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

Per raggiungere gli obiettivi formativi previsti, il corso si svolgerà in parte attraverso lezioni frontali in aula (con presentazioni in power point per fornire una vasta panoramica di immagini relative a metodi di produzione e applicazioni industriali dei materiali considerati) e in parte attraverso esercitazioni in aula per analizzare e discutere esempi specifici (al fine di stimolare l’approccio ai problemi con autonomia e senso critico), inoltre sono previste anche esercitazioni in laboratorio.

Teaching Methods

In order to achieve the expected objectives, the course will take place partly through lectures in the classroom (with power point presentations to provide a broad overview of images relating to production methods and industrial applications of the materials considered) and partly through guided exercises with teacher support in classroom to analyze and discuss specific examples (with the aim of stimulating the approach to problems with autonomy and critical sense), in addition also practical based lessons in laboratory will be planned.

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 resistance, structural analysis and mechanical properties.

Verifiche dell'apprendimento

A metà del corso verrà programmata una prova in itinere, basata su un colloquio orale, per una prima verifica della preparazione degli studenti sugli argomenti svolti. Il risultato della prova in itinere verrà espresso in trentesimi ed avrà validità per un anno solare dalla fine delle lezioni. Nel caso di esito positivo della prova in itinere (con votazione maggiore o uguale a 18/30), l’esame finale consisterà in un colloquio orale sugli argomenti trattati durante la seconda parte del semestre, allo scopo di accertare le conoscenze acquisite e le capacità di applicarle in maniera critica, utilizzando un linguaggio tecnico appropriato ed un corretto approccio metodologico. La valutazione finale complessiva sarà quindi la media aritmetica tra i risultati della prova in itinere e dell’esame finale. Per gli studenti che non abbiano svolto la prova in itinere, o nel caso essa abbia avuto esito negativo, l’esame finale verterà su tutti gli argomenti trattati durante il corso. Nella prova in itinere e nell’esame finale si terrà conto dei seguenti parametri di valutazione: capacità di organizzare discorsivamente la conoscenza, capacità di ragionamento critico sullo studio realizzato, qualità dell’esposizione e competenza nell’impiego del lessico specialistico. Esse verteranno sugli argomenti trattati durante il corso (definizioni, esempi rilevanti, applicazioni, collegamenti tra i vari argomenti), in modo da verificare il livello di conoscenza e di comprensione dei contenuti del corso e di valutare l’autonomia di giudizio, la capacità di apprendimento, l’abilità comunicativa e le proprietà di linguaggio scientifico e quindi le facoltà logico-deduttive acquisite dallo studente.

Assessment

In the middle of the course, an ongoing test, based on an oral interview, will be scheduled for an initial assessment of students’ knowledge on the covered topics. The result of this test will be expressed in thirtieths and valid for one calendar year starting from the end of the lessons. In the case of a positive outcome (with a mark greater than or equal to 18/30), the final exam will be an oral interview, focused on the topics covered during the second part of the semester, in order to ascertain the knowledge acquired and the skills of apply them in a critical way, using an appropriate technical language and a correct methodological approach. The final grade will be calculated as the arithmetic mean between the scores obtained in the ongoing test and in the final exam. For students who have not taken the scheduled test, or if it has failed, the final exam will include all the topics covered during the course. In the ongoing test and in the final exam the following evaluation parameters will be considered: ability to discursively organize knowledge, critical reasoning skills on the study conducted, quality of the exposition and expertise in the use of specialized vocabulary, effectiveness and competence. They will be focused on the topics covered during the course (definitions, relevant examples, applications, links between the various topics), with the purpose of verifying the level of knowledge and understanding of the course contents, in order to evaluate the autonomy of judgment, the learning ability, the communicative ability and properties of scientific language and then the logical-deductive faculties acquired by the student.

Programma del Corso

------------------------------------------------------------ Modulo: 7454/1 - MATERIALI METALLICI ------------------------------------------------------------ MODULO A “MATERIALI METALLICI”. INTRODUZIONE: nozioni di base della metallurgia meccanica: correlazioni tra il comportamento meccanico dei metalli e le caratteristiche fisiche e microstrutturali (aspetti teorici e sperimentali), nelle diverse condizioni di esercizio e di lavorazione. CARATTERISTICHE MECCANICHE E METALLURGICHE: approccio allo studio secondo i principi sia della meccanica del continuo che della scienza dei metalli: regimi di deformazione, equazioni costitutive, trasformazioni di fase e processi per il rafforzamento microstrutturale delle leghe metalliche. Modalità di cedimento dei componenti strutturali, meccanica della frattura e indagini frattografiche. Tenacità all’urto, 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: diffusione di materia e termica nei solidi cristallini, trattazione matematica, integrazione della seconda legge di Fick ed applicazioni specifiche in contesti industriali (es. trattamenti termici e processi di saldatura). PRODUZIONE METALLURGICA: lavorazioni per deformazione plastica (effetti delle lavorazioni a caldo e a freddo), leghe per deformazione plastica. Metallurgia dei prodotti di fonderia, leghe per getti. METALLURGIA DEL TITANIO: metallurgia e processi di produzione di componenti in lega di titanio per applicazioni nel settore della biomeccanica, con particolare riferimento alle nuove tecniche di manifattura additiva. ------------------------------------------------------------ Modulo: 7454/2 - MATERIALI COMPOSITI AVANZATI ------------------------------------------------------------ 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

------------------------------------------------------------ Modulo: 7454/1 - MATERIALI METALLICI ------------------------------------------------------------ MODULE A “METALLIC MATERIALS”. INTRODUCTION: basics of mechanical metallurgy: correlations between mechanical behavior of metals and their physical and microstructural characteristics (theoretical and experimental aspects). MECHANICAL AND METALLURGICAL FEATURES: approach to the study according to the principles of both continuum mechanics and metal science: deformation modalities, constitutive equations, phase transformations and process for microstructural strengthening of 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. DIFFUSION: mass and thermal diffusion in crystalline solids, integration of Fick’s second law and specific applications in industrial fields (thermal treatments and welding processes). METALLURGICAL PRODUCTION: plastic deformation process (hot and cold working effects), wrought alloys. Metallurgy of cast products, cast alloys. METALLURGY OF TITANIUM: metallurgy and production processes of components made in titanium alloy for applications in bio-mechanics, with particular reference to the new techniques of additive manufacturing. ------------------------------------------------------------ Modulo: 7454/2 - MATERIALI COMPOSITI AVANZATI ------------------------------------------------------------ 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 esoprostheses. 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.