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Selezione e progettazione dei materiali per applicazioni ingegneristiche (SPMAI)

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

A.A. 2020/21

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea in Ingegneria Dei Materiali - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica (Mechanical Engineering) - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Dell'Autoveicolo (Automotive Engineering) - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Dell'Autoveicolo - Torino
Corso di Laurea in Electronic And Communications Engineering (Ingegneria Elettronica E Delle Comunicazioni) - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Chimica E Alimentare - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Civile - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Edile - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Energetica - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Per L'Ambiente E Il Territorio - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Fisica - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale - Torino

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Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/21 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2018/19
I materiali e, in particolare la loro integrazione in prodotti, componenti e perfino complesse strutture ad alto valore aggiunto misurano il livello socio-economico di un paese industrializzato nonché le sue potenzialità di crescita e di sviluppo tecnologico. I materiali, grazie alle loro molteplici proprietà (es. meccaniche, chimiche, fisiche, metallurgiche, ecc.), sono imprescindibili per lo sviluppo innovativo della maggior parte dei settori ingegneristici. Le prestazioni d'impiego di tali prodotti o strutture dipendono dalle proprietà intrinseche dei materiali e dai relativi processi produttivi. La tendenza futura é quella di realizzare prodotti e strutture sempre più complesse la cui progettazione impone conoscenze fortemente interdisciplinari che coinvolgono oltre che la scienza dei materiali, la fisica, la chimica e la scienza delle costruzioni anche fattori di sostenibilità ambientale, consumo energetico, efficiente utilizzazione delle materie prime, ecc., allargando notevolmente lo spazio di progettazione e rendendo più complessa e intricata la progettazione e l'ottimizzazione dei prodotti. Per far fronte a tali sfide, la progettazione ingegneristica moderna deve necessariamente fondarsi sempre più su conoscenze interdisciplinari passando attraverso il linguaggio della simulazione numerica al computer. Da qui la rilevanza per il futuro ingegnere progettista di acquisire innanzitutto le basi e gli strumenti per una migliore comprensione delle relazioni tra proprietà dei materiali e prestazioni dei componenti, comprendendo inoltre i processi produttivi (intesi come generica interazione tra materiale e ambiente) unitamente alla sostenibilità ambientale. L’interazione fra materiale e processo produttivo del componente, inoltre determina le possibili forme del componente stesso, dando origine a ulteriori vincoli. Questa complessità impone la conoscenza di differenti criteri di progettazione dei materiali con combinazioni complesse di proprietà in presenza di vincoli e obiettivi multipli in certi casi contrapposti. Il corso intende fornire metodologie interdisciplinari unitamente a strumenti software versatili come il CES-EDUPACK per formulare e risolvere modelli ingegneristici fondamentali connessi ai materiali e alle loro interazioni con l'ambiente circostante. Si tratteranno inizialmente le metodologie di scelta guidata dei materiali con l'ausilio del CES-EDUPACK, che permette allo studente una visibilità completa di circa 3000 materiali e 400 processi produttivi da cui attingere. La metodologia permette di dimensionare la sezione resistente di componenti profilati, piani e massivi in base a tipologie di sollecitazione di diversa natura (meccaniche, chimiche, fisiche, ecc.). In casi più realistici ma più complessi é possibile tener conto del tipo di microstruttura del materiale. Successivamente si analizzeranno processi fisici e cinetici nei materiali. Verranno sviluppati metodi di calcolo ingegneristico d'interesse per un'ampia gamma di applicazioni pratiche, per acquisire infine una capacità individuale di "problem solving" ingegneristico. I vari casi di studio sono scelti fra quelli fondamentali dell'ingegneria, molti dei quali già studiati nei corsi di base. Qui, vengono risolti utilizzando una serie di algoritmi, in modo singolo o combinato, al fine di offrire approcci di soluzione robusti e versatili per trattare una vasta gamma di problemi ingegneristici. Le lezioni e le esercitazioni in aula e in laboratorio intendono guidare lo studente alla comprensione dei casi di studio, alla formulazione delle relative procedure di calcolo (flow chart), all’analisi critica dei risultati così da maturare il richiesto "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. The future tendency is directed towards an ever increasing complexity of products in geometry, structure and 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 produce and optimize. To meet these challenges, the future design engineer has to master interdisciplinary engineering with computer simulation. Learning of the fundamentals and tools aiding a better understand of 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 investigated as a further constraint to the design methodology. Moreover, multidisciplinary complexity impose different design criteria to be illustrated so that multiple properties, restrictions and multiple objectives can be combined and solved simultaneously. Thus, the course provides interdisciplinary design methodologies and flexible software tools, such as CES-EDUPACK, to model and solve fundamental and engineering problems related to materials and their interactions under various kind of constraints. The first part deals with the selection of materials aided by the CES-EDUPACK software. This package gives access to a universe of more than 3000 materials and 400 manufacturing processes to choose from with their complete list of properties and qualities respectively. The package is then applied to multidisciplinary design of bulk components of complex cross section and shaped thin sheets while loaded by mechanical, chemical, physical, etc. forces individually or simultaneously. To achieve a more realistic but more complex view of materials their microstructure is taken into account as well. Physical and kinetic processes in materials is subject of the second part of the course. Appropriate computational engineering methods are developed to solve a wide range of practical applications so that the student can grow an individual” engineering capability “ to problem solving. Various case studies are solved being inspired from subjects learned in basic courses. Computational algorithms are selected in order to be enough general and robust for handling a wide range of engineering problems. Lectures, exercise and laboratories classes are intended to guide the student to understanding the case studies, to construct the related computational procedures (flow chart), to conduct a critical analysis of the results so that the student can grow his own requested “engineering insight”.
Capacità di scelta dei materiali e dei processi assistita dal software CES-EDUPACK in base alle prestazioni richieste dalla specifica applicazione compresi i vincoli LCA di sostenibilità ambientale. Capacità di risolvere algoritmi d'interesse ingegneristico. Sviluppo di metodologie di calcolo dedicate allo studio di fenomeni fondamentali (cinetici e fisici) nei materiali. 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 e descrizione delle difficoltà incontrate nella realizzazione dei miniproject. Capacità di approccio al 'problem solving' volta alla risoluzione di casi di studio nel settore 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 sulla 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 28H, ESERCITAZIONI IN AULA 8H, LABORATORIO 24H) Lezioni (28 h) Richiami fondamentali. Principali proprietà dei materiali (elettriche, magnetiche, dielettriche, chimiche, termiche, acustiche e meccaniche); leggi costitutive fondamentali; concetto di microstruttura; processi produttivi comuni; regola delle miscele solide (6H). Criteri di scelta dei materiali con l'ausilio del CES-EDUPACK. Introduzione all’ambiente; organizzazione dei dati sui materiali: dati strutturati e non strutturati; dati tabulati e diagrammati per singole proprietà; mappe di proprietà; indici di prestazione del materiale, funzione obiettivo (minimizzazione della massa, costo, emissione CO2) e vincoli (sostenibilità ambientale, energia); problemi multiobiettivo; fattore di forma, 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. Soluzioni grafiche e numeriche con esempi di casi semplificati. Mappe di processo (15H). Modellazione dei materiali e processi. Influenza dell’ambiente esterno sui materiali: sorgenti termiche, chimiche ed elettriche. Metodo del Pi-greco (analisi dimensionale) e sue applicazioni a problemi ingegneristici (7H). Esercitazioni in aula (8H) Soluzione di casi studio selezionati (8H). Progettazione dal punto di vista dei materiali per le seguenti applicazioni (elenco esemplificativo e non esaustivo): molle, specchi per grandi telescopi, guarnizioni, diaframmi per attuatori di pressione, coltelli, recipienti in pressione, isolatore termici, accumulatori termici solari. Esercitazioni di laboratorio (24H). Uso del CES-EDUPACK: 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 applicativi d’interesse alle principali discipline ingegneristiche coinvolte nel corso (14H). Esempi esplicativi oggetto di esercitazioni in aula o lezione: a) ossidazione/corrosione di un metallo, b) raffreddamento per immersione/spray di una lastra (tempra), c) processo di saldatura laser; d) estrusione di un polimero; e) processi di deposizione in fase vapore; f) miscelazione meccanica di una miscela liquida; g) trasformazione di fase in materiale con memoria di forma; h) problema di contatto elettrotermico tra due materiali; i) comportamento plastico di un materiale; l) fenomeni di creep e relativo ingrossamento del grano; m) smorzamento di urti in materiali porosi; n) fenomeni di instabilità nei materiali; o) urto di una sfera su una lastra (denting). Risoluzione numerica di casi pratici: acquisizione di dati (es. termocoppia), estrazione delle proprietà meccaniche dalla curva di trazione), calcolo dell'energia sottesa dalla curva tensione-deformazione, rafforzamento delle leghe, comportamento al riscaldamento (ultrasuoni, microonde, fascio elettronico) di una piastra di varia natura (metallica, ceramica, polimerica), determinazione delle proprietà fisiche, termiche e meccaniche in compositi multifase (10H).
(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: 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).
Circa metà delle ore dell'intero corso è rivolta alle esercitazioni in aula e nei laboratori. Le prime hanno lo scopo di guidare lo studente all’applicazione delle metodologie impartite a lezione, le seconde permettono allo studente di risolvere numericamente i casi di studio scelti o assegnati. Simultaneamente lo studente impara a interpretare risultati in modo critico, capacità indispensabile per sviluppare il richiesto “senso ingegneristico”.
Approximately half of the course is devoted to training classes and laboratories. Specifically, while about half of the total number of hours is aimed at instructing and guiding the student to the application of the methodologies taught during lectures the other half allow the student to numerically solve the selected or assigned case studies. At the same time the student learns how assess the achieved results in a critical manner, which an essential ability aimed at growing the required “engineering insight”.
Sono messe a disposizione, a cura del docente, dispense in formato elettronico in aggiunta ai seguenti testi di riferimento: 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 scritta; prova orale obbligatoria; progetto individuale; progetto di gruppo;
La capacità di scelta di un materiale assistita dal software CES-EDUPACK come anche quella di formulare e risolvere numericamente un caso ingegneristico é accertata durante lo svolgimento delle esercitazioni in laboratorio. Tutti gli studenti (individualmente o in coppia) svolgono gli esercizi sotto la guida del docente; quest'ultimo accerta il loro grado di avanzamento ovvero la natura delle loro difficoltà ricalibrando eventualmente la difficoltà dell'esercizio. Il grado di apprendimento dello studente é accertato durante lo svolgimento dei laboratori e in particolare al termine dell'apprendimento dell'ambiente CES-EDUPACK, in particolare con la valutazione di un miniproject (da svolgere individualmente o in coppia) da consegnare obbligatoriamente prima dell’esame finale. La compilazione del miniproject finale fornisce un utile indice individuale di approccio metodologico oltre che di apprendimento dei concetti applicativi svolti a lezione. L’esame finale comprende contestualmente la discussione del miniproject e la prova orale. Lo scopo é valutare individualmente come le capacità di apprendimento dei concetti teorici presentati a lezione e quelli pratici svolti nelle esercitazioni si traducono in capacità di problem solving attraverso la formulazione/risoluzione qualitativa di un problema ingegneristico ex-novo del proprio settore disciplinare. Infine, la discussione dei risultati e le relative conclusioni contenute nella relazione tecnica finale del miniproject forniscono utili indicazioni su come orientare l'orale. Il voto complessivo dell’esame é dato dalla media algebrica del voto del miniproject e quello dell’orale.
Exam: written test; compulsory oral exam; individual project; group 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.


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