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Ente per le Nuove tecnologiel’Energia e l’Ambiente

Unità Tecnico ScientificaUnità Tecnico Scientifica

MATERIALI E NUOVE TECNOLOGIEMATERIALI E NUOVE TECNOLOGIE

DALLA POLVERE AL PROTOTIPO(La scommessa dei ceramici strutturali)

Sergio SangiorgiSezione MAT–ING

Centro Ricerche Faenza

Scienza e Tecnologia dei materiali in ENEA: dalla teoria ai prototipi

6 novembre 2003

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Coniugare competitività e svilupposostenibile rappresenta la sfida a cuirispondere attraverso la concezione e larealizzazione di nuove macchine e ilmiglioramento della conoscenza deifenomeni che regolano l'impattoambientale.

In questo quadro lo sviluppo di nuovimateriali e tecnologie rappresenta unapremessa importante per la realizzazione dimacchine, componenti e sistemi di nuovagenerazione.


Unità Tecnico ScientificaUnità Tecnico Scientifica MATERIALI E NUOVE TECNOLOGIEMATERIALI E NUOVE TECNOLOGIE


6 novembre 2003

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L’impiego di un nuovo materiale è spesso dettatodalla necessità di ottenere prestazioni superioririspetto a quelle fornite dai materiali tradizionali.

Lo scopo che si persegue è quello di svilupparemateriali e processi di fabbricazione in modo darendere utilizzabili le proprietà peculiari in funzionedel tipo di applicazione.

Il passaggio ad un nuovo materiale potrebbe essereimpraticabile in mancanza dei dati necessari aprevederne il comportamento e la durata inesercizio.

I principali settori industriali di riferimento, in terminidi mercato potenziale, sono quello energetico,l'aerospaziale e i trasporti.



MATERIALI SRUTTURALI


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…………..Leghe di alluminio, magnesioLeghe a base di Ni o TiODSCompositi a matrice metallicaTecnopolimeriCompositi a matrice polimericaLeghe superplasticheCalcestruzzi ad alta prestazioneCeramici



MATERIALI SRUTTURALI HIGH TECH


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POLIMERI E COMPOSITI A MATRICEPOLIMERICA

Il consorzio CAMPEC opera nel campo deipolimeri e dei compositi a matrice polimerica.Nella sua missione rientrano la promozione ela diffusione di nuove tecnologie e di nuoviprocessi produttivi e la realizzazione diimpianti pilota e prototipo.




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66

MATERIALI CERAMICI

Ceramici massivi

Compositi a matrice ceramica

Rivestimenti ceramici




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77

MATERIALI CERAMICI

PUNTI DI FORZA

Resistenza all’usuraResistenza alle alte temperatureResistenza agli ambienti aggressiviCompatibilità biologica

PUNTI DI DEBOLEZZA

FragilitàFabbricazione complessa e costosaLavorazione complessa e costosa




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88

AMBITO APPLICATIVO

Ovunque le condizioni diesercizio (temperatura, usura,ambiente aggressivo, ecc.)rendono critico l’impiego dimateriali tradizionali metallici enon




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FormaturaPressatura uniassiale e isostaticaFormatura in plastico (estrusione,stampaggio ad iniezione)Lavorazione in verdeColaggio



PROCESSI DI FABBRICAZIONE


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1010

Sinterizzazione



PROCESSI DI FABBRICAZIONE

Lavorazione meccanica di finitura


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1111

Caratterizzazione a breve termineDurezzaResistenza a flessione (MOR)Resistenza a trazione e compressioneTenacità

Caratterizzazione a lungo termineUsuraCreepFatica dinamica (Slow crack growth)Fatica ciclicaFatica termica



CARATTERIZZAZIONE TERMOMECCANICA


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PROGETTAZIONE

Necessità di operare un passaggio culturaleche porti da un approccio deterministico aduno probabilistico

I risultati della caratterizzazione meccanicaoltre a fornire dati di input per unaprogettazione “tradizionale” mediante analisiFEM, con l’impiego di post-processoriprobabilistici permettono di effettuare unaverifica di affidabilità che partendo dallaanalisi statistica dei dati delle prove fornisceelementi sulla probabilità di sopravvivenzadel componente.




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1313

Caratterizzazionea breve termine

Calcolo ElementiFiniti

DeterminazioneProbabilità di

Rottura

Analisi statisticadei dati

AFFIDABILITA’

PROGETTAZIONE INDIPENDENTE DAL TEMPO

FLEXURAL STRENGTH AT ROOM TEMPERATUREWEIBULL PLOT BY MAXIMUM LIKELIHOOD REGRESSION

MIXTURE 3

10 100 1000 10000MOR [MPa]

Probability failure [%]

experimental data linear regression

m = 12.51

10

20

30

50

70

90

99




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1414

PROGETTAZIONE DIPENDENTE DAL TEMPO



0

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

0,0005

0,0006

0,0007

0,0008

0,0009

0,001

Tota

l stra

in [

mm

/mm

]

0 1,5 3 4,5 6 7,5 9 10,5 12 13,5 15Time [ hours ]

Centinaia

Caratterizzazionea breve termine

Calcolo ElementiFiniti Analisi di vita

Caratterizzazionea lungo termine TEMPO DI VITA


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1515

REALIZZAZIONE PROTOTIPI

Processi di formatura maturi

Pressatura assiale e isostatica

Formatura in plastico (estrusione,

stampaggio ad iniezione)

Lavorazione in “verde” (CAD-CAM)

Sistemi di formatura innovativi

Prototipazione rapida (dal disegno al verde)

Direct Coagulation Casting, Gel casting




6 novembre 2003

1616



Stereolitografia Sinterizzazione Laser

PROTOTIPAZIONE RAPIDA


6 novembre 2003

1717



TECNOLOGIE DI SPRAY FORMING

Vacuum plasma spraying (VPS)Inert plasma spraying (IPS)High pressure plasma spraying (HPPS)Reactive plasma spraying (RPS)

………….


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1818

QUALIFICA DEI COMPONENTI

Analisi visiva

Controlli non distruttivi

Stress analysis

Proof test




6 novembre 2003

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