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Selezione e progettazione dei materiali per applicazioni ingegneristiche (SPMAI)

01SAQLS, 01SAQJM, 01SAQLH, 01SAQLI, 01SAQLN, 01SAQLP, 01SAQLX, 01SAQLZ, 01SAQMA, 01SAQMB, 01SAQMC, 01SAQMH, 01SAQMK, 01SAQMN, 01SAQMO, 01SAQNX, 01SAQOD, 01SAQPI, 01SAQPL, 01SAQTR

A.A. 2024/25

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

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Organizzazione dell'insegnamento
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Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/21 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
Valutazione CPD 2021/22
2022/23
I materiali, grazie alle loro molteplici proprietà (es. meccaniche, chimiche, fisiche, metallurgiche, ecc.) e applicazioni sono imprescindibili per lo sviluppo innovativo di numerosi settori industriali e ambiti ingegneristici. I prodotti realizzati con materiali innovativi in un paese ne misurano il livello socio-economico unitamente alle sue potenzialità di crescita. I futuri ingegneri delle varie discipline ingegneristiche sono chiamati ad affrontare sfide future sempre più multidisciplinari dovendo coniugare in modo sempre più mirato ed efficiente i nuovi materiali, i relativi processi produttivi ovvero le tecnologie di miniaturizzazione compatibilmente ai vincoli esistenti di sostenibilità energetica, risparmio delle materie prime, impatto ambientale (aria e acqua), ecc. L'attuale spazio della progettazione é oggi notevolmente ampliato rispetto al passato e lo sarà sempre più in futuro dovendo coniugare in modo più incisivo e, con approccio sempre più sistematico, le principali discipline di base con quelle ingegneristiche nonché la loro integrazione con le metodologie di scelta ottimale dei materiali e dei processi sostenibili. Lo scopo del corso SPMAI é quello di fornire i fondamenti, i modelli ingegneristici, gli strumenti computazionali (es. GRANTA-ANSYS e Mathcad) e la loro integrazione all'interno di una metodologia di progettazione multidisciplinare capace di coniugare simultaneamente le diverse discipline di base e ingegneristiche finalizzata per una progettazione multidisciplinare comprensiva dei metodi di scelta ottimale e sostenibile dei processi, della forma del componente o dispositivo, della composizione nonché della struttura interna del materiale (monolitica, porosa, composita, microarchitettata). La metodologia sviluppata si esplica attraverso la risoluzione di problemi ingegneristici multidisciplinari e multiobiettivo. Si mostrano esempi di dimensionamento di componenti soggetti a carichi di diversa natura (meccanica, chimica, elettrica, magnetica, termica, ecc.), varie forme strutturali (1D, 2D, 2D), microstruttura interna (densa/porosa, omogenea/composita, monostrato/multistrato). Il software Mathcad offre un ambiente semplice e versatile per risolvere numericamente ovvero analiticamente problemi di integrati di progettazione multifisica di componenti strutturali e/funzionali, accoppiati ai processi produttivi e alla multiscala dei materiali. L'ampia gamma di applicazioni pratiche trattate nel corso, unitamente a quelli proposti dagli stessi studenti in classe, permette a ognuno di loro di maturare l'ambita capacità di "problem solving" ingegneristico. I casi di studio, oggetto di project finale, saranno scelti dagli studenti in linea con il proprio orientamento ingegneristico. Le lezioni (limitate al 30% delle ore totali) e le esercitazioni in laboratorio (restante 70%) hanno lo scopo di impartire le basi della metodologia di progettazione, familiarizzare con gli strumenti software forniti nel corso, di guidare lo studente dapprima alla comprensione dei casi di studio e, in ultimo alla formulazione autonoma, nonché risoluzione, interpretazione dei risultati dei casi di studio così da sviluppare l'ambito "senso ingegneristico".
Materials, particularly their integration into products, e.g., components and complex structures, determine the socio-economical level of high developed and industrialized countries as well as their potentials of growth and technological development. Materials, due to their multiple properties (e.g. mechanical, chemical, physical, metallurgical, etc.) are essential for the innovative development of most engineering sectors. Products performances depend on both material properties and manufacturing processes. Future engineering education is directed towards an ever increasing complexity of products in terms of geometry, material, microstructure or microarchitecture. Their proper design requires highly interdisciplinary fundamental knowledge of materials science, physics, chemistry, strength of materials and compliances with environmental and energy constraints, efficient use of raw materials, customized design thereby making them more difficult to design, produce and optimize while being sustainable. To meet all these challenges, the future design engineer has to master multidisciplinary engineering design with the aid of computer modelling and simulation. Learning of the fundamentals and tools aiding a better understand the relationship between materials properties, component performance, manufacturing and environmental issues is of paramount importance. As the interaction between material and manufacturing process determines the component shape, the latter is then analyzed as a further constraint to the design methodology. Moreover, multidisciplinary complexity impose different design criteria to be combined ssuch that multiple material properties, constrains and objectives need to be solved simultaneously . Thus, the course provides interdisciplinary design methodologies along with flexible software tools, such as GRANTA-ANSYS, to model and solve coupled fundamental-engineering problems related to materials and their interactions under multiple or conflicting constraints. Nearly 70% of te course is devoted to laboratory modeling and training exercise, just 30% theoretical review. The first part deals with the selection of materials and processes aided by the GRANTA-ANSYS software, involving materials the product shape and microstructure. This software allows the student to access a universe of more than 4000 materials and more than 250 manufacturing processes to choose from with their complete list of attributes and qualities respectively. The package is then applied to multidisciplinary design of bulk components of complex cross section and shaped thin sheets under multiple loading (mechanical, chemical, physical, etc.) conditions. More realistic but more complex view of materials can be achieved assuming the change of material microstructure as a variable factor. Appropriate engineering solution methods and computational tools will be developed in the second part of the course using the MathCad software to analyze a wide range of engineering problems. The kinetic models combined to the structural aspects of materials or to the processing phenomena will be analyzed and solved numerically for a number of practical cases. As a whole of both approaches, the student will be able to build an individual” engineering capability “ to problem solving. Numerous case studies to be solved and discussed will be proposed by the teacher or selected by the students taking inspiration from the education profile of the student. Lectures, exercise and laboratories classes are intended to guide the student to understand the case studies, to build own computational tools (flow chart), needed to carry a critical a-posteriori analysis of the results so that the student can strengthen his own desirable “engineering insight”.
Capacità di scelta dei materiali e dei processi assistita dal software GRANTA-ANSYS in base alle prestazioni richieste dalle specifiche applicazioni compresi i vincoli di LCA e sostenibilità ambientale. Capacità di risolvere algoritmi d'interesse ingegneristico. Capacità di sviluppo di metodologie di calcolo dedicate allo studio di fenomeni fondamentali (cinetici e fisici) nei materiali o nei processi produttivi. Acquisizione del “senso ingegneristico” attraverso l’interpretazione e l’analisi critica dei risultati numerici ottenuti. Capacità di redigere una relazione tecnica inerente i casi di studio assegnati (miniproject) con annessa analisi critica dei risultati. Capacità di approccio al 'problem solving' in riferimento alla risoluzione di prescelti casi di studio compatibili con l'orientamento ingegneristico individuale.
Capability of selecting materials and manufacturing processes aided by the CES-EDUPACK package for the engineering application at hand including the LCA constraints of sustainable environment. Capability of solving algorithms of engineering interest. Development of computational methodologies applied to fundamental phenomena (physical and kinetic) in materials. Growth of the required “engineering insight” though the interpretation and the analysis of the achieved numerical results. Capability of writing a technical report on the assigned case study (miniproject) which among other includes a critical assessment of the results and the comments on the difficulties encountered to perform the miniproject. Capability of approaching to “the problem solving” by solving a case study in the engineering field of the student.
Il corso richiede conoscenze pregresse di Analisi I, Analisi II, Fisica I e II, scienza delle costruzioni, scienza e tecnologia dei materiali/materiali metallici, e nozioni di trasmissione del calore.
The basic fundamentals of Mathematical Analysis I, Mathematical Analysis II, Physics I, Physics II, Strength of Materials, Materials Science and Technology/Metallic Materials and Technology, Heat and Mass Transfer are assumed as learned by the student.
(LEZIONI 14h, ESERCITAZIONI DI LABORATORIO 46h) Lezioni (14h) Richiami e fondamenti di scienza e tecnologia dei materiali. Principali proprietà dei materiali (elettriche, magnetiche, dielettriche, chimiche, termiche, acustiche e meccaniche); leggi costitutive ; concetto di microstruttura; processi produttivi; criteri di scelta dei materiali con l'ausilio del GRANTA-ANSYS; introduzione all’ambiente; mappe (a bolle) di Ashby delle proprietà; indici di prestazione del materiale, fattori di forma, funzione obiettivo e obiettivi multipli o conflittuali (minimizzazione della massa, costo, emissione CO2); definizione dei vincoli; relazione tra proprietà del materiale e (micro/macro)-struttura. Criteri di scelta di un materiale in funzione di sollecitazioni singole: a) elastiche, b) termiche, c) elettriche d) tenacità a frattura e sollecitazioni combinate. Criteri di scelta dei processi (6h). Richiami teorici ai metodi di calcolo ingegneristico; modellazione dei materiali e dei processi, determinazione delle proprietà con l'ausilio di modelli atomistici (8h). Esercitazioni di laboratorio (24h). Uso del GRANTA-ANSYS: scelta dei materiali mediante le mappe di Ashby e varie funzioni obiettivo (peso, prestazioni, costo, impatto ambientale e consumo energetico); formulazione e risoluzione di casi di studio applicati alle principali discipline ingegneristiche coinvolte nel corso (scelta di una barra antiintrusione, rotore centrifugo, pannelli per serbatoi in pressione, pannelli multistrato con schiuma interna, ecc. (8h) Introduzione all'ambiente Mathcad; apprendimento della maggior parte dei comandi di risoluzione analitica e numerica. Risoluzione di problemi ingegneristici mediante MathCad: derivazione delle proprietà dei materiali dalla curva di Lennard-Jones, operazioni vettoriali mediante l'applicazione delle quattro regole di Humé-Rothery, estrazione delle proprietà meccaniche dalla curva di trazione (ovvero di indentazione strumentata) nel caso di una lega AA2198 o rame; calcolo dell'energia sottesa dalla curva; trattamento di dati "rumorosi", best fitting di dati sperimentali con funzioni lineari, di potenza e spline; risoluzione di problemi di trasmissione del calore in transitorio applicati a processi di riscaldamento/raffreddamento dei materiali; risoluzione di problemi di campo 2D in stazionario (BVP); risoluzione di problemi dinamici applicati alle schiume (16h).
(LECTURES 28H, EXERCISE CLASS 8H, LABORATORY 24H) Letures (28H). Recall of basic fundamentals. Relevant materials properties (electrical, magnetic, dielectric, chemical, optical, thermal, acoustic and mechanical); main constitutive laws; concept of microstructure; common manufacturing processes; mixture rule in solid solution (6H). Criteria of materials selection with the aid of CES-EDUPACK. Introduction to the software; display of material property data: structured and maps; construction of property tables and graphs; performance indices of the material, objective function (minimum of mass, cost CO2 emission) and constraints (sustainable environmental factor, energy consumption); multi-objective problems; shape factor, relationship between material properties and (micro/macro)-structure. Criteria of material selection as a function of either one single type of load (a) elastic, b) thermal, c) electrical, d) fracture toughness) and combined loads of different nature. Graphical and numerical solutions applied to simple problems. Manufacturing process maps (15H). Modeling of materials and processes. Influence of surrounding environment on materials; effects from heat, chemical and electrical sources. The theory of dimensional analysis (PI-theorem) and its application to engineering problems (7H). Training classes (8H) Solution of selected cases studies (8H). Materials-based design applied (but not restricted only to) applications such as: springs, mirrors for large telescope, pressure tanks, cutting tools, membrane for pressure actuator, thermal insulators, solar heat sinks. Training laboratory (24H). Introduction to CES-EDUPACK: selection of materials by means of Ashby maps and various objective and constraint functions (weight, performance, cost, environment impact, energy consumption). Modeling and solution of case studies of interest to engineering disciplines involved in the course (14H). Case studies presented in training classes or lectures: a) oxidation/corrosion of a metal, b) quenching of a plate by water immersion or spray, c) laser welding, d) polymer extrusion, e) gas phase deposition, f) mixing by stirring of a liquid mixture; g) phase transformations of a shape memory alloy, h) electrothermal contact between two materials, i) plastic behavior of an alloy, l) creep and grain growth of high temperature component, m) damping properties of a foam material after impact; n) instability phenomena in materials, o) impact of a sphere over a plate (denting). Numerical solution of practical basic problems using MathCad: I/O data acquisition (e.g., thermocouple), mechanical properties extraction (from tensile curve), total mechanical energy subtended by the stress-strain curve, strengthening methods of alloys, materials (e.g., metallic, ceramic, polymer) behavior after heating with a selected source (ultrasonic, microwave, electron beam), determination of physical, thermal and mechanical properties in multiphase composite (10H).
SI VUOLE DISCUTERE L'OPPORTUNITA' DI FORNIRE IL CORSO IN LINGUA INGLESE QUALORA QUESTO POSSA PORTARE A UN SIGNIFICATIVO INCREMENTO DEL NUMERO DI STUDENTI BENEFICIARI DEL CORSO.
SI VUOLE DISCUTERE L'OPPORTUNITA' DI FORNIRE IL CORSO IN LINGUA INGLESE QUALORA QUESTO POSSA PORTARE A UN SIGNIFICATIVO INCREMENTO DEL NUMERO DI STUDENTI BENEFICIARI DEL CORSO.
Il 30% delle ore del corso sono destinate alle lezioni teoriche per lo sviluppo delle singole parti della metodologia integrata proposta. Il restante 70 é impiegato nelle esercitazioni di laboratorio con lo scopo di guidare lo studente alla comprensioni degli strumenti software messi a disposizione, all’applicazione delle metodologie, alla risoluzione pratica o numerica dei casi di studio proposti, scelti o assegnati. Gli esercizi assegnati, benché non obbligatori, permettono al docente di: a) monitorare sistematicamente il grado di apprendimento ovvero di difficoltà manifestato dagli studenti, circostanza possibile data la provenienza variegata degli studenti; b) comprendere la difficoltà ed eventualmente porre rimedio e quindi modulare le lezioni e/o le esercitazioni per permettere un progresso omogeneo a tutti gli studenti durante il corso, c) educare ed abituare gli studenti a compilare i propri elaborati adempiendo a tutti i requisiti necessari onde massimizzare il massimo profitto nei project finali.
Approximately half of the course is devoted to training computational classes in laboratory. Specifically, while approximately half of the course is aimed at instructing and guiding the student to target applications and methodologies taught during lectures the other half of the course allow the student to numerically solve the selected/assigned case studies. At the same time the student learns how to assess the achieved his achieved results in a critical manner, which an essential capability needed to grow the desirable “engineering insight”.
Il materiale relativo alle lezioni e alle esercitazioni é reso disponibile in anticipo, prima della lezione/esercitazione, nella forma di slide powerpoint sul portale della didattica del corso. Sono altresì messe a disposizione le videolezioni registrate nei due anni precedenti comprensive di ulteriori casi di studio. Per comprendere appieno i due ambienti software, sono inoltre disponibili videolezioni di breve durata e finalità specifica per ciascuno di essi. Per una maggiore comprensione della metodologia di scelta dei materiali e dei processi sono suggeriti i seguenti testi didattici: M. F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design, 4th Edition; 2014. M. F. Ashby, Materials and the Environment: Eco-informed Material Choice, Butterworth-Heinemann, 2009. M. F. Ashby and K. Johnson, Materials and Design: the art and science of materials selection in product design, 2nd Ed., 2010.
Electronic notes will be uploaded by the teacher before lecture together with the following text books: M. F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design, 4th Edition; 2014. M. F. Ashby, Materials and the Environment: Eco-informed Material Choice, Butterworth-Heinemann, 2009. M. F. Ashby and K. Johnson, Materials and Design: the art and science of materials selection in product design, 2nd Ed., 2010.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale individuale;
Exam: Compulsory oral exam; Individual project;
L'esame orale ha lo scopo di esaminare in dettaglio i due project, coerentemente con il l'orientamento ingegneristico dello studente, di evidenziarne chiaramente gli aspetti più salienti e originali attraverso un'analisi critica dei risultati e la messa in evidenza di eventuali difficoltà riscontrate durante lo svolgimento. Il voto finale é dato dalla somma algebrica dei voti assegnati ai due elaborati individuali obbligatori, realizzati rispettivamente con GRANTA e MathCad in seguito alla presentazione orale. Il voto finale può essere incrementato di ulteriori 2-3 punti quanto lo studente ha svolto periodicamente e puntualmente i seguenti elaborati, inviandone copia al docente: a) esercizi assegnati durante il corso, b) project di medio periodo comprensivo di spunti originali e completezza. Il project di medio periodo (assegnato e comune a tutti) richiede l'impiego di circa il 70% di tutte le conoscenze computazionali Mathcad richieste nel corso. Con il project finale GRANTA, lo studente sceglie un proprio componente o dispositivo funzionale/ strutturale, ne applica le metodologie di progettazione e/o scelta multiobiettivo dei materiali e dei relativi processi manifatturieri ottimizzandone la forma sulla base dei vincoli imposti compresi quelli di costo e sostenibilità. Con il project finale MathCad lo studente sceglie un argomento di proprio interesse, in linea con il proprio orientamento ingegneristico, ne formula l'algoritmo risolutivo, lo implementa su Mathcad, lo risolve e lo confronta con i risultati presenti in un articolo scientifico di riferimento tratto dalla letteratura internazionale o da libri di testo preselezionati ad hoc dal docente.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Compulsory oral exam; Individual project;
The capability of material selection aided by CES-EDUPACK as well as that of modeling and numerically solving engineering case studies is evaluated during the training laboratories. All students (individually or in couple) develop the assigned exercises under the guidance of the teacher who assesses either their degree of progress or the type of difficulties by eventually adjusting the difficulty of the exercise. The overall degree of learning of the student is assessed especially at the end of training on CES-EDUPACK, specifically with the evaluation of the miniproject (to be developed individually or in couple) which has to be completed and delivered before the final exam. The development of the final miniproject provides a useful means of evaluation of the individual student in terms of methodological approach other than of the learning ability of the basic concepts presented in lectures. The final exam includes both the discussion of the miniproject and an oral test. It attempts to evaluate individually to which level the learning and training abilities acquired by the student in the course allow him to setup and qualitatively solve an ex-novo engineering problem in the field of his interest. The criticism and conclusions contained in the technical report of the miniproject gives an hint on how to direct the oral test. The final mark of the exam results from averaging the mark of the miniproject and that of the oral test.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
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