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Strategie di sviluppo dei materiali
01VJLMZ
A.A. 2023/24
Lingua dell'insegnamento
Italiano
Corsi di studio
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Dei Materiali Per L'Industria 4.0 - Torino
Organizzazione dell'insegnamento
| Didattica | Ore |
|---|---|
| Lezioni | 69,5 |
| Esercitazioni in laboratorio | 10,5 |
| Tutoraggio | 13,5 |
Docenti
| Docente | Qualifica | Settore | h.Lez | h.Es | h.Lab | h.Tut | Anni incarico |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ugues Daniele | Professore Ordinario | IIND-03/C | 39,5 | 0 | 0 | 0 | 4 |
Collaboratori
Didattica
| SSD | CFU | Attivita' formative | Ambiti disciplinari | CHIM/07 ING-IND/21 |
2 6 |
C - Affini o integrative B - Caratterizzanti |
Attività formative affini o integrative Ingegneria dei materiali |
|---|
2023/24
L'insegnamento prende spunto da alcuni settori strategici per i materiali strutturali, quali quelli dell’autoveicolo, della propulsione aeronautica, della produzione e accumulo di energia, per studiare i criteri con cui si progettano i materiali.
Si parte dalle esigenze specifiche di ogni settore, temperature operative, sollecitazioni critiche, criteri di sicurezza e rispetto delle normative di riferimento, li si coniuga con le esigenze di sostenibilità ambientale ed economica e si definiscono così le strategie con cui sono stati sviluppati i materiali esistenti e con cui si stanno sviluppando i materiali del futuro.
Si inizierà con un inquadramento generale dei criteri di sviluppo dei materiali che fornirà la terminologia, l'approccio e i vincoli da considerare nel progetto ingegneristico, e introdurrà i concetti di tempi di sviluppo e introduzione sul mercato delle innovazioni dei materiali e di Technology Readiness Level (TRL) ed Manufacturing Readiness Level (MRL).
In seguito, l'insegnamento si articolerà in moduli dedicati a ogni settore applicativo, che proporranno un approccio comune alle esigenze specifiche di ogni settore. Si eseguirà pertanto un'analisi di:
- le richieste di prestazioni;
- le strategie di progettazione sui materiali;
- le tecnologie di fabbricazione e trasformazione;
- il panorama degli attuali materiali di riferimento per il settore e dei relativi metodi di lavorazione adottati;
- gli spazi di ulteriore miglioramento;
- i compromessi fra obiettivi tecnologici, di sostenibilità ambientale ed economica.
Affianco alle lezioni teoriche si svolgono anche due laboratori di analisi critica di progetti di prodotti metallurgici e di preparazione di materiali e dispositivi in ambito batterie.
The course deals with some strategic sectors for structural materials, such as those of automotive, of aeronautic propulsion, of energy production and storage. Criteria for materials design in such sectors will be studied.
Specific needs of each sector, such as operating temeperature, critical loads, safety issues and reference standards, represents the starting point for materials design. These aspects will have to meet environmental and economic sustainability constraints to define the strategies with which current materials were developed and with which future materials are under development.
A general review of the development criteria for materials will be given first. Terms, approaches and constraints in the development of engineering materials will be considered. Concepts like development time, time to market, technology and manufacturing readiness level (TRL & MRL) will be analysed.
Following to this general introduction, the course will be organized in modules dedicated to each application sector, reviewing distinguishing elements with a common approach. The analysis will thus consider:
- performance requirements
- strategies of materials design
-fabrication and transformation technologies
- scenario of today reference materials for each sector and the related fabrication routes (concept of materials benefits and not simple datasheet will be given)
- balance between technological targets, environmental and economic sustainability
Besides theoretical lessons two types of laboratory activities will be performed: 1) critical review of a metallurgical product; 2) preparation of materials and equipments in the battery field.
L’obiettivo dell’insegnamento è far sì che gli studenti abbiano la capacità di analizzare le richieste derivanti da uno specifico settore applicativo e di individuare le combinazioni di materiali e processi più adatte a soddisfare tali richieste e a garantire la sostenibilità delle soluzioni proposte. Tale impostazione è denominata in inglese application driven design. Grazie alle conoscenze apprese, lo studente potrà eventualmente formulare ipotesi su come migliorare i materiali attualmente esistenti o valutare l'utilizzo di materiali innovativi.
Ulteriore risultato di apprendimento atteso è la conoscenza approfondita delle tendenze e degli sviluppi della tecnologia degli accumulatori a base litio, relativi materiali e processi sostenibili e una panoramica delle tendenze di sviluppo futuro nel campo.
Per quanto riguarda l’attività di laboratorio, si vuole che lo studente sia in grado di pianificare una serie di sperimentazioni utili a valutare l’adeguatezza di un progetto esistente (ad esempio a seguito di un cedimento prematuro) e i relativi margini di miglioramento.
L’obiettivo dell’insegnamento è che gli studenti abbiano la capacità di analizzare le richieste derivanti da uno specifico settore applicativo e di individuare le combinazioni di materiali e processi più adatte a soddisfare tali richieste e a garantire la sostenibilità delle soluzioni proposte. Grazie alle conoscenze apprese lo studente potrà eventualmente formulare ipotesi su come migliorare i materiali attualmente esistenti o valutare l'utilizzo di materiali innovativi.
Ulteriore risultato di apprendimento atteso è la conoscenza approfondita delle tendenze e degli sviluppi della tecnologia degli accumulatori a base litio, relativi materiali e processi sostenibili e una panoramica delle tendenze di sviluppo futuro nel campo.
Per quanto riguarda l’attività di laboratorio si vuole che lo studente sia in grado di pianificare una serie di sperimentazioni utili a valutare l’adeguatezza di un progetto esistente (a seguito di un cedimento prematuro) e i relativi margini di miglioramento.
Nozioni sulla scienza e tecnologia dei materiali acquisite negli insegnamenti previsti nel primo anno della Laurea Magistrale.
Nozioni sulla scienza e tecnologia dei materiali acquisite negli insegnamenti previsti nel primo anno della Laurea Magistrale.
Introduzione all'insegnamento, alla terminologia e ai concetti di Time to Market, Buy to Fly ratio, TRL, MRL, ecc.
Identificazione delle richieste dello specifico settore applicativo/componente e loro traduzione in specifiche di progetto (metodo della matrice di confronto tra esigenze del prodotto e requisiti dei materiali).
Moduli dedicati ai settori applicativi presi in esame:
I - Resistenza strutturale nel settore automotive
- Design composizionale e microstrutturale;
- Acciai alto & ultra-alto-resistenziali;
- Acciai per trasmissione di potenza;
- Leghe di alluminio alto resistenziali.
II - Resistenza alle medie e alte temperatura per la propulsione aeronautica e la produzione di energia
- Metodi di fabbricazione e trasformazione tradizionali (forgiato e casting) e innovative (fabbricazione additiva; NSHIP);
- Superleghe di Ni, Fe, Co;
- Acciai aeronautici
- Barriere termiche;
- Leghe di Titanio;
- Intermetallici;
- Compositi a Matrice Ceramica;
- Corrosione a caldo, caratteristiche e soluzioni massive e di rivestimento.
III - Tecnologie di accumulo elettrochimico dell’energia
- Principi fondamentali e aspetti elettrochimici di base.
- Materiali attivi (catodi, anodi, elettroliti) e componenti, panoramica degli attuali e futuri sviluppi.
- Metodi di produzione, assemblaggio e sviluppo, tecniche di caratterizzazione avanzate e modelling computazionale.
- Caratteristiche e norme di sicurezza, programma qualità e test batterie.
- Pericoli e criticità, anche relative al trasporto, smaltimento e riciclo.
- Tipologie e campi di applicazione, panoramica sui sistemi futuri post-litio.
Laboratorio I: analisi critica del progetto di un prodotto metallurgico. Si descriveranno i metodi di analisi, saranno forniti esempi applicativi di indagine e sarà lanciata una sfida agli studenti, come da successiva descrizione. Agli studenti, riuniti in gruppi di lavoro, viene affidato lo sviluppo di un progetto di sostituzione di un materiale/processo con un materiale/processo alternativo. A conclusione del lavoro si eseguirà una presentazione dell'attività svolta e delle conclusioni raggiunte.
Laboratorio II: ciclo di esperimenti sullo sviluppo, assemblaggio e caratterizzazione di materiali e dispositivi nel settore delle batterie. A conclusione del lavoro si eseguirà una presentazione del lavoro svolto e di analisi bibliografica per ipotizzare gli spazi di sviluppo futuri nel campo delle batterie.
Introduzione all'insegnamento, alla terminologia e ai concetti di Time to Market, Buy to Fly ratio, TRL, MRL, ecc.
Identificazione delle richieste dello specifico settore applicativo/componente e loro traduzione in specifiche di progetto.
Moduli dedicati ai settori applicativi presi in esame:
I - Resistenza strutturale nel settore automotive
- Design composizionale e microstrutturale;
- Acciai alto & ultra-alto-resistenziali;
- Acciai per trasmissione di potenza;
- Leghe di alluminio alto resistenziali.
II - Resistenza all’alta temperatura per la propulsione aeronautica
- Metodi di fabbricazione e trasformazione tradizionali (forgiato e casting) e innovative (fabbricazione additiva; NSHIP);
- Superleghe di Ni, Fe, Co;
- Barriere termiche;
- Leghe di Titanio;
- Intermetallici;
- Compositi a Matrice Ceramica;
III - Resistenza alla corrosione per il settore della produzione di energia
- Superleghe di Ni per turbine terra;
- Acciai super-inossidabili per oil & gas;
- Coating anti-corrosivi
IV - Tecnologie di accumulo elettrochimico dell’energia
- Principi fondamentali e aspetti elettrochimici di base.
- Materiali attivi (catodi, anodi, elettroliti) e componenti, panoramica degli attuali e futuri sviluppi.
- Metodi di produzione, assemblaggio e sviluppo, tecniche di caratterizzazione avanzate e modelling computazionale.
- Caratteristiche e norme di sicurezza, programma qualità e test batterie.
- Pericoli e criticità, anche relative al trasporto, smaltimento e riciclo.
- Tipologie e campi di applicazione, panoramica sui sistemi futuri post-litio.
Laboratorio I: analisi del cedimento (failure analysis). Si descriveranno i metodi di analisi, saranno forniti esempi applicativi di indagine e sarà lanciata una sfida agli studenti, come da successiva descrizione. Agli studenti, riuniti in gruppi di lavoro, viene affidato un componente che ha ceduto prematuramente e, avendo a disposizione gli strumenti del laboratorio didattico, si richiede di impostare un protocollo di investigazione della causa di cedimento e di svolgere parte delle indagini strumentali. A conclusione del lavoro si eseguirà una presentazione dell'attività svolta e delle conclusioni raggiunte.
Laboratorio pratico sullo sviluppo, assemblaggio e caratterizzazione di materiali e dispositivi nel settore delle batterie. A conclusione del lavoro si eseguirà una presentazione del lavoro svolto e di analisi bibliografica per ipotizzare gli spazi di sviluppo futuri nel campo delle batterie.
L’insegnamento è strutturato in:
- 69,5 ore di lezione in aula, mirate a sviluppare la sensibilità sulle strategie di sviluppo dei materiali in settori ad alto valore aggiunto nell'ambito dei componenti ingegneristici strutturali.
- 10,5 ore di esercitazione in laboratorio mirate a stimolare l’abilità nell'applicare le conoscenze acquisite all'analisi e risoluzione di problemi pratici. Saranno inoltre presentate, discusse e applicate le tecniche di sintesi e caratterizzazione dei materiali.
L’insegnamento è strutturato in:
- 69,5 ore di lezione in aula, mirate a sviluppare la sensibilità sulle strategie di sviluppo dei materiali in settori ad alto valore aggiunto nell'ambito dei componenti ingegneristici strutturali.
- 10,5 ore di esercitazione in laboratorio mirate a stimolare l’abilità di applicare le conoscenze acquisite nella analisi e risoluzione di problemi pratici. Saranno inoltre presentate, discusse e applicate le tecniche di sintesi e caratterizzazione dei materiali.
Il materiale di supporto alle lezioni sarà reso disponibile agli studenti e le lezioni saranno videoregistrate. Visto il carattere dell'insegnamento che coinvolge diversi settori applicativi, non esiste un unico testo di riferimento. Gli appunti raccolti durante le lezioni insieme al materiale di supporto sono considerati fonti sufficienti per la preparazione dell'esame.
Eventuali testi di approfondimento.
- Rana, Radhakanta; Singh, Shiv Brat. Automotive Steels : Design, Metallurgy, Processing and Applications. Woodhead Limited, 2016. Web.
- Reed, Roger C. The Superalloys. Cambridge: Cambridge UP, 2006. Web.
- F.C. Campbell; Manufacturing Technology for Aerospace Structural Materials; Elsevier.
- H.M. Flower; High Performance Materials in Aerospace; Chapman & Hall
Il materiale di supporto alle lezioni sarà reso disponibile agli studenti e le lezioni saranno videoregistrate. Visto il carattere dell'insegnamento che coinvolge diversi settori applicativi, non esiste un unico testo di riferimento. Gli appunti raccolti durante le lezioni insieme al materiale di supporto sono considerati fonti sufficienti per la preparazione dell'esame.
Eventuali testi di approfondimento.
Rana, Radhakanta; Singh, Shiv Brat. Automotive Steels : Design, Metallurgy, Processing and Applications. Woodhead Limited, 2016. Web.
Reed, Roger C. The Superalloys. Cambridge: Cambridge UP, 2006. Web.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale in gruppo;
Exam: Compulsory oral exam; Group project;
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L’esame si svolge in modo orale tramite la presentazione e discussione degli elaborati progettuali sviluppati nel corso delle esercitazioni di laboratorio e l’approfondimento degli argomenti teorici visti a lezione. Le due parti dell’esame possono essere sostenute in momenti diversi all'interno delle sessioni di esame. Il peso relativo delle relazioni sulle esercitazioni svolte sul voto complessivo è di circa il 40%, mentre la restante parte del voto è assegnata in base all’andamento dell’esame orale. Entrambe le parti dell'esame devono raggiungere almeno i diciotto trentesimi, per poter esprimere il voto complessivo.
L'esame dell'elaborato progettuale di gruppo tende a verificare la correttezza del metodo applicato, la completezza degli approfondimenti personali, il rigore nell'esecuzione degli esperimenti, nella raccolta dati e nella relativa trattazione.
L'esame orale tende ad accertare l'acquisizione delle conoscenze e nozioni fornite durante le lezioni.
La valutazione di entrambe le parti dell'esame è utile per verificare la competenza ingegneristica sviluppata.
Per gli studenti che non possano frequentare le attività di progetto, è previsto solo un esame orale più esteso che copre l'intero programma svolto a lezione.
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.
Exam: Compulsory oral exam; Group project;
L’esame si svolge in modo orale tramite la presentazione e discussione degli elaborati progettuali sviluppati nel corso delle esercitazioni di laboratorio e l’approfondimento degli argomenti teorici visti a lezione. Le due parti dell’esame possono essere sostenute in momenti diversi all'interno delle sessioni di esame. Il peso relativo delle relazioni sulle esercitazioni svolte sul voto complessivo è di circa il 40%, mentre la restante parte del voto è assegnata in base all’andamento dell’esame orale. Entrambe le parti dell'esame devono raggiungere almeno i diciotto trentesimi, per poter esprimere il voto complessivo.
L'esame dell'elaborato progettuale di gruppo tende a verificare la correttezza del metodo applicato, la completezza degli approfondimenti personali, il rigore nell'esecuzione degli esperimenti, nella raccolta dati e nella relativa trattazione.
L'esame orale tende ad accertare l'acquisizione delle conoscenze e nozioni fornite durante le lezioni.
La valutazione di entrambe le parti dell'esame è utile per verificare la competenza ingegneristica sviluppata.
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.