PORTALE DELLA DIDATTICA

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Selezione e progettazione dei materiali per applicazioni ingegneristiche (SPMAI)

01SAQLS, 01SAQJM, 01SAQLH, 01SAQLI, 01SAQLN, 01SAQLP, 01SAQLX, 01SAQLZ, 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 Design E Comunicazione - 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 Elettrica - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale - 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
Lezioni 48
Esercitazioni in aula 12
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Maizza Giovanni Professore Ordinario IIND-03/C 48 12 0 0 5
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/21 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2022/23
I materiali, grazie alle loro molteplici proprietà (es. meccaniche, chimiche, fisiche, metallurgiche, ecc.) e applicazioni sono imprescindibili per lo sviluppo innovativo di numerosi settori industriali e ambiti ingegneristici. I prodotti realizzati con materiali innovativi in un paese ne misurano il livello socio-economico unitamente alle sue potenzialità di crescita. I futuri ingegneri delle varie discipline ingegneristiche sono chiamati ad affrontare sfide future sempre più multidisciplinari dovendo coniugare in modo sempre più mirato ed efficiente i nuovi materiali, i relativi processi produttivi ovvero le tecnologie di miniaturizzazione compatibilmente ai vincoli esistenti di sostenibilità energetica, risparmio delle materie prime, impatto ambientale (aria e acqua), ecc. L'attuale spazio della progettazione é oggi notevolmente ampliato rispetto al passato e lo sarà sempre più in futuro dovendo coniugare in modo più incisivo e, con approccio sempre più sistematico, le principali discipline di base con quelle ingegneristiche nonché la loro integrazione con le metodologie di scelta ottimale dei materiali e dei processi sostenibili. Lo scopo del corso SPMAI é quello di fornire i fondamenti, i modelli ingegneristici, gli strumenti computazionali (es. GRANTA-ANSYS e Mathcad) e la loro integrazione all'interno di una metodologia di progettazione multidisciplinare capace di coniugare simultaneamente le diverse discipline di base e ingegneristiche finalizzata per una progettazione multidisciplinare comprensiva dei metodi di scelta ottimale e sostenibile dei processi, della forma del componente o dispositivo, della composizione nonché della struttura interna del materiale (monolitica, porosa, composita, microarchitettata). La metodologia sviluppata si esplica attraverso la risoluzione di problemi ingegneristici multidisciplinari e multiobiettivo. Si mostrano esempi di dimensionamento di componenti soggetti a carichi di diversa natura (meccanica, chimica, elettrica, magnetica, termica, ecc.), varie forme strutturali (1D, 2D, 2D), microstruttura interna (densa/porosa, omogenea/composita, monostrato/multistrato). Il software Mathcad offre un ambiente semplice e versatile per risolvere numericamente ovvero analiticamente problemi di integrati di progettazione multifisica di componenti strutturali e/funzionali, accoppiati ai processi produttivi e alla multiscala dei materiali. L'ampia gamma di applicazioni pratiche trattate nel corso, unitamente a quelli proposti dagli stessi studenti in classe, permette a ognuno di loro di maturare l'ambita capacità di "problem solving" ingegneristico. I casi di studio, oggetto di project finale, saranno scelti dagli studenti in linea con il proprio orientamento ingegneristico. Le lezioni (limitate al 30% delle ore totali) e le esercitazioni in laboratorio (restante 70%) hanno lo scopo di impartire le basi della metodologia di progettazione, familiarizzare con gli strumenti software forniti nel corso, di guidare lo studente dapprima alla comprensione dei casi di studio e, in ultimo alla formulazione autonoma, nonché risoluzione, interpretazione dei risultati dei casi di studio così da sviluppare l'ambito "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. Future engineering education is directed towards an ever increasing complexity of products in terms of geometry, material, microstructure or 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 design, produce and optimize while being sustainable. To meet all these challenges, the future design engineer has to master multidisciplinary engineering design with the aid of computer modelling and simulation. Learning of the fundamentals and tools aiding a better understand 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 analyzed as a further constraint to the design methodology. Moreover, multidisciplinary complexity impose different design criteria to be combined ssuch that multiple material properties, constrains and objectives need to be solved simultaneously . Thus, the course provides interdisciplinary design methodologies along with flexible software tools, such as GRANTA-ANSYS, to model and solve coupled fundamental-engineering problems related to materials and their interactions under multiple or conflicting constraints. Nearly 70% of te course is devoted to laboratory modeling and training exercise, just 30% theoretical review. The first part deals with the selection of materials and processes aided by the GRANTA-ANSYS software, involving materials the product shape and microstructure. This software allows the student to access a universe of more than 4000 materials and more than 250 manufacturing processes to choose from with their complete list of attributes and qualities respectively. The package is then applied to multidisciplinary design of bulk components of complex cross section and shaped thin sheets under multiple loading (mechanical, chemical, physical, etc.) conditions. More realistic but more complex view of materials can be achieved assuming the change of material microstructure as a variable factor. Appropriate engineering solution methods and computational tools will be developed in the second part of the course using the MathCad software to analyze a wide range of engineering problems. The kinetic models combined to the structural aspects of materials or to the processing phenomena will be analyzed and solved numerically for a number of practical cases. As a whole of both approaches, the student will be able to build an individual” engineering capability “ to problem solving. Numerous case studies to be solved and discussed will be proposed by the teacher or selected by the students taking inspiration from the education profile of the student. 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”.
Capacità di scelta dei materiali e dei processi assistita dal software GRANTA-ANSYS in base alle prestazioni richieste dalle specifiche applicazioni compresi i vincoli di LCA e sostenibilità ambientale. Capacità di risolvere algoritmi d'interesse ingegneristico. Capacità di sviluppo di metodologie di calcolo dedicate allo studio di fenomeni fondamentali (cinetici e fisici) nei materiali o nei processi produttivi. 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. Capacità di approccio al 'problem solving' in riferimento alla risoluzione di prescelti casi di studio compatibili con l'orientamento 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 14h, ESERCITAZIONI DI LABORATORIO 46h) Lezioni (14h) Richiami e fondamenti di scienza e tecnologia dei materiali. Principali proprietà dei materiali (elettriche, magnetiche, dielettriche, chimiche, termiche, acustiche e meccaniche); leggi costitutive ; concetto di microstruttura; processi produttivi; criteri di scelta dei materiali con l'ausilio del GRANTA-ANSYS; introduzione all’ambiente; mappe (a bolle) di Ashby delle proprietà; indici di prestazione del materiale, fattori di forma, funzione obiettivo e obiettivi multipli o conflittuali (minimizzazione della massa, costo, emissione CO2); definizione dei vincoli; 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. Criteri di scelta dei processi (6h). Richiami teorici ai metodi di calcolo ingegneristico; modellazione dei materiali e dei processi, determinazione delle proprietà con l'ausilio di modelli atomistici (8h). Esercitazioni di laboratorio (24h). Uso del GRANTA-ANSYS: 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 applicati alle principali discipline ingegneristiche coinvolte nel corso (scelta di una barra antiintrusione, rotore centrifugo, pannelli per serbatoi in pressione, pannelli multistrato con schiuma interna, ecc. (8h) Introduzione all'ambiente Mathcad; apprendimento della maggior parte dei comandi di risoluzione analitica e numerica. Risoluzione di problemi ingegneristici mediante MathCad: derivazione delle proprietà dei materiali dalla curva di Lennard-Jones, operazioni vettoriali mediante l'applicazione delle quattro regole di Humé-Rothery, estrazione delle proprietà meccaniche dalla curva di trazione (ovvero di indentazione strumentata) nel caso di una lega AA2198 o rame; calcolo dell'energia sottesa dalla curva; trattamento di dati "rumorosi", best fitting di dati sperimentali con funzioni lineari, di potenza e spline; risoluzione di problemi di trasmissione del calore in transitorio applicati a processi di riscaldamento/raffreddamento dei materiali; risoluzione di problemi di campo 2D in stazionario (BVP); risoluzione di problemi dinamici applicati alle schiume (16h).
SI VUOLE DISCUTERE L'OPPORTUNITA' DI FORNIRE IL CORSO IN LINGUA INGLESE QUALORA QUESTO POSSA PORTARE A UN SIGNIFICATIVO INCREMENTO DEL NUMERO DI STUDENTI BENEFICIARI DEL CORSO.
Il 30% delle ore del corso sono destinate alle lezioni teoriche per lo sviluppo delle singole parti della metodologia integrata proposta. Il restante 70 é impiegato nelle esercitazioni di laboratorio con lo scopo di guidare lo studente alla comprensioni degli strumenti software messi a disposizione, all’applicazione delle metodologie, alla risoluzione pratica o numerica dei casi di studio proposti, scelti o assegnati. Gli esercizi assegnati, benché non obbligatori, permettono al docente di: a) monitorare sistematicamente il grado di apprendimento ovvero di difficoltà manifestato dagli studenti, circostanza possibile data la provenienza variegata degli studenti; b) comprendere la difficoltà ed eventualmente porre rimedio e quindi modulare le lezioni e/o le esercitazioni per permettere un progresso omogeneo a tutti gli studenti durante il corso, c) educare ed abituare gli studenti a compilare i propri elaborati adempiendo a tutti i requisiti necessari onde massimizzare il massimo profitto nei project finali.
Il materiale relativo alle lezioni e alle esercitazioni é reso disponibile in anticipo, prima della lezione/esercitazione, nella forma di slide powerpoint sul portale della didattica del corso. Sono altresì messe a disposizione le videolezioni registrate nei due anni precedenti comprensive di ulteriori casi di studio. Per comprendere appieno i due ambienti software, sono inoltre disponibili videolezioni di breve durata e finalità specifica per ciascuno di essi. Per una maggiore comprensione della metodologia di scelta dei materiali e dei processi 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.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale individuale;
Exam: Compulsory oral exam; Individual project;
... L'esame orale ha lo scopo di esaminare in dettaglio i due project, coerentemente con il l'orientamento ingegneristico dello studente, di evidenziarne chiaramente gli aspetti più salienti e originali attraverso un'analisi critica dei risultati e la messa in evidenza di eventuali difficoltà riscontrate durante lo svolgimento. Il voto finale é dato dalla somma algebrica dei voti assegnati ai due elaborati individuali obbligatori, realizzati rispettivamente con GRANTA e MathCad in seguito alla presentazione orale. Il voto finale può essere incrementato di ulteriori 2-3 punti quanto lo studente ha svolto periodicamente e puntualmente i seguenti elaborati, inviandone copia al docente: a) esercizi assegnati durante il corso, b) project di medio periodo comprensivo di spunti originali e completezza. Il project di medio periodo (assegnato e comune a tutti) richiede l'impiego di circa il 70% di tutte le conoscenze computazionali Mathcad richieste nel corso. Con il project finale GRANTA, lo studente sceglie un proprio componente o dispositivo funzionale/ strutturale, ne applica le metodologie di progettazione e/o scelta multiobiettivo dei materiali e dei relativi processi manifatturieri ottimizzandone la forma sulla base dei vincoli imposti compresi quelli di costo e sostenibilità. Con il project finale MathCad lo studente sceglie un argomento di proprio interesse, in linea con il proprio orientamento ingegneristico, ne formula l'algoritmo risolutivo, lo implementa su Mathcad, lo risolve e lo confronta con i risultati presenti in un articolo scientifico di riferimento tratto dalla letteratura internazionale o da libri di testo preselezionati ad hoc dal docente.
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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