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Selezione e progettazione dei materiali per applicazioni ingegneristiche (SPMAI)

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

A.A. 2023/24

2021/22

Selezione e progettazione dei materiali per applicazioni ingegneristiche (SPMAI)

I materiali, grazie alle loro molteplici proprietà (es. meccaniche, chimiche, fisiche, metallurgiche, ecc.), sono imprescindibili per lo sviluppo innovativo di numerosi settori industriali. I materiali sono alla base della maggior parte dei sistemi ingegneristici. I prodotti realizzati con materiali innovativi in un paese ne misurano il livello socio-economico unitamente alle sue potenzialità di crescita. Il futuro ingegnere é chiamato ad affrontare sfide sempre più complesse, più multidisciplinari, maggiore spinta verso la miniaturizzazione, maggiore dipendenza dall'intima conoscenza dei materiali, e imprescindibile attenzione ai problemi di sostenibilità dei processi in termini energetici, materie prime, e impatto ambientale. Ne consegue che lo spazio della progettazione e dell'annessa scelta ottimale dei materiali e dei processi sarà notevolmente allargato e intricato. Per far fronte a tali sfide, l'ingegnere dovrà affidarsi a nuovi strumenti software o di simulazione con i quali fondare una nuova base solida di conoscenza progettuale multidisciplinare. Il corso SPMAI intende fornire i fondamenti, le metodologie e gli strumenti computazionali, come GRANTA-EDUPACK e Mathcad, onde integrare in modo versatile e multidisciplinare la progettazione ingegneristica di nuovi prodotti, strutture o dispositivi ivi compresa la scelta guidata dei materiali e dei processi in rapporto ai vincoli di sostenibilità. La metodologia comporta pertanto la risoluzione di problemi ingegneristici multidisciolinari e multiobiettivo. Con essa sarà possibile dimensionare componenti sottoposti a varie tipologie di sollecitazione (meccaniche, chimiche, elettriche, magnetiche, termiche, ecc.), di sistemi di varia forma, sezione e struttura interna, densi e porosi, piani e profilati, monostrato e multistrato, omogenei e compositi. L'ausilio di Mathcad permetterà di trattare in modo versatile la multifisica dei processi su scala micro- o mesoscopica. L'ampia gamma di applicazioni pratiche trattate permetterà allo studente di acquisire l'ambita capacità di "problem solving" ingegneristico. I casi di studio saranno scelti fra quelli fondamentali dell'ingegneria in linea con l'orientamento di provenienza di ciascun studente. Le lezioni e le esercitazioni in aula e in laboratorio hanno lo scopo di guidare lo studente alla comprensione dei casi di studio, alla formulazione all'applicazione delle metodologie ai casi specifici, alla ricerca delle soluzioni, all’interpretazione dei risultati così da sviluppare integralmente il richiesto "senso ingegneristico".

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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 GRANTA-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 GRANTA-EDUPACK software. Such a package allows the student to access to a universe of more than 3000 materials and 250 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. Numerous case studies, inspired from fundamental subjects learned in basic courses of physics along the engineering measure of each student will be solved. 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”.

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Capacità di scelta dei materiali e dei processi assistita dal software GRANTA-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.

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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.

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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.

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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.

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(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 GRANTA-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 GRANTA-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 di modelli computazionali 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).

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(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).

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Oltre metà delle ore dell'intero corso sono destinate alle esercitazioni di calcolo in laboratorio, scelta dei materiali e progettazione ingegneristica. Le esercitazioni hanno lo scopo di guidare lo studente all’applicazione delle metodologie impartite a lezione, i laboratori permettono di implementare le metodologie nei rispettivi ambienti e 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”.

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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”.

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Sono messe a disposizione dal docente, dispense in formato elettronico mentre 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.

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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.

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Modalità di esame:

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Exam:

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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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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale individuale;

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Il voto finale é dato dalla somma algebrica del voto orale e dei voti attribuiti ai due elaborati individuali obbligatori realizzati con GRANTA e MathCad più eventuali incentivi legati a: a) lo svolgimento periodico e puntuale di esercizi Mathcad assegnati durante il corso, b) alla valutazione del project di medio periodo purché realizzato entro la scadenza prevista. Gli esercizi assegnati unitamente al project di medio periodo, benché non obbligatori, svolgono un triplice scopo: a) monitorare sistematicamente il grado di apprendimento degli studenti ed eventualmente, adattare o modulare le lezioni e/o le esercitazioni riscontrate durante il corso, b) comprendere in tempo le specifiche difficoltà o lacune di singoli studenti e porre tempestivo rimedio, c) educare gli studenti a comporre i propri elaborati secondo le modalità previste nei project finali così da massimizzarne gli effetti per il maggior numero possibile di studenti. Il project di medio periodo (uguale per tutti) richiede l'impiego di circa l'80% delle conoscenze computazionali Mathcad acquisite fino a quel momento, ne consegue che costituisce un momento di autovalutazione per ciascun studente delle proprie capacità/difficoltà. Con il project finale GRANTA, lo studente sceglie un componente o dispositivo funzionale/ strutturale, applica le metodologie integrate multiobiettivo impartite nel corso, sceglie i materiali e i relativi processi manifatturieri - nel rispetto dei vincoli di sostenibilità da oltre 4000 materiali e 300 processi - e infine ne progetta le dimensioni e la forma sulla base dei vincoli imposti. Con il project finale MathCad lo studente sceglie l'argomento di proprio interesse (attingendo dall'area dei processi manifatturieri, fenomeni metallurgici, funzionali e/o strutturali) e ne formula l'algoritmo risolutivo traendo supporto da un articolo scientifico tratto da riviste internazionali o paragrafi di libri di testo preselezionati ad hoc dal docente. L'esame orale ha lo scopo di valutare i due project coerentemente con l'intero percorso formativo svolto con stretto riferimento all'approccio metodologico seguito, all'analisi critica dei risultati, all'originalità tenendo in conto eventuali difficoltà riscontrate e il relativo superamento.

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Exam: Compulsory oral exam; Individual project;

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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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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale individuale;

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Il voto finale é dato dalla somma algebrica del voto orale e dei voti attribuiti ai due elaborati individuali obbligatori realizzati con GRANTA e MathCad più eventuali incentivi legati a: a) lo svolgimento periodico e puntuale di esercizi Mathcad assegnati durante il corso, b) alla valutazione del project di medio periodo purché realizzato entro la scadenza prevista. Gli esercizi assegnati unitamente al project di medio periodo, benché non obbligatori, svolgono un triplice scopo: a) monitorare sistematicamente il grado di apprendimento degli studenti ed eventualmente, adattare o modulare le lezioni e/o le esercitazioni riscontrate durante il corso, b) comprendere in tempo le specifiche difficoltà o lacune di singoli studenti e porre tempestivo rimedio, c) educare gli studenti a comporre i propri elaborati secondo le modalità previste nei project finali così da massimizzarne gli effetti per il maggior numero possibile di studenti. Il project di medio periodo (uguale per tutti) richiede l'impiego di circa l'80% delle conoscenze computazionali Mathcad acquisite fino a quel momento, ne consegue che costituisce un momento di autovalutazione per ciascun studente delle proprie capacità/difficoltà. Con il project finale GRANTA, lo studente sceglie un componente o dispositivo funzionale/ strutturale, applica le metodologie integrate multiobiettivo impartite nel corso, sceglie i materiali e i relativi processi manifatturieri - nel rispetto dei vincoli di sostenibilità da oltre 4000 materiali e 300 processi - e infine ne progetta le dimensioni e la forma sulla base dei vincoli imposti. Con il project finale MathCad lo studente sceglie l'argomento di proprio interesse (attingendo dall'area dei processi manifatturieri, fenomeni metallurgici, funzionali e/o strutturali) e ne formula l'algoritmo risolutivo traendo supporto da un articolo scientifico tratto da riviste internazionali o paragrafi di libri di testo preselezionati ad hoc dal docente. L'esame orale ha lo scopo di valutare i due project coerentemente con l'intero percorso formativo svolto con stretto riferimento all'approccio metodologico seguito, all'analisi critica dei risultati, all'originalità tenendo in conto eventuali difficoltà riscontrate e il relativo superamento.

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Exam: Compulsory oral exam; Individual project;

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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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