Progettazione diMateriali e Processi

Università degli Studi di TriesteFacoltà di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria Chimica e dei MaterialiA.A. 2011-2012

Struttura del corso – Modalità d’Esame1° 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

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

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.

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

IntroduzioneObiettivo dell’ingegnere è quello di creare benessere e nuovi beni materiali

J. M. Douglas, 1988Come?

• 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 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 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 viamigliore e più trasparente per presentare i dati provenienti dallaprogettazione 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 ProcessesPrentice 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, quelladi separazione, ecc. Si aggiungono poi le correnti di riciclo ed i bilancimateriali 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 delprocesso. Si aggiungono poi le specifiche dimensionali preliminari delleapparecchiature.

Piping and Instrumentation Diagram P&ID−Si introducono le specifiche descriventi i dettagli meccanici e dellastrumentazione di processo

Riduzione dell’Impatto del Prodotto

Progettazione DistribuzioneProg. per distribuzione efficiente

Progettazione Materie PrimeProg. per conservazione risorse

Prog. per materiali a basso impatto

Progettazione fine vitaProg. per ri-usoProg. per ri-fabbricazioneProg. per smontaggioProg. per riciclaggioProg. per smaltimento sicuro

Progettazione per l’usoProg. per efficienza energeticaProg. per conservazione di H2OProg. per consumi minimiProg. per uso a basso impattoProg. per manutenzione e ripar.Prog. per durabilità

Progettazione ProduzioneProg. per Produzione più pulita

Prodotto

Riduzione dell’Impatto dei Processi

Si possono ipotizzare una o più combinazioni di misure daapplicare in fase di miglioramento e in fase di produzione

Integrazione diProcesso

Cambio diProdotto

Cambio divia di Sintesi

Cambio Tecnologia(tipi di unità)

PROCESSO

Cambio neiMateriali di partenza

Principi Euristici

Progettazione diMateriali e Processi

Modulo 1Progettazione 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 studio10/10 2,5 h Casi di studio15/10 1,5 h Casi di studio17/10 2,5 h Selezione di materiali con vincoli ambientali22/10 1,5 h Eco-audit24/10 2,5 h Esempi di design avanzato29/10 1,5 h Esercitazioni31/10 2,5 h Test 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: Martedì 10-12 oppure su appuntamento via email

Concetti introduttiviSelezione 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

Shape

Properties

Process

Material

Function

Evolution of Materials

www.atoastech.com/materials_technology.htm Sept 2011

Evolution of Materials

M. F. Ashby

Design Process

M. F. Ashby

NEEDFunctionalSolution-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 !

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

Technical system’s analysis- Systems approach -

M. F. Ashby

Technical system

Function 5Function 4

Function 3

Function 2

Function 1

Function 6

EnergyMaterials

InformationEnergy

MaterialsInformation

Subsystems

Technical system’s analysis- Systems approach –

M. F. Ashby

EnergyMaterials

Information

EnergyMaterials

Information

The bottle opener example

Generate Force

Transmit Force Apply

Force to Cork

Direct PullLevered PullGeared PullDirect Push

Levered Push

ShaftLinkage

Gas injection

ScrewShear bladesGas pressure

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 Tools Material selection

Shape

Properties

Process

Material

Function

FUNCTIONS:•Carry load•Transmit load•Transmit heat•Transmit current•Store energy•…

OBJECTIVES:•Minimize mass•Minimize cost•Minimize impact•…

Function – Material – Shape - Process

Function – Material – Shape - Process

M. F. Ashby

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

Function – Objectives - Constraints

Function 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

Material indices

Performance = f (F, G, M)

Functional requirements

Geometry

Material properties

Performance = f1(F) f2(G) f3(M)If separable:

Material index

Material indices

Tie

Beam

Shaft

Column

…..

Minimum cost

Max energy storage

Minimum weight

Min. environmental impact

……

Stiffness

Strength

Fatigue resistance

Geometry

…..

Material index:E0.5/

Function Objective Constraint

Material index:/

Materials Selection Charts (Ashby)

Materials Selection Charts (Ashby)

Materials Selection Charts (Ashby)

Materials Selection Charts (Ashby)