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)