Progettazione con materiali

Presentazione sul tema: "Progettazione con materiali"— Transcript della presentazione:

1 Progettazione con materiali

2 Classi di materiali

3 Aspetti significativi (plastico rispetto ad un acciaio)
Modulo di Young: 100 volte inferiore Carico di snervamento: 10 volte inferiore Linearità: quasi inesistente Sensibilità alla temp.: significativa Densità: circa 7 volte inferiore Conducibilità termica: 200 volte inferiore Dilatazione termica: 7 volte superiore

4 Proprietà significative (1)
Generali Densità Kg/m3 Costo €/kg Meccaniche Moduli elastici MPa Resistenza (allo snerv.) Carico max. (rottura Resit. Compressione Durezza Vikers Limite di fatca Mpa

5 Proprietà significative (2)
Meccaniche Allung a rottura Adim Tenacità a fratt.(KIc) Pa.m½ Tenacità (GIc) Kj/m2 Coeff. Di smorzamento Termiche Coeff. Dil. 1/°K Calore specifico J/Kg.°K Temp. Fusione °K Temp. Trens. vetrosa

6 Proprietà significative (3)
Termiche Max. Temp. Esecizio °K Min. temp. Esercizio Conducibilità termica W/m.°K Resis. agli shock term. DETLA °k Coeff. Dil. 1/°K Elettriche Resistività Ώ.m Tensione di scarico MV/m Costante dielettrica

7 Proprietà significative (4)
Ottiche Trasparenre, traslucido opaco Si/No Emissività Indice di rifrazione Ecologiche Energia per produrre 1Kg MJ/kg Emissione di CO2 Kg/Kg Interaz. Amb. Velocità di corrosione Velocità di degrado Resistenza all’usura

8 Caratteristiche elastiche (1)
Young: Modulo di taglio: Modulo di volume: Coeff. Di Poisson:

9 Caratteristiche meccaniche (2)
Nel caso di materiali isotropi normali si ha : E quindi

10 Caratteristiche meccaniche (4)
Carico di snervamento: Per i metalli è il carico con deformazione residua del 0,2%

11 Caratteristiche meccaniche (5)
Carico di snervamento: Per i polimeri deformazione marcatamente non lineare (circa 1%)

12 Caratteristiche meccaniche (6)
Carico di snervamento: Per i ceramici: Il MOR

13 Confronto tra diversi tipi di materiali (1)

14 Confronto tra diversi tipi di mat. (2)

15 Confronto tra diversi tipi di mat. (2)

16 Confronto tra diversi tipi di mat. (3)
Velocità di propagazione delle onde:

17 Confronto tra diversi tipi di mat. (3)

18 Provino sottoposto a trazione
L F

19 Confronto tra diversi tipi di mat. (3)

20 Flessione con sezione quadrata

21 Confronto tra diversi tipi di mat.

22 Confronto tra diversi tipi di mat. (4)

23 Confronto tra diversi tipi di mat. (5)
G1c è l’energia che viene rilasciata se la frattura si propaga

24 Confronto tra diversi tipi di mat. (6)

25 Le tecniche di progettazione valide con materiali metallici non sono applicabili a materiali plastici, ai ceramici, ai compositi.

26 Termoplastici e termoindurenti
Termoplastici: al crescere della temperatura si “rammolliscono”, possono essere plasmati, formati, stampati e al raffreddamento si fissano nella nuova forma. Se riscaldati tutto ricomincia da capo

27 Termoplastici e termoindurenti
Sono formati per addizione o policondensazione, di solito con due componenti, una resina ed un indurente, se riscaldati finiscono per distruggersi senza prima “rammollirsi”

28 Termoplastici e termoindurenti
Tutti i materiali plastici sono costituiti da lunghe catene di polimeri. Un polimero è una sequenza di monomeri che contengono una “colonna vertebrale” di atomi di carbonio uniti fra loro da legami covalenti o Π e da altri elementi o radicali. I termoplastici hanno dei legami deboli tra le catene di polimeri (tipo Van der Waals). I termoindurenti hanno legami forti tra le catene

29 termoplastici Polietilene

30 Termoplastici R può assumere varie forme: R = H => Polietilene
R = CH3 => polipropilene R = F => PTFE (teflon) R = C6H5=>polistirene R = Cl => Polivinilcloruro (PVC) R = COOCH => PMMA ……………….

31 Termoplastici

32 TERMOINDURENTI

33 Epoxy

34 Temperatura di transizione viscosa

35 Sforzo- deformazione

36 Confronto Young (MPa) Rottura (MPa) KJ/M2 densità Lega Al 70 000
2,7 Acciaio 7,8 Polietilene 20-40 0,94 Polistirene 35-60 20-50 1,1 Policarbonato 55-70 1,2 Poliacetato 60-70 18-20 1,4 GRP 90-200 1,7

37 Progettazione per la rigidezza

38 Sandwich

39 Irrigidire

40 CREEP

41 Creep

42 Laminati

43 Laminati

44 Caratteristica comune
Anisotropia Non omogeneità

45 Le fibre sono piu’ resistenti dei materiali monolitici
Resistenza La resistenza a rottura di molti materiali in filamenti cresce moltissimo al diminuire del raggio (restando sempre inferiore al valore teorico delle forze di legame) Carico di rottura del materiale in forma monolitica Diametro (μm) ≈10 μm

46 Le fibre sono piu’ resistenti dei materiali monolitici
Un capello accanto ad una fibra di carbonio

47 PROPRIETA’ DI ALCUNE FIBRE
Densità (g/cm3) Modulo el. (Gpa) Res. trazione (Mpa) Deformaz. a rottura Coeff. dil. T. (10-6/°C) vetro E 2,54 72,4 2400 4,8 2.8 carbonio (Amoco T300) 1,76 231,0 3650 1,6 longitudinale -0.6 radiale 7- 12 carbonio (Hercules AS-4) 1,80 248,0 4070 1,65 - carbonio (Amoco P -100) 2,15 758,0 2410 0,32 longitudinale -1,45 aramidiche 1,45 131,0 3620 2,8 longitudinale -2 Kevlar 49 radiale 59 polietilene 0,97 172,0 3000 2,7 Spectra-1000 Boro 2,70 393,0 3100 0,79 5,0 Allumina 3,95 379,0 1900 0,4 8,3 Alluminio 2,77 70 350 Acciaio (1020) 7,82 205 320 0,8 15 Legno (//, abete) 0,40 14 84

48 Resistenza specifica (MPa/(g/cm3))

49 Modulo specifico (GPa/(g/cm3))

50 Una fibra antica Thomas Edison nel 1878 fu il primo a convertire le fibre di cellulosa in fibre di carbonio per ricavare il filamento delle lampadine a indandescenza dopo il 1910 il filamento di carbonio venne sostituito da un filamento in tungsteno

51 Confronto fra i costi

52 Coeff. Dilatazione termica (/°C)
Matrici Densità (g/cm3) Modulo elastico (Gpa) Resistenza a arazione (MPa) Deformazione rottura (%) Coeff. Dilatazione termica (/°C) epossidiche 1,2 -1,3 2,75 -4,10 55-130 4 -8 50-80 poliestere insaturi 1,1 - 1,4 2,1 - 3,45 34, ,5 4 - PEEK 1,30 3,2 100 60 47,0 PPS 1,36 3,3 83 49,0 PEI 1,27 3,0 105 56,0

53 I compiti della matrice e delle fibre
Le fibre influenzano: Modulo e resistenza a trazione e compressione Densità Resistenza a fatica Conducibilità elettrica e termica Coefficiente di dilatazione termica Costo Lavorabilità La matrice influenza: Densità Resistenza a taglio e interlaminare Trasferimento del carico sulle fibre (efficacia del rinforzo) Resistenza ambientale Instabilità a compressione (microbuckling) Lavorabilità Tecnologia di produzione

54 Fibre e matrici

55 Caratteristiche meccaniche dei materiali base

56 Caratteristiche di alcuni compositi

57 Confronti tra costi di pre-preg UD

58 Mappa del modulo/densità

59 Mappa della resistenza/densità

60 Caratteristiche vantaggiose dei compositi
Bassa densità Alta rigidezza specifica Alta resistenza specifica Resistenza alla corrosione Resistenza alla fatica Bassa sensibilità all’intaglio (se ben progettato) Forte capacità di smorzamento Possibilità di realizzare grandi componenti monolitici Basso consumo energetico nel processo produttivo (!?) Possibilità di ottenere bassi coeff. di dilatazione termica Buona permeabilità ai raggi X Elevato assorbimento di energia durante un urto

61 Caratteristiche svantaggiose
Costo elevato Tecnologia completamente diversa da quella tradizionale Sensibilità alle temperature Difficoltà di collegamento con altri materiali Scarsa conoscenza diffusa sui MC Necessità di maggiori controlli di qualità sui materiali e sui cicli di produzioni Necessità di predisporre un sistema di G.Q. Difficoltà nelle NDT Difficoltà di ricilaggio Scarsa resistenza al fuoco Nocività dei fumi Necessità di manipolare materiali tossici durante la fabbricazione Sensibilità all’umidità

62 Il ciclo di progettazione

63 Il ciclo di progettazione
Maggior numero di variabili da tenere sotto controllo (maggior flessibilità ma anche maggior complessità) Tecnologia “nuova” Ottimizzazione del materiale stesso. Con MC, diversi strati sono interessati da diversi tipi di sollecitazione Necessità di valutazione molto precisa dei carichi e delle condizioni di funzionamento Nessuna plasticizzazione che “perdona” errori Necessità di riprogettazione completa e non solo riproduzione in similitudine

64 Spitfire

65 Altre caratteristiche

66 Smorzamento Acciaio circa 104 Fattore di smorzamento= An An+1
Fatt. smorz (relativo) Acciaio 1020 1 Acciaio per fusione 1,5 GFRP (epoxy) 2,5 CFRP (epoxy) Kevlar epoxy 3 Poliestere 20

67 Stabilità dimensionale al variare della temperatura
Antenna parabolica (spaziale) T: da -160°C a 95°C α: da 0,09 a -0,27 Dia: 4,5m P=36Kg (in alluminio, 77Kg) 3,5 2,5 1,5 0,5 Attenuaz. segnale Si potrebbe ridurre il diametro! 1,5 1 0,5 0 0,5 1 1,5 Spostamento assiale

68 Effetto del rapporto resistenza/densità
M=0,9*106Kg.m Acciaio CFRP

69 Effetto del rapporto resistenza/densità

70 Maggior resistenza spec
Maggior resistenza spec., capacità smorzante, disaccoppiamento tra rigidezze

71 Fatica

72 Assorbimento di energia

73 Mercato 1

74 Mercato 2

75 Mercato 3