Obiettivi Formativi

Il corso si propone di trasferire la conoscenze e la comprensione di aspetti teorici e sperimentali riguardanti i materiali metallici, quali le correlazioni microstruttura - proprietà meccaniche, con riferimento alle diverse condizioni di esercizio e di lavorazione, le trasformazioni di fasi e i metodi di rafforzamento delle proprietà meccaniche, l’approfondimento delle tematiche relative ai nuovi materiali metallici, con particolare riferimento alle leghe di titanio, alle recenti tecniche di manifattura additiva ed alle applicazioni in campo biomeccanico. Inoltre, saranno fornite le conoscenze teoriche e progettuali relative ai materiali compositi a matrice polimerica per applicazioni avanzate prendendo in considerazione i principali problemi correlati al loro utilizzo nel campo dell’ingegneria meccanica e della bioingegneria (progettazione di parti/elementi in materiale composito utilizzando la teoria della laminazione, stima del contenuto di fibra e matrice per ogni componente da realizzare, modifica della progettazione teorica in base ai differenti carichi statici agenti sui componenti, realizzazione di laminati compositi con differenti tecnologie di produzione). Obiettivo del corso è sviluppare la capacità di applicare nozioni avanzate sul comportamento meccanico dei materiali metallici e sui materiali compositi,all’interno di processi di progettazione e produzione in ambito meccanico e bioingegneristico. Gli studenti verranno messi nelle condizioni di acquisire abilità nell’elaborazione autonoma di concetti, al fine di essere in grado di assumere scelte progettuali consapevoli per lo sviluppo di prodotti e/o processi. Oltre alle conoscenze specifiche verrà curata la capacità comunicativa nella presentazione dei risultati delle attività di studio e di ricerca, anche attraverso la padronanza del linguaggio scientifico e tecnico per permettere la presentazione dei risultati ed una corretta comunicazione con interlocutori di diversa formazione. Infine il corso si propone di favorire lo sviluppo di una mentalità flessibile per un corretto approccio metodologico alle applicazioni meccaniche e bio-ingegneristiche e per identificare, formulare e risolvere problemi utilizzando metodi, tecniche e strumenti aggiornati, in contesti di ricerca anche industriali.

Learning Goals

The course aims to transfer knowledge and understanding of theoretical and experimental aspects concerning metallic materials, with the following topics: correlations microstructure-mechanical properties, with reference to the various operating and metal working conditions, advanced knowledge on phase transformations and methods for mechanical strengthening, issues related to the new metallic materials and particularly to the titanium alloys, to the recent techniques of additive manufacturing and their applications in the bio-mechanical field. Moreover, this course is addressed to provide theoretical and design knowledge about polymer matrix composite materials for advanced applications, taking into consideration the main issues related to their use in the field of mechanical engineering and bioengineering (design of parts/elements made of composite material using the lamination theory; evaluation of the fiber and matrix content for each component to be made; modification of the theoretical design on the basis of the different static loads acting on the components; development of composite laminates with different production technologies). The purpose of this course is to develop skills to apply advanced knowledge about mechanical behavior of metals and composite materials within design and production processes in the mechanical and bio-engineering field. Students will be put in the condition to gain skills in the autonomous development of concepts aimed at making conscious design choices for the development of products and/or processes. In addition to specific knowledge, communication ability will be taken into account in order to present the results of study and research activities, through mastery of the scientific and technical language to allow the presentation of results and a correct communication with interlocutors of different backgrounds. Finally, this course aims to encourage the development of a flexible mentality for a correct methodological approach to mechanical and bio-engineering applications, to identify, formulate and solve problems using updated methods, techniques and tools, in research contexts including the industrial ones.

Metodi didattici

Lezioni con presentazioni powerpoint per integrare il materiale didattico con una vasta raccolta di immagini relative a metodi di produzione ed applicazioni industriali; esercizi e discussione di esempi specifici; attività pratiche di laboratorio.

Teaching Methods

Lectures with powerpoint slides, in order to integrate the material provided to study by means of a large collection of images about production methods and industrial applications; exercises and analysis of case histories; practical activities in the laboratory.

Prerequisiti

Conoscenze di base di cristallografia, trasformazioni di fase e resistenza dei materiali, analisi delle strutture e di proprietà dei materiali.

Prerequisites

Basic knowledge of crystallography, phase transformations and material strength, structural analysis and mechanical properties.

Verifiche dell'apprendimento

A metà circa del semestre verranno programmate prove orali e/o scritte che verteranno sulla parte del corso svolta fino alla data della prova, per valutare la preparazione degli studenti in relazione al raggiungimento degli obiettivi previsti. Inoltre, a fine corso, si prevede una verifica delle capacità applicative dei concetti acquisiti attraverso la realizzazione di un progetto di un componente per varie applicazioni. Lesame finale comprenderà una prova orale sugli argomenti trattati nei due moduli durante la seconda parte del semestre. Nel caso di studenti che non abbiano svolto le prove in itinere, la prova orale dellesame finale verterà su tutti gli argomenti trattati. Tutte le verifiche saranno finalizzate ad accertare le conoscenze acquisite e le capacità di applicarle in maniera critica, utilizzando linguaggi tecnici appropriati e corretti approcci metodologici.

Assessment

At about the half of the semester, two oral and/or written tests will be scheduled, focused on the part of the course carried out until the date, in order to assess the students preparation according to the achievement of the established objectives. Verification of the application skills about the acquired concepts by performing a project of a component for various applications; final oral exam, at the end of the course, about the topics treated in the two modules during the second half of the semester. The final oral exam will focus on all the covered topics in the case of students who have not completed the tests at the half of the semester. All the verifications will be addressed to ascertain the acquired knowledge and the skill to apply them in a critical way, using an appropriate technical language and a correct methodological approach.

Programma del Corso

MODULO A - MATERIALI METALLICI Introduzione sulle nozioni di base della metallurgia meccanica: correlazioni tra il comportamento meccanico dei metalli e le caratteristiche fisiche e microstrutturali, a partire dal livello cristallografico. Approccio allo studio del comportamento meccanico dei metalli secondo i principi sia della meccanica del continuo che della scienza dei metalli: regimi di deformazione, equazioni costitutive, meccanismi e tecniche di rafforzamento delle leghe metalliche. Modalità di cedimento dei componenti strutturali, meccanica della frattura e indagini frattografiche. Tenacità allurto, aspetti metallurgici e fattori fragilizzanti nelle leghe metalliche. Scorrimento a caldo, aspetti morfologici della frattura per creep, estrapolazione di dati di creep, leghe per alte temperature. Diffusione di materia e termica nei solidi cristallini, trattazione matematica, integrazione della seconda legge di Fick. Processi di produzione metallurgica per deformazione plastica (effetti delle lavorazioni a caldo e a freddo). Metallurgia dei prodotti di fonderia. Metallurgia e processi di produzione delle leghe di titanio per applicazioni nel settore della biomeccanica, con particolare riferimento alle nuove tecniche di manifattura additiva. MODULO B - MATERIALI COMPOSITI AVANZATI INTRODUZIONE: definizione, generalità, proprietà materiali compositi in natura, applicazioni. LE FIBRE di vetro, di carbonio, di kevlar e polietilene ad alta tenacità: proprietà e produzione. LE MATRICI POLIMERICHE: resine termoindurenti e termoplastiche. Altri componenti: riempitivi, additivi agenti di accoppiamento. Interazione fibra/matrice e possibili legami. I COMPOSITI IN BIOINGEGNERIA: biomateriali, definizione e proprietà. Funzioni dei biomateriali. I compositi a matrice polimerica nel corpo umano. Le esoprotesi. PROCESSI DI PRODUZIONE di materiali compositi a stampo aperto e chiuso (generalità). Orientazione ed incorporazione della fibra nella matrice. Determinazione della densità, del contenuto di fibra e di vuoti in un composito. STUDIO MECCANICO: analisi micromeccanica con fibre continue e discontinue. Comportamento a carico longitudinale e trasversale della lamina elementare. Comportamento a compressione. Curve sforzo/deformazione dei compositi. Analisi macromeccanica: equazione costitutiva della lamina. Materiali isotropi, anisotropi ed ortotropi. Rotazione nel piano del sistema di coordinate. Teoria della laminazione. Sforzo e momento risultante di un laminato generico. Equazione costitutiva di un laminato e fattori di semplificazione; le matrici A,B,D. Le matrici inverse A1, B1, C1, D1. Progettazione di materiali compositi.

Course Syllabus

MODULE A - METALLIC MATERIALS Introduction on basics of mechanical metallurgy: correlations between mechanical behavior of metals and their physical and microstructural characteristics, starting from the crystallographic level; approach to the study of mechanical behavior of metals, according to the principles of both continuum mechanics and metal science: deformation modalities, constitutive equations, mechanisms and techniques for strengthening metal alloys. Failure of structural components, fracture mechanics and fractographic investigations. Impact toughness, metallurgical aspects and embrittling conditions in metal alloys. Creep behavior, morphological aspects of creep fracture, extrapolation of creep data, alloys for high temperatures. Material and thermal diffusion in crystalline solids, mathematical treatment, integration of Ficks second law. Metallurgical production processes through plastic deformation (hot and cold working effects). Metallurgy of cast products. Metallurgy of the production processes of titanium alloys for applications in bio-mechanics, with particular reference to the new techniques of additive manufacture. MODULE B - ADVANCED COMPOSITE MATERIALS INTRODUCTION: definition, generality, properties of composite materials in nature, applications. FIBERS made of glass, carbon, kevlar and high tenacity polyethylene: properties and production. POLYMERIC MATRICES: thermosetting and thermoplastic resins. Other components: fillers, additives, coupling agents. Fiber / matrix interaction and possible links. COMPOSITES IN BIOENGINEERING: biomaterials, definition and properties. Functions of biomaterials. Polymer matrix composites in the human body. The eso-prostheses. PRODUCTION PROCESSES of composite materials with open and closed molds (general). Orientation and incorporation of the fiber in the matrix. Determination of density, fiber content and voids in a composite. MECHANICAL STUDY: micromechanical analysis with continuous and discontinuous fibers. Behavior at longitudinal and transverse loading of the elementary lamina. Compression behavior. Stress / deformation curves of composites. Macromechanical analysis: constitutive equation of the lamina. Isotropic, anisotropic and orthotropic materials. Rotation in the coordinate system plane. Lamination theory. Effort and resultant moment of a generic laminate. Constitutive equation of a laminate and simplification factors; the matrices A, B, D. The inverse matrices A1, B1, C1, D1. Design of composite materials