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Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici
04NIONE
A.A. 2024/25
Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di processo con metodi numerici)
Per lo sviluppo di un nuovo impianto o per il miglioramento di un processo produttivo esistente, la simulazione di processo consente alle aziende manifatturiere di esplorare possibili scenari produttivi, di analizzare l'impatto di eventuali modifiche al processo e di individuare le aree di miglioramento e le cause di eventuali inefficienze. In questo modulo vengono illustrate le metodologie numeriche utilizzate nel campo della simulazione dei processi tecnologici. In questo contesto, verranno illustrati i principali approcci di simulazione utilizzati nel campo dei processi produttivi. Particolare attenzione sarà rivolta alle nuove tecnologie di simulazione utilizzate nel panorama dell'Industria 4.0. Seguirà un'analisi dettagliata della simulazione del processo di stampaggio a iniezione di termoplastici. Tale modulo di carattere tecnologico è affiancato da un modulo di carattere progettuale, che illustrerà i metodi numerici agli elementi finiti a supporto della progettazione meccanica.
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)
For the development of a new plant or for the improvement of an existing production process, process simulation enables manufacturing companies to explore possible production scenarios, to analyse the impact of any process changes and to identify areas for improvement and the causes of any inefficiencies. This module explains the numerical methodologies used in the field of technological process simulation. It also illustrates the main simulation approaches used in the field of production processes. This module will focus on the latest simulation technologies used in the Industry 4.0 landscape. The next step is a detailed analysis of the thermoplastic injection moulding process. This module, about numerical methods for process design, will be accompanied by a module about numerical methods for product design, which will present numerical methods in support of mechanical design.
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 è quello di presentare le metodologie numeriche utilizzate nel campo della simulazione dei processi tecnologici. Al termine dell'insegnamento si chiederà allo studente di: - conoscere i metodi numerici 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.
Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di processo con metodi numerici)
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; - dei concetti fondamentali relative alle tecnologie di produzione.
Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di prodotto con metodi numerici)
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.
Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di processo con metodi numerici)
- Introduzione alla simulazione dei processi produttivi (5 h) - L'Industria 4.0 e la simulazione dei processi produttivi (1,5 h) - Generalità sulle materie plastiche sui relativi processi di trasformazione (3 h) - Teoria e simulazione dello stampaggio ad iniezione di materiali termoplastici (8 h) - L’interpretazione dei risultati della simulazione e le strategie per il miglioramento della qualità del manufatto (6 h) - Il ruolo della simulazione di processo nella progettazione degli stampi per lo stampaggio ad iniezione (1,5 h).
Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di prodotto con metodi numerici)
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.
Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di processo con metodi numerici)
Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di prodotto con metodi numerici)
Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di processo con metodi numerici)
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.
Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di prodotto con metodi numerici)
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.
Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di processo con metodi numerici)
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, 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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Slides; Materiale multimediale ;
Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di prodotto con metodi numerici)
Dispense;
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Modalità di esame: Prova orale facoltativa; Elaborato progettuale in gruppo; Prova scritta in aula tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di prodotto con metodi numerici)
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto prodotto in gruppo;
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Exam: Optional oral exam; Group project; Computer-based written test in class using POLITO platform;
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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. In particolare, nell’esame del modulo saranno verificate le conoscenze dello studente sulle tecniche di simulazione adottate nella fase di progettazione del processo, sui principali processi utilizzati per la realizzazione di componenti in materiali polimerici e sulla simulazione software per l’ottimizzazione dei processi di produzione di componenti in materiale polimerico. L'esame del modulo consiste in tre parti: (i) prova scritta con domande a risposta multipla, (ii) discussione in gruppo dell’elaborato progettuale e (iii) prova orale facoltativa. La valutazione finale è data dalla somma delle tre parti. La lode verrà assegnata solo a chi sosterrà l’orale rispondendo in modo particolarmente completo ed esaustivo e adottando una adeguata capacità di esposizione. Prova scritta con domande a risposta multipla (punteggio massimo 12/30) La prova della durata di un’ora consiste in 24 domande a risposta multipla valutate al massimo 0,5 punti ciascuna e senza penalizzazione nel caso di risposta non corretta oppure mancante. Durante la prova scritta non si può utilizzare materiale didattico. La prova è svolta su PC portatile (il cui reperimento è a carico dello studente) tramite opportuna piattaforma di Ateneo. Tale prova è finalizzata alla valutazione delle conoscenze dello studente su: - principi base della simulazione dei processi produttivi - integrazione tra la simulazione dei processi produttivi e l’Industria 4.0 - generalità sulle materie plastiche e sui relativi processi di trasformazione - teoria e simulazione dello stampaggio ad iniezione di materiali termoplastici - principi base di progettazione degli stampi per lo stampaggio ad iniezione Discussione in gruppo dell’elaborato progettuale (punteggio massimo 18/30) L’elaborato progettuale è finalizzato alla valutazione attraverso il lavoro di gruppo delle competenze degli studenti nell'adozione delle tecniche di simulazione numerica per la progettazione (e l’ottimizzazione) del processo di stampaggio a iniezione di un componente plastico. L’elaborato progettuale è discusso in gruppo e la valutazione 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. Prova orale facoltativa (punteggio di ±3/30) La prova orale consiste in una unica domanda che verte ad accertare le capacità dello studente nell’applicare su casi concreti le conoscenze acquisite nell’ambito delle tecniche di simulazione dei processi di produzione. La prova orale può modificare sia in positivo che in negativo il voto ottenuto nelle parti precedenti dell'esame. Gli studenti possono richiedere la parte orale facoltativa solo se il voto ottenuto è almeno 18/30. La durata dell'esame orale è di circa 15 minuti. La valutazione complessiva dell’insegnamento è la media aritmetica (arrotondata in eccesso) delle valutazioni finali ottenute nel modulo di Progettazione di prodotto con metodi numerici e nel modulo di Progettazione di processo con metodi numerici.
Progettazione di prodotto e di processo con metodi numerici (Progettazione di prodotto con metodi numerici)
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.