La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Progettazione di Materiali e Processi Università degli Studi di Trieste Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Chimica e dei Materiali A.A.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Progettazione di Materiali e Processi Università degli Studi di Trieste Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Chimica e dei Materiali A.A."— Transcript della presentazione:

1 Progettazione di Materiali e Processi Università degli Studi di Trieste Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Chimica e dei Materiali A.A

2 Struttura del corso – Modalità dEsame 1° semestre (4 crediti) 1 – 31 ottobreProgettazione e selezione di materiali (2 crediti) – Lughi 5 novembre – 12 dicembre Materiali compositi (2 crediti) – Lucchini 2° semestre (4 crediti) Marzo – aprile 2013Criteri euristici per la progettazione di processo (1 credito) - Colussi Aprile – 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 studente Tema da concordare con uno dei docenti del corso Vale come esame finale

3 Programma del corso (1) Progettazione e selezione di materiali e processi (2 crediti) - Lughi Introduzione: Materiali come opportunità nel progetto; dati e strumenti per la progettazione; sommario delle principali famiglie di proprietà 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

4 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.

5 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.

6 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 profittabilità: 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.

7 Process Design

8 Introduzione Obiettivo dellingegnere è quello di creare benessere e nuovi beni materiali J. M. Douglas, 1988 Come? Sviluppo nuovi processi; Modifica impianti esistenti; Ottimizzazione impianti esistenti. Un impianto non è statico ed immutabile nel corso della sua vita operativa. La continua evoluzione del mercato può modificare le esigenze produttive e le specifiche relative ai prodotti. In fase di ricerca, 1-3% delle nuove idee trova applicazione; In fase di sviluppo, 10-25% delle nuove idee trova applicazione; A livello di impianto pilota, 40-60% delle nuove idee trova applicazione;

9 Diagrammi Il modo più chiaro ed efficiente per comunicare delle informazioni relative ad un processo è quello di utilizzare dei diagrammi di flusso. Linformazione visiva rappresenta la via migliore e più trasparente per presentare i dati provenienti dalla progettazione e per evitare incomprensioni e ambiguità. Si fa riferimento a simbologia e diagrammi tratti dal testo: R.Turton,R.Bailie,W.Whiting,J.Shaeiwitz Analysis, Synthesis and Design of Chemical Processes Prentice Hall, New Jersey, 1998

10 Diagrammi nellingegneria di processo Tre sono i principali diagrammi utilizzati dagli ingegneri chimici e dei materiali per progettare e descrivere i processi Block Flow Diagram BFD Partendo da un diagramma input-output del processo lo si suddivide nei suoi blocchi funzionali principali quali: la sezione di reazione, quella di separazione, ecc. Si aggiungono poi le correnti di riciclo ed i bilanci materiali preliminari. Process Flow Diagram PFD Il passo successivo è quello di valutare e quantificare in modo esaustivo i bilanci materiali ed energetici per tutte le correnti del processo. Si aggiungono poi le specifiche dimensionali preliminari delle apparecchiature. Piping and Instrumentation Diagram P&ID Si introducono le specifiche descriventi i dettagli meccanici e della strumentazione di processo

11 Riduzione dellImpatto del Prodotto Progettazione Distribuzione Prog. per distribuzione efficiente Progettazione Materie Prime Prog. per conservazione risorse Prog. per materiali a basso impatto Progettazione fine vita Prog. per ri-uso Prog. per ri-fabbricazione Prog. per smontaggio Prog. per riciclaggio Prog. per smaltimento sicuro Progettazione per luso Prog. per efficienza energetica Prog. per conservazione di H 2 O Prog. per consumi minimi Prog. per uso a basso impatto Prog. per manutenzione e ripar. Prog. per durabilità Progettazione Produzione Prog. per Produzione più pulita Prodotto

12 Riduzione dellImpatto dei Processi Si possono ipotizzare una o più combinazioni di misure da applicare in fase di miglioramento e in fase di produzione Integrazione di Processo Cambio di Prodotto Cambio di via di Sintesi Cambio Tecnologia (tipi di unità) PROCESSO Cambio nei Materiali di partenza

13 Principi Euristici

14

15 Progettazione di Materiali e Processi Modulo 1 Progettazione e selezione di materiali e processi

16 Progettazione e selezione di materiali e processi (2 crediti) - Lughi PROGRAMMA: 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 studio 10/10 2,5 hCasi di studio 15/10 1,5 hCasi di studio 17/10 2,5 hSelezione di materiali con vincoli ambientali 22/10 1,5 hEco-audit 24/10 2,5 hEsempi di design avanzato 29/101,5 hEsercitazioni 31/102,5 hTest di fine modulo TESTI: Ashby - Materials Selection in Mechanical Design Ashby – Materials and the Environment Ashby, Johnson – Materiali e Design Qualsiasi testo di base di scienza ed ingegneria dei materiali (Smith, Callister, Shakelford,…) DOCENTE: Vanni Lughi – stanza 228 edificio B Ricevimento: Martedì oppure su appuntamento via

17 Concetti introduttivi Selezione e Design di materiali e processi: Dinamiche Unopportunità Da euristica a sistematica Interconnessione con forma, funzione, proprietàforma, funzione, proprietà Database Maptis NIST CES Matweb Matbase Matnavi (NIMS) Altri specifici per applicazione Datasheet Classi di materiali

18 Shape Properties Process Material Function

19 Evolution of Materials Sept 2011

20 Evolution of Materials M. F. Ashby

21 Design Process M. F. Ashby NEED Functional Solution-neutral What, not how Concept Detail Embodiement Define specifications Determine function Structure Seek working principles Evaluate and select concepts Develop layout, scale, form Model and analyze assemblies Optimize the functions Evaluate and select layout Analyze components in detail Select processing route Optimize performance and cost Prepare detailed drawings PRODUCT SPECIFICATION Iterate Desing types: Original Adaptive Variant Cork example !

22 Product as a technical system M. F. Ashby Technical system Assembly 2 Assembly 1 Assembly 3 Component 1.2 Component 1.1 Component 1.3 Component 2.2 Component 2.1 Component 2.3 Component 3.2 Component 3.1 Component 3.3

23 Technical systems analysis - Systems approach - M. F. Ashby Technical system Function 5 Function 4 Function 3 Function 2 Function 1 Function 6 Energy Materials Information Energy Materials Information Subsystems

24 Technical systems analysis - Systems approach – M. F. Ashby Energy Materials Information Energy Materials Information The bottle opener example Generate Force Transmit Force Apply Force to Cork Direct Pull Levered Pull Geared Pull Direct Push Levered Push Shaft Linkage Gas injection Screw Shear blades Gas pressure

25

26 Design Process: Available Tools M. F. Ashby NEED Concept Detail Embodiement PRODUCT SPECIFICATION All materials (broad selection, low precision) Subset of materials One material (high precision data) Function modeling Feasibility stuies Approximate analysis Geometric modeling Simulation Optimization methods Cost modeling Component modeling Finite Element Analysis Design ToolsMaterial selection

27 Shape Properties Process Material Function FUNCTIONS: Carry load Transmit load Transmit heat Transmit current Store energy … OBJECTIVES: Minimize mass Minimize cost Minimize impact …

28 Function – Material – Shape - Process

29 M. F. Ashby

30 The selection process Screening: apply property limits All materials Ranking: apply material performance indices Subset of materials Shortlisting: apply supporting information Prime candidates Final selection: apply local conditions Final material choice Innovative choices

31 Function – Objectives - Constraints FunctionWhat 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

32 Material indices Performance = f (F, G, M) Functional requirements Geometry Material properties Performance = f 1 (F) f 2 (G) f 3 (M) If separable: Material index

33 Material indices Tie Beam Shaft Column ….. Minimum cost Max energy storage Minimum weight Min. environmental impact …… Stiffness Strength Fatigue resistance Geometry ….. Material index: E 0.5 / FunctionObjectiveConstraint Material index: /

34

35

36

37 Materials Selection Charts (Ashby)

38

39

40


Scaricare ppt "Progettazione di Materiali e Processi Università degli Studi di Trieste Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Chimica e dei Materiali A.A."

Presentazioni simili


Annunci Google