Progettazione di Materiali e Processi Università degli Studi di Trieste Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Chimica e dei Materiali A.A. 2011-2012

Struttura del corso – Modalità d’Esame 1° semestre (4 crediti) 1 – 31 ottobre Progettazione e selezione di materiali (2 crediti) – Lughi 5 novembre – 12 dicembre Materiali compositi (2 crediti) – Lucchini 2° semestre (4 crediti) Marzo – aprile 2013 Criteri euristici per la progettazione di processo (1 credito) - Colussi Aprile – maggio 2013 Pinch 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

Progettazione e selezione di materiali e processi (2 crediti) - Lughi 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

Materiali Compositi (2 crediti) - Lucchini 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 sull’esperienza per confermare l’adeguatezza 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.

Pinch e analisi economica (2 crediti) - Fermeglia: 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.

Process Design

In fase di ricerca, 1-3% delle nuove idee trova applicazione; Introduzione Obiettivo dell’ingegnere è quello di creare benessere e nuovi beni materiali J. M. Douglas, 1988 Come? • In fase di ricerca, 1-3% delle nuove idee trova applicazione; • Sviluppo nuovi processi; • In fase di sviluppo, 10-25% delle nuove idee trova applicazione; • A livello di impianto pilota, 40-60% delle nuove idee trova applicazione; • 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.

L’informazione visiva rappresenta la via Diagrammi Il modo più chiaro ed efficiente per comunicare delle informazioni relative ad un processo è quello di utilizzare dei diagrammi di flusso. L’informazione 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

Diagrammi nell’ingegneria 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

Riduzione dell’Impatto del Prodotto Progettazione Materie Prime Prog. per conservazione risorse Prog. per materiali a basso impatto Progettazione Distribuzione Prog. per distribuzione efficiente Progettazione Produzione Prog. per Produzione più pulita Prodotto Progettazione per l’uso Prog. per efficienza energetica Prog. per conservazione di H2O Prog. per consumi minimi Prog. per uso a basso impatto Prog. per manutenzione e ripar. Prog. per durabilità Progettazione fine vita Prog. per ri-uso Prog. per ri-fabbricazione Prog. per smontaggio Prog. per riciclaggio Prog. per smaltimento sicuro

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

Principi Euristici

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

Progettazione e selezione di materiali e processi (2 crediti) - Lughi PROGRAMMA: 01/10 1.5 h Introduzione al corso – Concetti introduttivi (progettazione, selezione, dati) 03/10 2,5 h Metodologie di selezione - Approccio Ashby - Esempi 08/10 1,5 h Introduzione all’utilizzo del sofware CES – Casi di studio 10/10 2,5 h Casi di studio 15/10 1,5 h Casi di studio 17/10 2,5 h Selezione di materiali con vincoli ambientali 22/10 1,5 h Eco-audit 24/10 2,5 h Esempi di design avanzato 29/10 1,5 h Esercitazioni 31/10 2,5 h Test 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 10-12 oppure su appuntamento via email

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

Properties Function Shape Material Process

Evolution of Materials www.atoastech.com/materials_technology.htm Sept 2011

Evolution of Materials Today: wide range of materials – Need to put some order – Supremacy of metals up until 1960s M. F. Ashby

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

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

Technical system’s analysis - Systems approach - Energy Materials Information Function 3 Function 1 Energy Materials Information Function 2 Function 6 Function 4 Function 5 Iterative process Subsystems M. F. Ashby

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

Iterative process

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

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

Function – Material – Shape - Process Iterative process

Function – Material – Shape - Process Iterative process M. F. Ashby

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

Function – Objectives - Constraints What does the component do? e.g.: support load, seal, transmit heat, bycicle fork, etc. Objective What do we want to maximize (minimize)? e.g.: minimize cost, maximize energy storage, minimize weight, etc. Constraints What 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

Functional requirements Material indices Performance = f (F, G, M) Functional requirements Material properties Geometry If separable: Performance = f1(F) f2(G) f3(M) Material index

Min. environmental impact Material indices Function Objective Constraint Material index: E0.5/ Tie Beam Shaft Column ….. Minimum cost Max energy storage Minimum weight Min. environmental impact …… Stiffness Strength Fatigue resistance Geometry ….. Material index: /

Materials Selection Charts (Ashby)

Materials Selection Charts (Ashby)

Materials Selection Charts (Ashby)

Materials Selection Charts (Ashby)