PRESENTAZIONE

L’ingegneria moderna è caratterizzata dall’uso di diverse classi di materiali e dalla progettazione di nuovi materiali avanzati, grazie alle recenti tecniche di fabbricazione (e.g., la produzione additiva). La stampa 3D, o manifattura additiva (AM), sta emergendo come uno strumento unico per fabbricare nuovi materiali con proprietà aggiuntive (cioè multifunzionali) innescate da strutture 3D, dall’uso di tecnologie multimateriale e da materiali intelligenti. Tuttavia, quando si ha a che fare con questa nuova classe di materiali è necessaria una conoscenza profonda della meccanica e della progettazione dei materiali. Per ottimizzare la progettazione dei componenti meccanici ed evitare guasti imprevisti, è necessaria una selezione accurata e una chiara comprensione del comportamento meccanico dei materiali.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

L’ingegneria moderna è caratterizzata dall’uso di diverse classi di materiali e dalla progettazione di nuovi materiali avanzati, grazie alle recenti tecniche di fabbricazione (e.g., la produzione additiva). La stampa 3D, o manifattura additiva (AM), sta emergendo come uno strumento unico per fabbricare nuovi materiali con proprietà aggiuntive (cioè multifunzionali) innescate da strutture 3D, dall’uso di tecnologie multimateriale e da materiali intelligenti. Tuttavia, quando si ha a che fare con questa nuova classe di materiali è necessaria una conoscenza profonda della meccanica e della progettazione dei materiali. Per ottimizzare la progettazione dei componenti meccanici ed evitare guasti imprevisti, è necessaria una selezione accurata e una chiara comprensione del comportamento meccanico dei materiali. L’insegnamento si propone di fornire gli elementi necessari per la progettazione con diverse classi di materiali e per la progettazione di nuovi materiali, anche partendo da modelli esistenti in natura. Alcune classi di materiali verranno studiate considerando le loro peculiarità in termini di comportamento meccanico, valutazione della vita in condizioni di stress complesse (ad esempio fatica multiassiale), o difetti. Verranno studiati materiali compositi di origine naturale (es. osso, legno), materiali biomimetici (ispirati a materiali naturali), metamateriali e materiali multifunzionali (e.g., materiali self-sensing, shape-morphing), considerando varie potenziali applicazioni, dal campo biomedicale (e.g., progettazione di scaffold e protesi bio-ispirate) a quello automobilistico/aerospaziale (compositi con proprietà meccaniche migliorate e compositi intelligenti) e alla robotica soffice (materiali per manipolatori robotici, pinze, etc.) . Questo insegnamento fornirà un approccio completo alla progettazione di materiali ingegneristici avanzati, in particolare materiali multifunzionali, in cui è possibile ottenere molteplici funzioni tramite geometrie 3D complesse 3D, l'approccio multi-materiale, materiali soffici e sensori incorporati (e.g., attraverso nanomateriali conduttivi). Particolare attenzione sarà data all’approccio progettuale sostenibile, sfruttando la modellazione numerica, una adeguata selezione dei materiali e la progettazione ottimizzata. L’insegnamento è basato sullo sviluppo di progetti con lezioni teoriche e laboratori numeriche (uso di software FE e software di progettazione e selezione dei materiali). L’insegnamento contribuisce al raggiungimento dei seguenti obiettivi di progettazione sostenibile, SDG (Sustainable Design Goals), previsti dall'Agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite (https://sdgs.un.org/goals):

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

L'insegnamento si propone di:

• Fornire, attraverso basi teoriche e project-based learning, la conoscenza di diverse classi di materiali strutturali avanzati alternativi a quelli convenzionali
• Fornire elementi di base per la scelta di materiali strutturali alternativi in base all’applicazione
• Fornire i criteri di progettazione di nuovi materiali in base all’applicazione
• Descrivere i modelli di comportamento meccanico tipici delle varie classi di materiali in esame, con particolar attenzione al danneggiamento
• Mostrare esempi di applicazioni e relativi modelli
• Illustrare alcuni modelli numerici per alcuni materiali di particolare interesse applicativo ingegneristico

PREREQUISITI

Meccanica dei solidi e delle strutture (stato di tensione e stato di deformazione, equazioni costitutive elastiche, analisi cinematica, analisi statica di sistemi di travi, casi di De Saint Venant, criteri di resistenza statica).

MODALITA' DIDATTICHE

L'insegnamento è composto da lezioni teoriche ed esercitazioni numeriche, equamente suddivise. Le esercitazioni applicative saranno svolte in laboratorio.

Gli studenti che abbiano certificazioni in corso di validità per Disturbi Specifici dell’Apprendimento (DSA), per disabilità o altri bisogni educativi sono invitati a contattare il referente per la disabilità della Scuola Politecnica, Prof. Federico Scarpa (federico.scarpa@unige.it), all’inizio dell’insegnamento per concordare eventuali modalità didattiche e di esame che, nel rispetto degli obiettivi dell’insegnamento, tengano conto delle modalità di apprendimento individuali.

PROGRAMMA/CONTENUTO

• Introduzione all'insegnamento. Generalità sulle motivazioni per la progettazione e la scelta di materiali avanzati alternativi ai materiali convenzionali. I diagrammi di Ashby dei materiali.
• Meccanica della frattura Introduzione, Teoria di Griffith, fattore di intensificazione delle tensioni. Calcolo del fattore di forma. Stato di deformazione all’apice del difetto, raggio plastico. calcolo del raggio plastico, validità della MFLE. Tenacità alla frattura, prove sperimentali secondo normativa. Caratterizzazione dei difetti. Calcolo di progetto e verifica statica. Piano di controllo a frattura e snervamento.
• Propagazione del difetto. Legge di Paris, di Broek, Walker, Forman. Effetto della tensione media. Effetto del ritardo. Calcolo della propagazione del difetto con carichi random.
• Fatica. Problematiche della fatica. Fatica ad alto numero di cicli, Fatica multiassiale. Danneggiamento cumulativo. Comportamento a fatica di diverse classi di materiali.
• Comportamento meccanico di materiali avanzati
  • Materiali Compositi
  • Cenni a materiali plastici
  • Cenni a materiali cellulari
  • Materiali Biomimetici (Casi studio: e.g. osso, legno, madreperla)
  • Materiali multifunzionali (Casi studio: funzionalità self-sensing, self-healing)
  • Implementazione in codici FEM

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Testi di Consultazione

• Lorna J. Gibson, Michael F. Ashby. Cellular Solids: Structure and Properties. Cambridge University Press, 1999
• N. E. Dowling, Mechanical Behavior of Materials, Editore: Prentice Hall, Anno edizione: 2013
• L. Vergani, Meccanica dei Materiali, Editore: McGraw-Hill, Anno edizione: 2001
• Fred Nilsson, Fracture mechanics — from theory to applications, KTH Hållfasthetslära (Solid Mechanics), ISBN 91-972860-3-6. 2001
• Zenkert, D., Introduction to Sandwich Structures, 1995 – Student Edition
• Buehler, M.J., Atomistic Modeling of Materials and Failure, Springer-Verlag US 2008

DOCENTI E COMMISSIONI

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

https://corsi.unige.it/corsi/9269/studenti-orario

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L’esame consisterà nello svolgimento di un progetto (in gruppo) seguito prova orale che verterà sugli argomenti dell'insegnamento e sulla discussione del progetto.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

L'esame valuterà la competenza sul processo di progettazione di un nuovo materiale o un nuovo componente. Sarà valutata la chiarezza nell'esposizione dei singoli argomenti e la capacità di applicazione a casi concreti quali quelli svolti in laboratorio che saranno discussi in sede di esame.

ALTRE INFORMAZIONI

Lingua di erogazione: inglese