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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. 2022/23

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

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
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Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/21 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2020/21
I materiali alla base della maggior parte dei sistemi ingegneristici, strutture più o meno complesse e, in particolare i prodotti 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 mira a 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 computazionale. 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. 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 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, con l'accesso a circa 4000 materiali e 400 processi produttivi. La metodologia delineata permette di dimensionare componenti con sezione trasversale arbitraria, prodotti piani e massivi soggetti a varie tipologie di sollecitazione (meccaniche, chimiche, fisiche, ecc.) e, in taluni casi, anche del tipo di microstruttura del materiale e dei processi produttivi. In secondo luogo, si analizzeranno e si risolveranno processi fisici e cinetici nei materiali con l'ausilio di MathCad. 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. Appropriate engineering methods and computational tools will be developed in the second part of the course to cope with a wide range of engineering problems using the MathCad software. The kinetic combined to the structural aspects of materials will be analyzed and solved numerically. As a result, the student can grow an individual” engineering capability “ to problem solving. Various case studies, inspired from fundamental subjects learned in basic courses of physics and materials science, will be solved. Lectures, exercise and laboratories classes are intended to guide the student to understanding the case studies, to construct the related computational tools (flow chart), to conduct a critical analysis of the results so that he can strengthen his own desirable “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 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 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, componentistica meccanica, filtri, ecc. 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 mediante MathCad: 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 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).
Circa metà delle ore dell'intero corso è rivolta alle esercitazioni di calcolo in laboratorio. 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 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”.
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 orale obbligatoria; Elaborato scritto individuale;
Il voto finale é dato dalla somma di quattro test parziali legati a quattro elaborati individuali e da un esame orale. Il primo test consiste nello svolgimento periodico di esercizi assegnati durante le esercitazioni di calcolo Mathcad. Il secondo é rappresentato dal project di medio periodo. Gli ultimi due test sono rappresentati da due project finali, rispettivamente il project CES-EDUPACK, e il modello MathCad. Lo svolgimento degli esercizi assegnati (primo test), seppure non obbligatori, sono fortemente incentivati in quanto permette agli studenti di fruire di un'attenzione personalizzata del docente che adatta lo svolgimento delle lezioni ed esercitazioni in funzione delle singole capacità/lacune riscontrate, operando in questo modo una costante sorveglianza e e relativo adattamento in corso d'opera. Nel project di medio periodo lo studente applica circa l'80% delle conoscenze computazionali acquisite ed inoltre consegue la necessaria consapevolezza sulle proprie capacità computazionali; inoltre comprende prima e fattivamente i principali requisiti necessari per svolgere il project finale al meglio delle proprie capacità. Nel project finale del CES-EDUPACK, lo studente sceglie il componente o il dispositivo d'interesse ed applica le metodologie di scelta dei materiali e/o di progettazione integrata. Nel project finale MathCad, lo studente sceglie l'argomento d'interesse (tra processi, fenomeni, comportamenti, ecc. sui materiali) traendo spunto da materiale bibliografico pre-selezionato dal docente, sottoforma di articoli scientifici tratti da riviste internazionali o libri di testo universitari. L'esame orale ha lo scopo di chiarire l'approccio metodoloogie seguito dallo studente, lo svolgimento degli elaborati, l'analisi critica dei risultati, elementi di originalità e infine eventuali difficoltà riscontrate durante lo svolgimento dei project finali.
Exam: Compulsory oral exam; Individual essay;
The final mark is the sum of four individual written tests and the oral test. The written tests are: the periodic assignments, mid-period project and the two final projects, namely the CES-EDUPACK project and the MathCad's model project. The first accomplishment, although not obligatory, permit the student to receive a personalized guidance by the teacher during the entire coourse to either enhance his/her skills even further or to overcome learning problems. In the second accomplishment the students utilizes approximately the 80% knowledge requested in the computational section. Moreover, by this test, the student earns complete self-confidence of his/her computational skills or succeeds in solving intermerdiate learning gaps. In the third test, that is the final CES-EDUPACK project, the student chooses an engineering component or device to study in terms of materials selection and component design. In the four test, that is the MathCad model, the student chooses his/her working topic (among a material manufacturing process, phenomena, behaviour, etc.) and develop his model by studying an engineering article taken from international journals or book chapter. The oral presentation aims at clarifying the selected methodolological approach, developement, critical assessment of the results, and originality and encountered difficulties during the development of the final projects.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale individuale;
Il voto finale é dato dalla somma di quattro test parziali legati a quattro elaborati individuali e da un esame orale. Il primo test consiste nello svolgimento periodico di esercizi assegnati durante le esercitazioni di calcolo Mathcad. Il secondo é rappresentato dal project di medio periodo. Gli ultimi due test sono rappresentati da due project finali, rispettivamente il project CES-EDUPACK, e il modello MathCad. Lo svolgimento degli esercizi assegnati (primo test), seppure non obbligatori, sono fortemente incentivati in quanto permette agli studenti di fruire di un'attenzione personalizzata del docente che adatta lo svolgimento delle lezioni ed esercitazioni in funzione delle singole capacità/lacune riscontrate, operando in questo modo una costante sorveglianza e e relativo adattamento in corso d'opera. Nel project di medio periodo lo studente applica circa l'80% delle conoscenze computazionali acquisite ed inoltre consegue la necessaria consapevolezza sulle proprie capacità computazionali; inoltre comprende prima e fattivamente i principali requisiti necessari per svolgere il project finale al meglio delle proprie capacità. Nel project finale del CES-EDUPACK, lo studente sceglie il componente o il dispositivo d'interesse ed applica le metodologie di scelta dei materiali e/o di progettazione integrata. Nel project finale MathCad, lo studente sceglie l'argomento d'interesse (tra processi, fenomeni, comportamenti, ecc. sui materiali) traendo spunto da materiale bibliografico pre-selezionato dal docente, sottoforma di articoli scientifici tratti da riviste internazionali o libri di testo universitari. L'esame orale ha lo scopo di chiarire l'approccio metodoloogie seguito dallo studente, lo svolgimento degli elaborati, l'analisi critica dei risultati, elementi di originalità e infine eventuali difficoltà riscontrate durante lo svolgimento dei project finali.
Exam: Compulsory oral exam; Individual project;
The final mark is the sum of four individual written tests and the oral test. The written tests are: the periodic assignments, mid-period project and the two final projects, namely the CES-EDUPACK project and the MathCad's model project. The first accomplishment, although not obligatory, permit the student to receive a personalized guidance by the teacher during the entire coourse to either enhance his/her skills even further or to overcome learning problems. In the second accomplishment the students utilizes approximately the 80% knowledge requested in the computational section. Moreover, by this test, the student earns complete self-confidence of his/her computational skills or succeeds in solving intermerdiate learning gaps. In the third test, that is the final CES-EDUPACK project, the student chooses an engineering component or device to study in terms of materials selection and component design. In the four test, that is the MathCad model, the student chooses his/her working topic (among a material manufacturing process, phenomena, behaviour, etc.) and develop his model by studying an engineering article taken from international journals or book chapter. The oral presentation aims at clarifying the selected methodolological approach, developement, critical assessment of the results, and originality and encountered difficulties during the development of the final projects.


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