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Progettazione diMateriali e ProcessiUniversità degli Studi di TriesteFacoltà di IngegneriaCorso di Laurea in Ingegneria Chimica e dei MaterialiA.A. 2011-2012
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Progettazione di Materiali e Processi
Progettazione diMateriali e ProcessiUniversit degli Studi di TriesteFacolt di IngegneriaCorso di Laurea in Ingegneria Chimica e dei MaterialiA.A. 2011-2012
Struttura del corso Modalit dEsame1 semestre (4 crediti)1 31 ottobreProgettazione e selezione di materiali (2 crediti) Lughi5 novembre 12 dicembre Materiali compositi (2 crediti) Lucchini
2 semestre (4 crediti)Marzo aprile 2013Criteri euristici per la progettazione di processo (1 credito) - ColussiAprile maggio 2013Pinch analysis e analisi economica (2 crediti) Fermeglia
Progetto-tesina finale (1 credito)Presentazione di una tesina su uno degli argomenti del corso a scelta dello studenteTema da concordare con uno dei docenti del corsoVale come esame finale
Programma del corso (1)Progettazione e selezione di materiali e processi (2 crediti) - Lughi
Introduzione: Materiali come opportunit nel progetto; dati e strumenti per la progettazione; sommario delle principali famiglie di propriet dei materiali.
Selezione dei materiali: Indici dei materiali e indici strutturali; uso dei diagrammi di Ashby; selezione con obiettivi e vincoli multipli; selezione di materiali e forme; materiali ibridi; casi di studio. Utilizzo del programma CES.
Cenni alla selezione di processi.
Introduzione alla selezione dei materiali con vincoli ambientali.
Esempi di design avanzato: metamateriali; bandgap engineering
Programma del corso (2)Materiali Compositi (2 crediti) - Lucchini
Processi di produzione di manufatti in materiale composito: hand lay up, vacuum bagging, pre-preg molding, low temperature pre preg molding, processi SPRINT, processi di infusione, filament winding, poltrusion, spray lay up, resin transfer molding, compression molding, braiding, elastomeric tooling, reaction injection molding (RIM).
Progettazione di un laminato. Dimensionamento di alcuni semplici elementi strutturali in materiale composito. Il problema dell imbozzamento nelle strutture a guscio.
Programma del corso (3)Criteri euristici per la progettazione di processo (2 crediti) - Colussi
Utilizzo di principi basati sullesperienza per confermare ladeguatezza di una progettazione di processo. Introduzione a tecniche euristiche e a metodi short cut.
Metodi euristici per la sintesi di processo: materie prime e reazioni chimiche, distribuzione di composti chimici, separazione, scambio termico e fornitura di calore a reattori, pompaggio, compressione, riduzione di pressione, vuoto e spostamento di solidi, modifica della distribuzione delle dimensioni di particelle, rimozione di solidi da gas e liquidi.
Progetto di dettaglio e dimensionamento di apparecchiature. Elementi di intensificazione di processo: apparecchiature e metodi.
Esempio applicativo: separazione a membrane.
Programma del corso (4)Pinch e analisi economica (2 crediti) - Fermeglia:
Analisi economica di processi chimici. Stima dei costi capitale di apparecchiature e del processo. Stima dei costi di produzione. Costo del lavoro, delle utility, delle materie prime, del trattamento delle scorie. Analisi economica ingegneristica. Investimenti e valore del denaro, interessi, diagramma del flusso di cassa, inflazione e deprezzamento. Analisi di profittabilit: ritorno di investimento, rischio, valutazione di alternative di processo e di apparecchiature. Analisi dei margini di profitto.Esempio: applicazione al calcolatore (Excel + Aspen+) della valutazione economica di un processo.
Pinch technology. Introduzione alle tecniche di pinch. Integrazione di scambiatori di calore e progetto di reti di scambiatori, Diagrammi compositi temperatura entalpia, progetto della rete di scambiatori e dimensionamento dei singoli scambiatori di calorie. Applicazione a processi con scambio di massa: risparmio di acqua e di idrogeno. Esempio: ottimizzazione al calcolatore (Aspen+) di una rete di scambiatori di calore.
Process Design
Introduzione
Obiettivo dellingegnere quello di creare benessere e nuovi beni materialiJ. M. Douglas, 1988Come? Sviluppo nuovi processi; Modifica impianti esistenti; Ottimizzazione impianti esistenti.Un impianto non statico ed immutabile nel corso della sua vita operativa.
La continua evoluzione del mercato pu modificare le esigenze produttive e lespecifiche relative ai prodotti.
In fase di ricerca, 1-3% delle nuove ideetrova applicazione;In fase di sviluppo, 10-25% delle nuoveidee trova applicazione;A livello di impianto pilota, 40-60% dellenuove idee trova applicazione;
Diagrammi
Il modo pi chiaro ed efficiente per comunicare delle informazioni relative ad un processo quello di utilizzare dei diagrammi di flusso. Linformazione visiva rappresenta la viamigliore e pi trasparente per presentare i dati provenienti dallaprogettazione e per evitare incomprensioni e ambiguit.
Si fa riferimento a simbologia e diagrammi tratti dal testo:R.Turton,R.Bailie,W.Whiting,J.ShaeiwitzAnalysis, Synthesis and Design of Chemical ProcessesPrentice Hall, New Jersey, 1998
Diagrammi nellingegneria di processo
Tre sono i principali diagrammi utilizzati dagli ingegneri chimici e dei materiali per progettare e descrivere i processiBlock Flow Diagram BFDPartendo da un diagramma input-output del processo lo si suddividenei suoi blocchi funzionali principali quali: la sezione di reazione, quelladi separazione, ecc. Si aggiungono poi le correnti di riciclo ed i bilancimateriali preliminari.Process Flow Diagram PFDIl passo successivo quello di valutare e quantificare in modoesaustivo i bilanci materiali ed energetici per tutte le correnti delprocesso. Si aggiungono poi le specifiche dimensionali preliminari delleapparecchiature.Piping and Instrumentation Diagram P&IDSi introducono le specifiche descriventi i dettagli meccanici e dellastrumentazione di processo
Riduzione dellImpatto del ProdottoProgettazione DistribuzioneProg. per distribuzione efficienteProgettazione Materie PrimeProg. per conservazione risorseProg. per materiali a basso impattoProgettazione fine vitaProg. per ri-usoProg. per ri-fabbricazioneProg. per smontaggioProg. per riciclaggioProg. per smaltimento sicuroProgettazione per lusoProg. per efficienza energeticaProg. per conservazione di H2OProg. per consumi minimiProg. per uso a basso impattoProg. per manutenzione e ripar.Prog. per durabilitProgettazione ProduzioneProg. per Produzione pi pulitaProdotto
Riduzione dellImpatto dei ProcessiSi possono ipotizzare una o pi combinazioni di misure daapplicare in fase di miglioramento e in fase di produzioneIntegrazione diProcesso
Cambio diProdotto
Cambio divia di SintesiCambio Tecnologia(tipi di unit)
PROCESSO
Cambio neiMateriali di partenza
Principi Euristici
Progettazione diMateriali e ProcessiModulo 1Progettazione e selezione di materiali e processi
Progettazione e selezione di materiali e processi (2 crediti) - LughiPROGRAMMA:
01/101.5 hIntroduzione al corso Concetti introduttivi (progettazione, selezione, dati)03/10 2,5 hMetodologie di selezione - Approccio Ashby - Esempi 08/10 1,5 hIntroduzione allutilizzo del sofware CES Casi di studio10/10 2,5 hCasi di studio15/10 1,5 hCasi di studio17/10 2,5 hSelezione di materiali con vincoli ambientali22/10 1,5 hEco-audit24/10 2,5 hEsempi di design avanzato29/101,5 hEsercitazioni31/102,5 hTest di fine modulo
TESTI:Ashby - Materials Selection in Mechanical DesignAshby Materials and the EnvironmentAshby, Johnson Materiali e DesignQualsiasi testo di base di scienza ed ingegneria dei materiali (Smith, Callister, Shakelford,)
DOCENTE:Vanni Lughi stanza 228 edificio BRicevimento: Marted 10-12 oppure su appuntamento via email
Concetti introduttiviSelezione e Design di materiali e processi:DinamicheUnopportunitDa euristica a sistematicaInterconnessione con forma, funzione, propriet
DatabaseMaptisNISTCESMatwebMatbaseMatnavi (NIMS)Altri specifici per applicazioneDatasheet
Classi di materiali
Shape
PropertiesProcessMaterialFunction
Evolution of Materials
www.atoastech.com/materials_technology.htm Sept 2011
Evolution of MaterialsM. F. Ashby
Today: wide range of materials Need to put some order Supremacy of metals up until 1960s20
Design ProcessM. F. AshbyNEEDFunctionalSolution-neutralWhat, not how
ConceptDetailEmbodiement
Define specificationsDetermine function StructureSeek working principlesEvaluate and select conceptsDevelop layout, scale, formModel and analyze assembliesOptimize the functionsEvaluate and select layoutAnalyze components in detailSelect processing routeOptimize performance and costPrepare detailed drawings
PRODUCT SPECIFICATIONIterateDesing types:OriginalAdaptiveVariantCork example !
Iterative process21
Product as a technical systemM. F. AshbyTechnical systemAssembly 2Assembly 1Assembly 3Component 1.2Component 1.1Component 1.3Component 2.2Component 2.1Component 2.3Component 3.2Component 3.1Component 3.3
Iterative process22
Technical systems analysis- Systems approach -M. F. Ashby
Technical systemFunction 5Function 4Function 3Function 2Function 1Function 6EnergyMaterialsInformationEnergyMaterialsInformationSubsystems
Iterative process23
Technical systems analysis- Systems approach M. F. AshbyEnergyMaterialsInformation
EnergyMaterialsInformationThe bottle opener exampleGenerate ForceTransmit ForceApply Force to CorkDirect PullLevered PullGeared PullDirect PushLevered PushShaftLinkageGas injectionScrewShear bladesGas pressure
Iterative process24
Iterative process25
Design Process: Available ToolsM. F. AshbyNEED
ConceptDetailEmbodiement
PRODUCT SPECIFICATIONAll materials (broad selection, low precision)Subset of materialsOne material (high precision data)Function modelingFeasibility stuiesApproximate analysisGeometric modelingSimulationOptimization methodsCost modelingComponent modelingFinite Element AnalysisDesign ToolsMaterial selection
Iterative process26
Shape
PropertiesProcessMaterialFunction
FUNCTIONS:Carry loadTransmit loadTransmit heatTransmit currentStore energyOBJECTIVES:Minimize massMinimize costMinimize impact
Iterative process27
Function Material Shape - Process
Iterative process28
Function Material Shape - ProcessM. F. Ashby
Iterative process29
The selection processScreening: apply property limitsAll materialsRanking: apply material performance indicesSubset of materialsShortlisting: apply supporting informationPrime candidatesFinal selection: apply local conditionsFinal material choiceInnovative choices
Function Objectives - ConstraintsFunctionWhat does the component do?e.g.: support load, seal, transmit heat, bycicle fork, etc.ObjectiveWhat do we want to maximize (minimize)?e.g.: minimize cost, maximize energy storage, minimize weight, etc.ConstraintsWhat conditions must be met? (non-negotiable or negotiable)e.g. geometry, resist a certain load, resist a certain environment, etc.
Implicit functions (e.g. tie, beam, shaft, column)
Constraints often translate to property limits (temperature, conductivity, cost, )
Some constraints are more complex (e.g. stiffness, strength, etc.) as they are coupled with geometry -> need of a specific objective
Material indices help unravel such complexity
Material indicesPerformance = f (F, G, M)Functional requirementsGeometryMaterial propertiesPerformance = f1(F) f2(G) f3(M)If separable:
Material index
Material indicesTieBeamShaftColumn..Minimum costMax energy storageMinimum weightMin. environmental impactStiffnessStrengthFatigue resistanceGeometry..
Material index:E0.5/FunctionObjectiveConstraint
Material index:/
Materials Selection Charts (Ashby)
Materials Selection Charts (Ashby)
Materials Selection Charts (Ashby)
Materials Selection Charts (Ashby)