples are classified into three study groups: healthy, osteoarthrosic and osteoporotic. The samples have been studied using experimental tests, medical imaging obtained and FE models, enabling to obtain a great deal of information regarding the mechanical behaviour of the bone. The trabecular microarchitecture strongly influences the mechanical response. The most important results obtained are the apparent modulus, the failure stress and the failure strain. It was possible to generate FE models and study the morphometry of the specimens. The FE models have made it possible to estimate the properties at the tissue level. The results revealed that at the tissue level, Young's modulus does not vary appreciably, even if the bone shows bone pathology. A similar yield behaviour is observed for all groups, with differences only in the final failure strain. The morphometry study has enabled to analyse the morphometric parameters that differentiate between healthy and diseased specimens and even to differentiate between different pathologies. The morphometric parameters have been correlated with the mechanical response to analyse those that have the most significant influence on the mechanical response. The correlations obtained make it possible to estimate the mechanical response of trabecular bone using micro-CT images without the need for experimental tests. The parameters obtained from the mechanical response have also been related. These relationships permit to know the behaviour of each of the samples, which is different depending on the disease they suffer. Finally, bioinspired samples and minimal surface area triple periodic structures obtained by additive manufacturing have been studied. These samples are made of PLA as the printing material. The samples show a similar orthotropic behaviour to the trabecular samples. These simulants can be used for pre-studies when bone samples are not available. The treatment of large bone fractures requires unconventional techniques for bone fixation. Bone scaffolds with triple periodicity that result in equal orthotropic properties in all three orthogonal directions are often used. These systems must have bone-like stiffness in the vicinity of the defect to avoid implant loosening. To this end, a methodology has been proposed to design patient-specific bone scaffolds that allow the orthotropic mechanical properties in each direction to be calibrated according to a specific bone. / The author and the supervisors of this PhD thesis acknowledge the Ministerio de Ciencia e Innovación y Universidades and the European Regional Development Fund (FEDER) for the financial support received through the projects PID2020-118920RB-I00 and PID2020-118480RB-C21 and C22 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033, and the Generalitat Valenciana for Plan FDEGENT 2018 and Programa PROMETEO/2021/046. / Megías Díaz, R. (2024). Analysis of osteoporosis effect on the mechanical behaviour and morphometry of human cancellous bone [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/206355

[ES] La fabricación aditiva, de sus siglas en inglés AM (Additive Manufacturing) es un proceso que construye objetos sólidos tridimensionales mediante la superposicióon de materiales basados en un modelo de diseño asistido por ordenador. La AM está llamada a convertirse en la próxima revolución industrial, transformando el panorama del desarrollo y la producción. La AM ofrece numerosas ventajas, como posibilidades de diseño complejas y flexibles, la eliminación de procesos intermedios como el mecanizado, la independencia de los costes de producción del tamaño de los lotes, la reducción de los residuos de material, las estructuras ligeras, las reparaciones personalizadas de las máquinas y la capacidad de desarrollar nuevos materiales, entre otras ventajas. En las tecnologías de fabricación aditiva que emplean un rayo láser como fuente de energía, la materia prima inicial (en forma de polvo o cable) es fundida por la fuente de calor láser de forma controlada, capa a capa, hasta crear un componente con dimensiones finales o casi finales. Estas tecnologías implican someter el material impreso a un proceso térmico único, en el que el material se funde en un área muy específica y luego se enfría rápidamente a velocidades extremadamente altas de hasta 10^6 K/s. Por lo tanto, las microestructuras que surgen de los procesos de fabricación en AM difieren significativamente de las que se consiguen en los procesos tradicionales. Además, los materiales que se emplean principalmente en la AM no se han diseñado explícitamente para estas tecnologías. Las características específicas de los procesos de AM pueden utilizarse para lograr microestructuras y propiedades distintas en aceros que han sido adaptados para aprovechar las rápidas velocidades de enfriamiento y la historia térmica del proceso, entre otros factores. Por el momento, el número de calidades de acero comerciales disponibles en el mercado de la AM es limitado. Diversas industrias demandan nuevos grados de acero con menor densidad para disminuir el peso sin comprometer las propiedades mecánicas. Los aceros con alto contenido en manganeso se consideran materiales muy prometedores para aplicaciones estructurales debido a su excepcional combinación de resistencia y ductilidad, con una baja densidad. Sin embargo, a pesar de sus excepcionales propiedades, los aceros con alto contenido en manganeso se enfrentan a diversas limitaciones o retos durante las técnicas de procesado convencionales. Afortunadamente, la solidificación rápida puede resolver estos problemas. En este sentido, las tecnologías de AM basadas en láser proporcionan velocidades de enfriamiento rápidas, así como flexibilidad en términos de diseño geométrico. Los nuevos retos de estas tecnologías implicarán la microsegregación y el agrietamiento en caliente o hot cracking en inglés, que se producen durante la solidificación. Esta tesis está dedicada a explotar el método CALPHAD para realizar cálculos termodinámicos con el fin de diseñar varios aceros con alto contenido en manganeso que puedan prevenir eficazmente los problemas de solidificación rápida en AM. Las composiciones de acero diseñadas se produjeron en forma de polvo para AM mediante atomización con gas. Se analizaron los polvos para determinar su microestructura en relación con la química y la velocidad de enfriamiento. Ajustando adecuadamente los parámetros de impresión, estos polvos de acero con alto contenido en manganeso se imprimieron con éxito en AM, dando lugar a densidades relativas superiores al 99.9%. Se analizó la microestructura de estas muestras totalmente densas y se comparó con sus respectivos polvos, con el fin de identificar cualquier diferencia resultante de las variaciones en la velocidad de enfriamiento y los ciclos térmicos. Por último, tras definir el mejor conjunto de condiciones de impresión para cada composición de polvo, se produjeron varias muestras para evaluar las propiedades mecánicas. / [CA] La fabricació additiva, de les seues sigles en anglés AM (Additive Manufacturing) és un procés que construïx objectes sòlids tridimensionals mitjançant la superposició de materials basats en un model de disseny assistit per ordinador. L'AM està cridada a convertir-se en la pròxima revolució industrial, transformant el panorama del desenvolupament i la producció. L'AM oferix nombrosos avantatges, com a possibilitats de disseny complexes i flexibles, l'eliminació de processos intermedis com el mecanitzat, la independència dels costos de producció de la grandària dels lots, la reducció dels residus de material, les estructures lleugeres, les reparacions personalitzades de les màquines i la capacitat de desenvolupar nous materials, entre altres avantatges. En les tecnologies de fabricació additiva que empren un raig làser com a font d'energia, la matèria primera inicial (en forma de pols o filferro) és fosa per la font de calor làser de manera controlada, capa a capa, fins a crear un component amb dimensions finals o quasi finals. Estes tecnologies impliquen sotmetre el material imprés a un procés tèrmic únic, en el qual el material es funde en una àrea molt específica i després es refreda ràpidament a velocitats extremadament altes de fins a 10^6 K/s. Per tant, les microestructures que sorgixen dels processos de fabricació en AM diferixen significativament de les que s'aconseguixen en els processos tradicionals. A més, els materials que s'empren principalment en l'AM no s'han dissenyat explícitament per a estes tecnologies. Les característiques específiques dels processos d'AM poden utilitzar-se per a aconseguir microestructures i propietats diferents en acers que han sigut adaptats per a aprofitar les ràpides velocitats de refredament i la història tèrmica del procés, entre altres factors. De moment, el nombre de qualitats d'acer comercials disponibles en el mercat de l'AM és limitat. Diverses indústries demanden nous graus d'acer amb menor densitat per a disminuir el pes sense comprometre les propietats mecàniques. Els acers amb alt contingut en manganés es consideren materials molt prometedors per a aplicacions estructurals a causa de la seua excepcional combinació de resistència i ductilitat, amb una baixa densitat. No obstant això, malgrat les seues excepcionals propietats, els acers amb alt contingut en manganés s'enfronten a diverses limitacions o reptes durant les tècniques de processament convencionals. Afortunadament, la solidificació ràpida pot resoldre estos problemes. En este sentit, les tecnologies d'AM basades en làser proporcionen velocitats de refredament ràpides, així com flexibilitat en termes de disseny geomètric. Els nous reptes d'estes tecnologies implicaran la microsegregació i l'esquerdament en calent, o hot cracking en anglés, que es produïxen durant la solidificació. Esta tesi està dedicada a explotar el mètode CALPHAD per a realitzar càlculs termodinàmics amb la finalitat de dissenyar diversos acers amb alt contingut en manganés que puguen previndre eficaçment els problemes de solidificació ràpida en AM. Les composicions d'acer dissenyades es van produir en forma de pols per a AM mitjançant atomització amb gas. Es van analitzar les pólvores per a determinar la seua microestructura en relació amb la química i la velocitat de refredament. Ajustant adequadament els paràmetres d'impressió, estes pólvores d'acer amb alt contingut en manganés es van imprimir amb èxit en AM, donant lloc a densitats relatives superiors al 99.9%. Es va analitzar la microestructura d'estes mostres totalment denses i es va comparar amb les seues respectives pólvores, amb la finalitat d'identificar qualsevol diferència resultant de les variacions en la velocitat de refredament i els cicles tèrmics. Finalment, desprès de definir el millor conjunt de condicions d'impressió per a cada composició de pols, es van produir diverses mostres per a avaluar les propietats mecàniques. / [EN] Additive manufacturing (AM) is a process that builds three-dimensional solid objects by layering materials based on a computer-aided design model. AM is set to become the next industrial revolution, transforming the landscape of development and production. AM provides numerous benefits, including complex and flexible design possibilities, the elimination of intermediate processes like machining, production cost independence from batch size, reduced material waste, lightweight structures, customized machine repairs, and the ability to develop new materials, among other advantages. In additive manufacturing technologies that employ a laser beam as an energy source, the initial raw material (in the form of powder or wire) is melted by the laser heat source in a controlled manner, layer by layer, until a component with final or nearly final dimensions is created. These technologies involve subjecting the printed material to a unique thermal process, where the material is melted in a very specific area and then rapidly cooled at extremely high rates of up to 10^6 K/s. Hence, the microstructures that arise from the manufacturing processes in AM differ significantly from those achieved in traditional processes. Moreover, the materials predominantly employed in AM have not been explicitly designed for these technologies. The specific characteristics of AM processes can be utilized to achieve distinct microstructures and properties in steels that have been tailored to take advantage of the rapid cooling rates and thermal history of the process, among other factors. For the moment, the number of commercial steel grades available in the AM market is limited. Various industries are demanding new steel grades with lower density to decrease weight without compromising mechanical properties. High manganese steels are regarded as highly promising materials for structural applications due to their exceptional combination of strength and ductility, with low density. Nevertheless, despite the exceptional properties of high manganese steels, they encounter various limitations or challenges during conventional processing techniques. Fortunately, rapid solidification may solve these issues. In this sense, laser-based AM technologies provide rapid cooling rates, as well as flexibility in terms of geometric design. The new challenges of these technologies will involve micro-segregation and hot cracking occurring during solidification. This thesis is dedicated to exploiting the CALPHAD method to perform thermodynamic calculations in order to design various high manganese steels that can effectively prevent fast solidification issues in AM. The steel compositions designed were produced in the form of powder for AM using gas atomization. Powders were analyzed to determine their microstructure in relation to the chemistry and cooling rate. By adjusting properly, the printing parameters, these high manganese steel powders were successfully printed in AM, resulting in relative densities exceeding 99.9%. The microstructure of these fully dense samples was analyzed and compared to their respective powders, in order to identify any difference resulting from variations in cooling rate and thermal cycling. Lastly, after defining the best set of printing conditions for each powder composition, various samples were produced to evaluate the mechanical properties, to determine the correlation between the composition, microstructure and properties of these steels. In addition, lattice structures that are close to final part geometries were constructed to quantify the energy absorbed during compression by one of these high manganese steels. The results were then compared to those of 316L, revealing that the high manganese steel absorbs roughly twice as much the specific energy in compression. This finding demonstrates the potential of these novel AM steels for use in industrial applications. / Sánchez Poncela, M. (2024). Design of High Mn Fe-Mn-Al-C Low Density Steels for Additive Manufacturing [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/205174