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".

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 di 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, 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).

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”.

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 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.

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.