POLIMERI E COMPOSITI PER L'INNOVAZIONE DI PRODOTTO

Attività formativa monodisciplinare

Scheda dell'insegnamento

Codice attività didattica:

A003632

Anno accademico di immatricolazione:

2019/2020

Anno accademico di erogazione:

2019/2020

Afferenza:

Corso di Laurea Magistrale in INGEGNERIA PER L'INNOVAZIONE DEI MATERIALI E DEL PRODOTTO

Lingua:

Italiano

Attività raggruppate:

METODI DI SELEZIONE DEL MATERIALE
Crediti: 6 - Affine/Integrativa
PROPRIETA' MECCANICHE E FUNZIONALI DEI POLIMERI E DEI COMPOSITI
Crediti: 6 - Affine/Integrativa

Crediti totali del raggruppamento:

Tipologia di raggruppamento:

Raggruppamento di frequenza

Anno di corso:

Ciclo:

Annualita' Singola

Prerequisiti:

Per la fruizione dell'insegnamento non sono necessarie specifiche competenze e/o conoscenze pregresse diverse da quelle richieste per l'iscrizione al Corso di Studio.

Obiettivi formativi

Il corso “Polimeri e Compositi per l’Innovazione del Prodotto” mira a fornire allo studente gli strumenti per affrontare in maniera consapevole le fasi di selezione del materiale, raccolta dati e organizzazione di strategie progettuali nel caso di manufatti realizzati, interamente o in parte, con materiali polimerici tradizionali e innovativi, e con materiali con proprietà progettabili, come nel caso dei compositi. Inoltre, nel presentare materiali con proprietà funzionali, il corso mira a sviluppare nello studente un maggiore consapevolezza del continuo processo di innovazione dei materiali stessi e delle loro potenzialità per soluzioni progettuali innovative.
In particolare, il modulo “PROPRIETA' MECCANICHE E FUNZIONALI DEI POLIMERI E DEI COMPOSITI” ha come obiettivo quello di fornire una conoscenza specialistica e capacità di comprensione del comportamento meccanico e funzionale dei materiali polimerici e compositi. Il corso mira anche a sviluppare nello studente una maggiore consapevolezza nel trattare materiali con comportamenti che richiedono molti parametri per essere descritti, identificando un numero minimo di variabili utili sia per la descrizione del comportamento che per la generazione di dati utili per la progettazione. Facendo ricorso ad esercizio di tipo numerico si mira inoltre a consolidare una capacità di comprensione applicata.
Il modulo “METODI DI SELEZIONE DEL MATERIALE” ha come obiettivo quello di fornire agli studenti gli strumenti e le competenze per affrontare, nell’ambito della progettazione con polimeri e compositi, la selezione del materiale più idoneo sulla base di requisiti meccanici e funzionali, e di supportarla con una efficace raccolta di dati utili alla progettazione e un continuo aggiornamento su nuovi materiali, tecnologie e soluzioni progettuali. La ricerca bibliografica e di mercato su specifiche classi di polimeri innovativi permetterà allo studente di maturare la capacità di approfondire in maniera autonoma le proprie conoscenze, sviluppando autonomia di giudizio, oltre a servire come utile esercizio all’utilizzo della la lingua inglese nella sua forma tecnica e per lo sviluppo di abilità comunicative.
Al termine dell’insegnamento, lo studente sarà in grado di comprendere, descrivere e sapere trattare in maniera adeguata comportamenti complessi, quali la dipendenza da tempo e temperatura dei materiali polimerici, o la dipendenza da composizione e direzione di sollecitazione propria di materiali strutturati come i compositi; saprà applicare le conoscenze teoriche a casi pratici semplici e approcciare analiticamente il comportamento meccanico e funzionale di nuovi materiali. Lo studente sarà in grado di mettere in atto strategie per la selezione del materiale, programmare campagne sperimentali per l’ottenimento di dati utili alla selezione del materiale e alla progettazione, ed eseguire in maniera accurata e critica ricerche bibliografiche e di mercato su materiali innovativi.

Contenuti

Il corso “Polimeri e Compositi per l'Innovazione di Prodotto” mira innanzitutto a fornire agli studenti le conoscenze fondamentali riguardo al comportamento dei materiali polimerici e compositi e alle loro più importanti proprietà meccaniche, fisiche e funzionali ai fini della progettazione di manufatti. Il corso pone inoltre l’attenzione su argomenti direttamente collegati ai precedenti, ovvero su come le proprietà possano essere misurate, descritte analiticamente e messe a confronto in maniera opportuna ai fini della selezione del materiale e della progettazione.
In particolare, nel primo modulo, “PROPRIETA' MECCANICHE E FUNZIONALI DEI POLIMERI E DEI COMPOSITI”, gli studenti apprenderanno le informazioni fondamentali relative alle proprietà meccaniche, fisiche e funzionali dei materiali polimerici e compositi. Particolare attenzione sarà riservata all’apprendimento e all’utilizzo di strumenti analitici per la descrizione del peculiare comportamento delle due classi di materiali, viscoelastico nel caso dei polimeri, anisotropo nel caso dei compositi. Inoltre le proprietà verranno illustrate alla luce della loro stretta correlazione con la struttura del materiale. Infine una parte delle lezioni sarà riservata alle proprietà funzionali e ad un’introduzione alle plastiche intelligenti e funzionali, che saranno approfondite nel secondo modulo del corso.
Nel secondo modulo, “METODI DI SELEZIONE DEL MATERIALE”, e con specifico riferimento ai materiali polimerici e compositi, gli studenti acquisiranno le competenze utili per affrontare la selezione del materiale in fase di progetto, distinguendone tre principali ambiti: 1. approcci analitici ed applicazione pratica di criteri e strategie per la selezione del materiale; 2. raccolta di dati utili per la selezione del materiale e il dimensionamento del manufatto; 3. ricerca e comprensione delle potenzialità offerte da materiali polimerici innovativi e dei risultati di ricerche avanzate sul comportamento in esercizio di polimeri e compositi. Verranno quindi illustrati i principali criteri di selezione del materiale, suggerendo la natura fondamentale di questo passaggio all’interno della progettazione di un manufatto. Si mostreranno strategie sperimentali che permettano di condurre progettazioni avanzate, come nel caso della progettazione con materiali viscoelastici, e di valutare in maniera opportuna la risposta di strutture in materiali compositi. Infine, lo studente verra guidato nell’esecuzione di una ricerca bibliografica e di mercato inerente polimeri innovativi.

Programma esteso

Modulo 1. “PROPRIETA’ MECCANICHE E FUNZIONALI DEI POLIMERI E DEI COMPOSITI”
I. Proprietà dei materiali polimerici
1.1 Viscoelasticità: fenomenologia della risposta viscoelastica; creep e rilassamento degli sforzi; curve isocrone e isometriche; modelli analogici per la descrizione del comportamento viscoelastico (modelli di Maxwell, Kelvin-Voigt, Zener, Alfrey, modelli multi-elemento); dipendenza dalla temperatura; principio di equivalenza tempo-temperatura; dipendenza dalla storia di carico (principio di sovrapposizione degli effetti di Boltzmann)
1.2 Resistenza dei materiali polimerici: risposta meccanica per deformazioni elevate; identificazione del punto di snervamento; meccanismi di snervamento nei materiali polimerici (shear yielding; crazing); effetto della velocità di deformazione e della temperatura (equazione di Eyring); criteri di snervamento (Von Mises modificato per i polimeri; Oxborough-Bowden); cenni di meccanica della frattura lineare elastica; effetti di tempo e temperatura; resistenza alla fatica statica e dinamica.
1.3 Gomme e polimeri funzionali: comportamento meccanico delle gomme; principali proprietà e metodi di caratterizzazione; principali famiglie di elastomeri; proprietà termiche e funzionali dei polimeri; polimeri e plastiche “smart”.
II. Proprietà dei materiali compositi
2.1 Macromeccanica della lamina: definizione di lamina; comportamento meccanico e morfologia strutturale della lamina; approccio macromeccanico al comportamento della lamina; matrici di rigidezza e cedevolezza; ortotropia speciale e generale; comportamento di lamine “off-axis”; criteri di resistenza della lamina per carichi multiassiali.
2.2 Micromeccanica: leggi di rinforzo meccanico; predizione delle proprietà del composito (a pproccio della meccanica dei materiali; equazione di Halpin-Tsai); compositi con fibre corte e con rinforzi particellari; meccanismi di cedimento nelle varie direzioni.
2.3 Comportamento meccanico dei laminati: sequenze di laminazione e terminologia; teoria classica della laminazione; sforzi termici; sforzi interlaminari.
Modulo 2. “METODI DI SELEZIONE DEL MATERIALE”
I. Strategie per la selezione del materiale: analisi del prodotto, utilizzo delle materie plastiche e selezione del materiale nella progettazione; procedura di selezione del materiale e criteri (mappe di Ashby; indici pesati; profilo di proprietà); progettazione mirata (basata su: performance, rigidezza/resistenza; tecnologia; costo; sensazione) e case histories; sostituzione del materiale; confronto di soluzioni alternative.
II. Reperimento e organizzazione di dati tecnici per la progettazione: reperimento dati per i materiali viscoelastici; le analisi dinamico-meccaniche per la descrizione del comportamento viscoelastico; curva maestra e shift factor; interconversione di funzioni viscoelastiche e loro estrapolazione a temperature differenti; valutazione di parametri di resistenza a snervamento e a frattura; approccio alla progettazione pseudo-elastica; generalità sul testing sui materiali compositi; metodologie di caratterizzazione dei compositi per il reperimento di dati utili alla progettazione (prove di trazione; prove di trazione “off-axis”; prove di compressione; prove di taglio; prove di delaminazione; misura dei coefficienti di espansione termica); comportamento dei compositi in condizioni di esercizio (impatto; fatica; effetti ambientali).
III. Polimeri e plastiche innovative: polimeri intelligenti; polimeri che rispondono a stimoli esterni (temperatura; pH; stimoli luminosi; campi magnetici; enzimi); polimeri a memoria di forma; idrogeli intelligenti; polimeri autoriparanti); campi di applicazione delle plastiche intelligenti (ingegneria tissutale; rilascio di farmaci; dispositivi biomedicali; biotecnologie; tessuti; packaging; data storage).

Bibliografia consigliata

N.G. McCrum, C. P. Buckley, C. B. Bucknall,“Principles of Polymer Engineering” OUP Oxford Science Publications
B.D.Agarwal, L.J. Broutman, K. Chandrashekhara,“Analysis And Performance of Fiber Composites” John Wiley & Sons Inc
Maria Rosa Aguilar, Julio San Román, “Smart Polymers and their Applications”, Woodhead Publishing
Eric Larson, “Thermoplastic Material Selection - A Practical Guide”, William Andrew Publishing, United States (2015)
Materiale didattico e letture consigliate verranno fornite dal docente attraverso la piattaforma Moodle.

Testi disponibili nel catalogo delle biblioteche

Ultimo aggiornamento 04/09/2020

Si invitano gli studenti a verificare sempre la corrispondenza tra la bibliografia consigliata e i testi disponibili

Principles of polymer engineering / N. G. McCrum, C. P. Buckley, C. B. Bucknall. - 2. ed. - New York : Oxford university press, 1997 Vedi nel catalogo
Analysis and performance of fiber composites / Bhagwan D. Agarwal, Lawrence J. Broutman, K. Chandrashekhara. - 3. ed. - Hoboken : Wiley, ©2006 Vedi nel catalogo
Smart polymers and their applications / Julio San Román, María Rosa Aguilar - Amsterdam [etc.] : Elsevier. WP Woodhead publishing. 2014. Vedi nel catalogo
Thermoplastic material selection : a practical guide // Eric R. Larson - Amsterdam [etc.] : Elsevier. W. Andrew. 2015. Vedi nel catalogo

Modalità di erogazione

Convenzionale

Metodi didattici

Il corso si articolerà principalmente in lezioni frontali ed in esercitazioni, in aula e in laboratorio, finalizzate all’applicazione pratica degli argomenti trattati a lezione. La parte relativa ai materiali innovativi (Modulo 2) verrà svolta in parte in lezioni monografiche su alcune classi di polimeri funzionali, in parte svolgendo lavori di ricerca bibliografica con gruppi di studenti su specifiche classi di polimeri intelligenti.

Metodi di valutazione

Modalita' di verifica dell'apprendimento:

L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel Programma ufficiale del Corso e la capacità di applicare i concetti teorici appresi a casi applicativi pratici.
L’esame è costituito da un esame orale inerente il modulo “PROPRIETA' MECCANICHE E FUNZIONALI DEI POLIMERI E DEI COMPOSITI”, da un esame orale inerente il modulo “metodi di Selezione del Materiale”, e della presentazione di una ricerca bibliografica, svolta da gruppi di studenti o da studenti singoli, su specifiche classi di polimeri funzionali e intelligenti. Necessario al superamento dell’esame è un corretto utilizzo della terminologia.
Ciascun esame orale è da considerarsi superato se la votazione conseguita è maggiore o uguale a 18/30.
La ricerca bibliografica sarà illustrata dal gruppo di studenti in una presentazione di 15 minuti seguita da domande di approfondimento. Per studenti non frequentanti, la stessa ricerca sarà richiesta e presentata prima dell’esame orale. La presentazione della ricerca è da considerarsi parte integrante del corso e requisito fondamentale per l’ammissione all’orale del modulo “metodi di Selezione del Materiale”. La ricerca bibliografica avrà voto espresso in trentesimi e per accedere all’orale i candidati devono riportare una votazione della ricerca bibliografica maggiore o eguale a 18/30; il voto finale del modulo “metodi di Selezione del Materiale”, che tiene conto dei voti della presentazione e dell’orale, deve comunque esser maggiore o uguale a 18/30.
Il voto finale del corso “Polimeri e Compositi per l'Innovazione di Prodotto” verrà dato dalla media dei voti del modulo
“PROPRIETA' MECCANICHE E FUNZIONALI DEI POLIMERI E DEI COMPOSITI” concorre alla determinazione del voto finale del modulo “metodi di Selezione del Materiale”.

Valutazione:

Voto Finale

Calendario attività didattiche

Data di inizio del periodo didattico:

Lunedì, 16 Settembre, 2019

Data di fine del periodo didattico:

Venerdì, 5 Giugno, 2020

Altre informazioni

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Ulteriori informazioni

Altri insegnamenti del Corso di studio

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