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PORTALE DELLA DIDATTICA

Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici

04NIONE

A.A. 2022/23

2022/23

Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di processo con metodi numerici)

Nell'insegnamento sono illustrate le metodologie numeriche utilizzate sia nel campo della progettazione meccanica sia in quello della simulazione dei processi tecnologici. L'insegnamento è costituito da due moduli: uno di carattere progettuale ed uno di carattere tecnologico. Per la parte riguardante la progettazione meccanica sono presentati i metodi numerici agli elementi finiti per la simulazione e il calcolo in condizioni statiche, con cenni anche al comportamento non lineare e dinamiche lineari. Per la parte di simulazione di processo sono presentati i principali approcci simulativi utilizzati nell’ambito dei processi produttivi. Particolare attenzione verrà mostrata per le nuove tecnologie di simulazione utilizzate nell’ambito dell'Industria 4.0. Seguirà l'analisi dettagliata della simulazione del processo di stampaggio ad iniezione di materiali termoplastici.

Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di prodotto con metodi numerici)

Nell'insegnamento sono illustrate le metodologie numeriche utilizzate sia nel campo della progettazione meccanica sia in quello della simulazione dei processi tecnologici. L'insegnamento è costituito da due moduli: uno di carattere progettuale ed uno di carattere tecnologico. Per la parte riguardante la progettazione meccanica sono presentati i metodi numerici agli elementi finiti per la simulazione e il calcolo in condizioni statiche, ed per applicazioni dinamiche lineari. Per la parte di simulazione di processo sono presentati i principali approcci simulativi utilizzati nell’ambito dei processi produttivi. Particolare attenzione verrà mostrata per le nuove tecnologie di simulazione utilizzate nell’ambito dell'Industria 4.0. Seguirà l'analisi dettagliata della simulazione del processo di stampaggio ad iniezione di materiali termoplastici.

Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di processo con metodi numerici)

The subject provides the numerical methodologies used both in the field of mechanical design and in the simulation of technological processes. The course consists of two teaching blocks: one about numerical methods for product design and one about numerical methods for process design. Regarding numerical methods for product design, the finite element methods (FEM) for simulation and computation in static conditions are presented, also with reference to linear and stationary dynamic behavior. For the numerical methods for process design process the main simulation approaches adopted in the production processes are presented. Special attention will be focused on the new simulation technologies used in Industry 4.0. The detailed simulation workflow adopted in the injection molding process of thermoplastic materials will presented and discussed.

Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di prodotto con metodi numerici)

The subject provides the numerical methodologies used both in the field of mechanical design and in the simulation of technological processes. The course consists of two teaching blocks: one about numerical methods for product design and one about numerical methods for process design. Regarding numerical methods for product design, the finite element methods (FEM) for simulation and computation in static conditions are presented, also with reference to linear and stationary dynamic behavior. For the numerical methods for process design process the main simulation approaches adopted in the production processes are presented. Special attention will be focused on the new simulation technologies used in Industry 4.0. The detailed simulation workflow adopted in the injection molding process of thermoplastic materials will presented and discussed.

Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di processo con metodi numerici)

L'obiettivo dell’insegnamento, composto da due moduli (uno di carattere progettuale, l’altro tecnologico) è quello di presentare le metodologie numeriche utilizzate sia nel campo della progettazione meccanica sia in quello della simulazione dei processi tecnologici. Al termine dell'insegnamento si chiederà allo studente di: - essere in grado di eseguire verifiche strutturali con il metodo agli elementi finiti in campo lineare; - conoscere i metodi numerici per il calcolo delle sollecitazioni e per la simulazione di prodotto; - conoscere i metodi numerici per il calcolo delle sollecitazioni e per la simulazione di prodotto; - conoscere i metodi numerici per il calcolo delle sollecitazioni e per la simulazione di processo; - conoscere i principali processi utilizzati per la realizzazione di componenti in materiali polimerici; - essere in grado di utilizzare le tecniche di compressione del tempo nella fase di progettazione prodotto/processo; - essere in grado di utilizzare la simulazione software per ottimizzare i processi di produzione di componenti in materiali polimerici.

Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di prodotto con metodi numerici)

L'obiettivo dell’insegnamento, composto da due moduli (uno di carattere progettuale, l’altro tecnologico) è quello di presentare le metodologie numeriche utilizzate sia nel campo della progettazione meccanica sia in quello della simulazione dei processi tecnologici. Al termine dell'insegnamento si chiederà allo studente di: - essere in grado di eseguire verifiche strutturali con il metodo agli elementi finiti in campo lineare; - conoscere i metodi numerici per il calcolo delle sollecitazioni e per la simulazione di prodotto; - conoscere i metodi numerici per il calcolo delle sollecitazioni e per la simulazione di prodotto; - conoscere i metodi numerici per il calcolo delle sollecitazioni e per la simulazione di processo; - conoscere i principali processi utilizzati per la realizzazione di componenti in materiali polimerici; - essere in grado di utilizzare le tecniche di compressione del tempo nella fase di progettazione prodotto/processo; - essere in grado di utilizzare la simulazione software per ottimizzare i processi di produzione di componenti in materiali polimerici.

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The primary objective of this subject, that consists of two teaching blocks (one about product design and one about process design), is to provide students with the numerical methods used both in the field of mechanical design and in the simulation of technological processes. At the end of the semester, students will: - know the numerical methods for stress calculation and process simulation; - know the main processes used for the production of components in polymeric materials; - know the problems related to the calculation of structures in the nonlinear field; - be able to use time compression techniques in the product/process design phase; - be able to perform structural analysis using the finite element method in the linear field; - be able to use software simulation to optimize the production processes of components in polymeric materials.

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- Knowledge of numerical methods for stress calculation and process simulation - Knowledge of the main processes used for the production of components in polymeric materials - Knowledge of problems related to the calculation of structures in the nonlinear field – Ability to use time compression techniques in the product / process design phase - Ability to perform structural checks using the finite element method in the linear field - Ability to use software simulation to optimize the production processes of components in polymeric materials

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Lo studente che segue l'insegnamento deve avere conoscenze: - degli argomenti trattati negli insegnamenti di disegno tecnico industriale (compresa la capacità di utilizzare sistemi CAD), di tecnologia meccanica e di sistemi integrati di produzione; - di base della progettazione meccanica; - delle nozioni base del calcolo matriciale delle strutture; - dei concetti fondamentali relative alle tecnologie di produzione.

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Lo studente che segue l'insegnamento deve avere conoscenze: - degli argomenti trattati negli insegnamenti di disegno tecnico industriale (compresa la capacità di utilizzare sistemi CAD), di tecnologia meccanica e di sistemi integrati di produzione; - di base della progettazione meccanica; - delle nozioni base del calcolo matriciale delle strutture; - dei concetti fondamentali relative alle tecnologie di produzione.

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The student must have knowledge about: - topics covered in the subjects of industrial mechanical drawing (including the ability to use a CAD software), manufacturing technology and integrated manufacturing systems; - mechanical design; - matrix calculation of the structures; - fundamental concepts related to production technologies.

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- Knowledge of the topics covered in the teachings of industrial technical design, mechanical technology and integrated production systems - Ability to use CAD systems - Basic knowledge of mechanical design - Knowledge of the basic notions of the matrix calculation of the structures - Knowledge of the fundamental concepts related to production technologies

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- Introduzione alla simulazione dei processi produttivi - L'industria 4.0 e la simulazione dei processi produttivi - Generalità sulle materie plastiche sui relativi processi di trasformazione - Teoria e simulazione dello stampaggio ad iniezione di materiali termoplastici - L’interpretazione dei risultati della simulazione e le strategie per il miglioramento della qualità del manufatto - Il ruolo della simulazione di processo nella progettazione degli stampi per lo stampaggio ad iniezione.

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Modulo di Progettazione di prodotto con metodi numerici (docente: Prof. A. Somà) - Analisi Matriciale di Strutture (Principi fondamentale del metodo agli elementi finiti. Funzione di forma. Matrice di rigidezza e sue proprietà. Elementi molla. Elementi truss. Matrice di trasformazione delle coordinate. Carichi nodali equivalenti. Matrice costitutiva del materiale). - Metodo degli Elementi Finiti (Metodi variazionali per la definizione della matrice di rigidezza. Matrice di rigidezza dell'elemento truss ricavata con il metodo dei lavori virtuali. Elementi a due dimensioni. Stato piano di tensione. Stato piano di deformazione. Coordinate generalizzate. Coordinate naturali. Elementi isoparametrici. Jacobiano e sue applicazioni nelle operazioni di derivazione e integrazione. Metodi di integrazione numerica; punti di integrazione. Metodologie di modellazione. Criteri di convergenza. Elementi assialsimmetrici. Elementi a guscio sottile. Shell di Kirchoff. Shell di Mindlin. Il locking - Analisi Dinamica FEM (Concetti fondamentali di analisi dinamica negli elementi finiti. Vibrazioni libere e smorzate). Vibrazioni forzate. Formule fondamentali per i sistemi ad un grado di libertà. Fattore di amplificazione e risonanza. Matrici in analisi dinamica. Matrici di massa "consistenti" e "concentrate". Analisi modale. Guyan reduction. Subspace iteration. Analisi transitoria dinamica. Sovrapposizione modale. Il fattore di partecipazione modale. Cenni sui Metodi di integrazione diretta; metodi impliciti ed espliciti. Analisi di risposta armonica.

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- Fundamentals of simulation of manufacturing processes - Industry 4.0 and the simulation of manufacturing processes - General considerations about polymers and their processing - Theory and FEM simulation of injection molding of thermoplastic materials - Evaluation of process simulation results and strategies for optimization of molding conditions - The role of simulation in molds design.

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CONTENTS (lecturer: A. Salmi) Simulation of manufacturing processes General considerations about plastics Theory and FEM simulation of injection molding of thermoplastic components Evaluation of process simulation results and strategies for optimization of molding conditions The role of simulation in molds design Other manufacturing processes for plastic parts CONTENTS (lecturer: A. Somà) 1. Structural matrix method Fundamental of the structural matrix method and of finite element method for structural applications. Stiffness matrix and its properties. Spring elements. Truss and beam element. Equivalent nodal loads. Assembling procedures. 2. Finite Element Method (FEM) Variational methods for the definition of the stiffness matrix. Stiffness matrix of the truss obtained by the method of virtual work. Elements in two dimensions. Plane stress. Plane strain. Generalized coordinates. Natural coordinates. Isoparametric elements. Jacobian and its applications in the operations of derivation and integration. Methods of numerical integration; quadrature formulas; integration points. Modeling methodologies. Convergence criteria. Axisymmetric elements. Thin shell elements. Shell Kirchoff. Mindlin shell. Locking effect. 3. FEM Dynamic Analysis Basic concepts of dynamic analysis in finite element applications. Free vibration and damped. Forced vibrations. Basic formulas for the systems to a degree of freedom. Amplification factor and resonance. Mass matrices "consistence " and "lumped". Modal Analysis. Guyan reduction. Subspace iteration. Transient dynamic analysis. Modal superposition. The modal participation factor. Methods of direct integration; implicit and explicit methods. Analysis of stability and accuracy of the methods of direct integration. Operators of approximation and load. Stability limit. Analysis of harmonic response.

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Le lezioni teoriche sono affiancate da esercitazioni. Lo scopo di tali esercitazioni è la progettazione (e l’ottimizzazione) del processo di stampaggio a iniezione di un componente plastico mediante un approccio di tipo CAE. Le esercitazioni si svolgeranno utilizzando principalmente il modulo VISI Flow del pacchetto software CAD/CAE/CAM VISI Series sviluppato da Vero Software (http://www.visicadcam.it/visiflow). Le esercitazioni saranno sviluppate in gruppo di 4/5 persone e saranno suddivise in tre squadre. Esse sono finalizzate alla stesura di un elaborato progettuale.

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Modulo di Progettazione di prodotto con metodi numerici (docente: Prof. A. Somà) Le lezioni teoriche sono affiancate da esercitazioni in laboratorio. Come parte integrante dell’insegnamento sono previste esercitazioni pratiche al calcolatore sui principali argomenti svolti a lezione. Le esercitazioni saranno svolte raggruppando gli studenti in squadre. Ciascuna squadra dovrà preparare una relazione contenente la risoluzione dettagliata dei problemi proposti. L’attività di laboratori consiste nella soluzione di esercizi di travature reticolari con ANSYS. Modello e soluzione di strutture 2D e 3D.

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Lectures are complemented by training activities in laboratory. The training activities are about the design (and optimization) of the injection molding process of a plastic component using a CAE-type approach. The training activities take place at the RMLab of the Department of Management Engineering and Production (DIGEP) mainly using VISI Flow, a specific software module of the CAD/CAE/CAM VISI Series software package developed by Vero Software (http://www.visicadcam.it/visiflow). The training activities will be carried out in a team of 4/5 people and will be divided into three main groups. They are aimed at preparing a technical report.

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DELIVERY MODES (lecturer: A. Salmi) Training about process simulation and optimization of molding conditions by means of a specific CAE software for injection molding of plastic components. Training aims to develop a work in small groups (4/5 people) and to prepare a technical report that will be evaluated during the final exam. DELIVERY MODES (lecturer: A. Somà) As part of the subject students will be guided to work on computer examples about the main topics of the lectures. The exercises will be carried out by teams of students. Each team will prepare a report containing the detailed resolution of the problems proposed. The activity consists of solving practical design problems of 2d and 3d mechanical models.

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Le dispense, stampati delle diapositive utilizzate a lezione, vengono messe a disposizione agli studenti iscritti all’insegnamento sul Portale della Didattica. I testi consigliati per approfondimenti: - S. Kalpakjian, S.R. Schmid, Manufacturing Engineering & Technology (7th Edition), Prentice Hall - AA. VV., Manuale dello Stampista, Tecniche Nuove, Milano - G. Bertacchi, Manuale dello Stampaggio progettato, Tecniche Nuove, Milano.

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Modulo di Progettazione di prodotto con metodi numerici (docente: Prof. A. Somà) - A. Gugliotta, Elementi finiti, Editrice Otto - R.D. Cook, Concepts and applications of finite element analysis, Wiley - K.J. Bathe, E.L. Wilson, Numerical methods in finite element analysis, Prentice Hall

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PowerPoint slides presented during lectures will be provided as lecture notes on the subject website. The following books are suggested, but not strictly required: - S. Kalpakjian, S.R. Schmid, Manufacturing Engineering & Technology (7th Edition), Prentice Hall. - AA. VV., Manuale dello Stampista, Tecniche Nuove, Milano. - G. Bertacchi, Manuale dello Stampaggio progettato, Tecniche Nuove, Milano.

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TEXTS, READINGS, HANDOUTS AND OTHER LEARNING RESOURCES (lecturer: A. Salmi) PowerPoint slides presented during lectures will be provided as lecture notes on the subject website. - S. Kalpakjian, S.R. Schmid, Manufacturing Engineering & Technology (7th Edition), Prentice Hall. - AA. VV., Manuale dello Stampista, Tecniche Nuove, Milano. - G. Bertacchi, Manuale dello Stampaggio progettato, Tecniche Nuove, Milano. TEXTS, READINGS, HANDOUTS AND OTHER LEARNING RESOURCES (lecturer: A. Somà) A. Gugliotta, Elementi finiti , Editrice Otto R.D. Cook, Concepts and applications of finite element analysis, Wiley. K.J. Bathe, E.L. Wilson, Numerical methods in finite element analysis, Prentice Hall.

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale in gruppo;

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto prodotto in gruppo;

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Exam: Compulsory oral exam; Group project;

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Exam: Written test; Compulsory oral exam; Group essay;

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L'esame del modulo di Progettazione di processo con metodi numerici è volto ad accertare l'acquisizione delle conoscenze obiettivo dell'insegnamento (descritte nel campo Risultati di apprendimento attesi) e consta di una prova orale e di un elaborato progettale in gruppo. La prova orale obbligatoria consiste nella risposta a 3 domande aperte. Le domande teoriche possono includere l’esecuzione di schemi/disegni o risoluzioni di semplici calcoli. Sono argomenti d’esame tutto quanto spiegato durante le lezioni e le tematiche oggetto dell'elaborato progettuale. La valutazione massima assegnata ad ogni risposta è pari a 8/30 punti, per una valutazione massima complessiva di 24/30. Gli elaborati progettuali sono oggetto di discussione e di revisione in itinere con i docenti durante le ore di esercitazione. La valutazione massima dell'elaborato è di 6/30 e considera (a) la completezza, (b) la correttezza delle soluzioni proposte (c) la pertinenza delle informazioni fornite e verifica la capacità di analizzare situazioni pratiche e di applicare le conoscenze acquisite in un problema produttivo specifico. La valutazione finale del modulo è pari alla somma della valutazione ottenuta nella prova orale e di quella dell’elaborato progettuale. La valutazione complessiva dell’insegnamento è la media aritmetica delle valutazioni finali ottenute nel modulo di Progettazione di prodotto con metodi numerici e nel modulo di Progettazione di processo con metodi numerici.

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Modulo di Progettazione di prodotto con metodi numerici (docente: Prof. A. Somà) L’esame consiste in una prova scritta seguita da una prova orale. Per accedere alla prova orale il candidato deve aver superato la prova scritta con almeno una votazione di 18/30. La prova orale deve essere sostenuta nella stessa sessione in cui è stata superata la prova scritta. Prova scritta La prova della durata di un'ora consiste in 18 domande a risposta multipla valutate al massimo 1 punto ciascuna e 2 domande a risposta aperta valutate al massimo 6 punti ciascuna. Durante la prova scritta non si può utilizzare materiale didattico. Si accede alla prova orale con 18/30 della prova scritta. Prova Orale Per la partecipazione all'esame orale è necessario presentare le relazioni scritte relative alle esercitazioni di progetto. Le relazioni di progetto dovranno essere redatte e depositate da ciascuna squadra sul portale della didattica entro la fine dell’insegnamento. La prova orale consiste nella discussione degli elaborati di progetto e di una verifica sugli argomenti svolti a lezione. La valutazione complessiva del modulo di Progettazione di Prodotto si ottiene dalla media delle valutazioni della prova scritta e della prova orale.

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.

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Exam: Compulsory oral exam; Group project;

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Exam: Written test; Compulsory oral exam; Group essay;

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The aim of the final exam is to verify the student’s knowledge on process simulation. The final exam is composed by two parts: - a oral exam about the topics covered during the lectures; - a groups discussion with evaluation of the technical report of the training. The oral exam contributes to the definition of the final grade for a maximum of 24/30. The oral grade is integrated by the evaluation of the technical report for a maximum of 6 additional points. The overall evaluation of the subject is the arithmetic mean (rounded up) of the final scores obtained in the two teaching blocks (Product Design with numerical methods and Process Design with numerical methods).

Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di prodotto con metodi numerici)

ASSESSMENT AND GRADING CRITERIA (lecturer: A. Salmi) The aim of the final exam is to verify the student’s knowledge on process simulation. The final exam consists of an oral exam and a technical report: - the oral final exam will consist of questions on topics covered during lectures; - evaluation of the technical report. The technical report must be submitted at least one week before the oral examination. ASSESSMENT AND GRADING CRITERIA (lecturer: A. Somà) The exam consists of a colloquium. During the colloquium the students discuss reports of lab projects. The exam consists of a discussion about the FEM methods basis presented during the semester.

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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