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".

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.

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.

(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).

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”.

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.

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Progetto individuale; Progetto di gruppo;

Exam: Written test; Compulsory oral exam; Individual project; Group project;

... 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.

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.