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Giovanni BOLELLI
Professore Associato
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: Selezione dei Materiali e Tribologia
Ingegneria Meccanica (Offerta formativa 2024)
Obiettivi formativi
PRIMO MODULO (PRIMO SEMESTRE): SELEZIONE DEI MATERIALI
Il modulo illustra i metodi per selezionare materiali e i processi in funzione di requisiti progettuali, in particolare tramite l’utilizzo dei grafici di selezione dei materiali e del software CES - Cambridge Engineering Selector. Lo studente acquisisce i concetti di base relativi alla traduzione dei requisiti di progetto in criteri di selezione, con particolare attenzione a vincoli e obiettivi, e comprende come analizzare problemi complessi di selezione caratterizzati da vincoli ed obiettivi multipli, anche contrastanti. Il modulo illustra inoltre i criteri di ecoprogettazione e la possibilità del software di sintetizzare materiali e strutture ibride. Lo studente acquisisce così la necessaria autonomia per effettuare una selezione congiunta di materiale e processo.
SECONDO MODULO (SECONDO SEMESTRE): TRIBOLOGIA
La tribologia è la disciplina che studia le interazioni fra superfici a contatto. Obiettivo del modulo è quindi introdurre gli studenti ai concetti fondamentali della tribologia, cioè attrito, usura e lubrificazione, oltre che alle relative tecniche di indagine sperimentale.
Al termine del modulo, lo studente dovrebbe possedere le basi concettuali e metodologiche necessarie per affrontare un problema pratico di tribologia, identificando correttamente i fenomeni in gioco, proponendo possibili soluzioni, e pianificando attività sperimentali opportune per valutare l'efficacia delle stesse. Si rimanda ai "Risultati di Apprendimento Attesi" per maggiori dettagli.
Prerequisiti
Conoscenze di base di scienza dei materiali: caratteristiche strutturali e principali proprietà fisiche, meccaniche e termiche dei materiali metallici, ceramici, polimerici. Definizione di tensione e deformazione, concetti di base relativi all'analisi degli stress (es.: concetto di tensione equivalente ).
Programma del corso
La suddivisione dei contenuti per CFU è da intendere come indicativa e può subire modifiche nel corso dell’insegnamento alla luce dei riscontri ottenuti.
PRIMO MODULO
Parte teorica (3 CFU)
-Introduzione al software e alla scelta del materiale (0.3 CFU)
-I materiali in ingegneria, i diagrammi delle proprietà dei materiali, la tavola degli elementi, modificare le proprietà, progettare un nuovo materiale (0.5 CFU)
-La scienza e l’ingegneria dei materiali (0.3 CFU)
-La scelta del processo (0.5 CFU)
-Obiettivi multipli e contrastanti (0.5 CFU)
-Materiali e Forme (0.3 CFU)
-La selezione dei materiali sulla base di criteri di ecoprogettazione (0.3 CFU)
-La progettazione di materiali ibridi (0.3 CFU)
Parte pratica (3 CFU)
Esercitazioni pratiche: attività di gruppo con il software CES. Eseguire la selezione di materiali o di processo ad un caso specifico. Scrittura di un report e presentazione, mediante presentazioni in power point, del progetto alla classe, assegnazione di punti per ogni esercitazione (da 0 a 3) la media dei punti permetterà di aggiungerli al voto finale
SECONDO MODULO
Concetti fondamentali della tribologia (0.5 CFU):
- Definizione di Tribologia, attrito, usura, lubrificazione
- Contatti conformi e non conformi fra superfici ideali, contatti fra superfici reali
Attrito (1 CFU):
- Modelli dell'attrito
- Riscaldamento per attrito
Usura (2.5 CFU):
- Definizione di meccanismi di usura e processi di usura
- I meccanismi di usura: usura adesiva, abrasiva, tribochimica e per fatica superficiale
- Processi di usura: per strisciamento, per erosione, per fretting, etc.
- Mappe di usura
- Specificità del comportamento a usura di ceramici e polimeri
Lubrificazione e lubrificanti (1 CFU):
- I lubrificanti liquidi: olii base
- Additivi, inclusi «friction modifier», additivi anti-wear, additivi EP, e i loro meccanismi di azione
- Cenni di lubrificazione elasto-idrodinamica (EHL) e il fenomeno dello «scuffing»
- Additivazione tramite nanoparticelle
- Lubrificanti solidi
- Grassi
Metodi sperimentali in tribologia (1 CFU):
- Prove tribologiche: scale di prova, pianificazione di una campagna di test tribologici, principali metodologie di prova in laboratorio
- Rugosità e rugosimetria: cenni sui principali tipi di profilometri/rugosimetri e sulla microscopia elettronica a scansione
- Esperienza di laboratorio: esempi di test di usura, profilometria e analisi dei relativi dati
Metodi didattici
PRIMO MODULO (PRIMO SEMESTRE)
L’insegnamento nella parte teorica viene erogato mediante lezioni frontali in presenza con l’ausilio di mezzi audiovisivi (presentazioni in Power Point), la parte pratica a piccoli gruppi viene svolta in presenza in aule dotate di computer con installato il programma CES EDUPACK. La frequenza a lezioni frontali e esercitazioni pratiche è facoltativa ma comunque consigliata.
Il materiale didattico originale presentato è reso disponibile agli studenti attraverso il sistema DOLLY.
SECONDO MODULO (SECONDO SEMESTRE)
L’insegnamento viene prevalentemente erogato mediante lezioni frontali in presenza con l’ausilio di mezzi audiovisivi (presentazioni in Power Point), integrate da alcune dimostrazioni/esercitazioni pratiche di metodi sperimentali in laboratorio, svolte in presenza a piccoli gruppi (in funzione della capienza delle strutture). La frequenza a lezioni frontali e dimostrazioni/esercitazioni pratiche è facoltativa ma comunque consigliata.
Il materiale didattico originale presentato è reso disponibile agli studenti attraverso la piattaforma MOODLE.
Quanto sopra indicato è passibile di modifiche anche con breve preavviso in funzione dell'evolversi della situazione sanitaria.
Testi di riferimento
PRIMO MODULO
M.F. Ashby - Materials Selection in Mechanical Design".- Butterworth & Heinemann. (ESISTE ANCHE IN TRADUZIONE ITALIANA)
SECONDO MODULO
Le dispense utilizzate dal docente nel corso delle lezioni frontali, che coprono l'intero programma d'esame, sono a disposizione sulla pagina MOODLE dell'insegnamento (nel rispetto dei diritti d’autore).
Inoltre, i seguenti testi costituiscono un valido supporto per consultazione e approfondimento dei contenuti:
- G.W. Stachowiak, A. Batchelor, Engineering Tribology – 4th Edition, Butterworth-Heinemann, 2014 (a)
- K.C. Ludema, Friction, Wear, Lubrication: A Textbook in Tribology, CRC Press, 1996 (b)
- B. Bhushan (ed.), Modern Tribology Handbook, Two Volume Set, CRC Press, 2000 (a)
- B. Bhushan, Principles and Applications of Tribology – 2nd Edition, Wiley, 2013 (b)
- G. Straffelini, Friction and Wear. Methodologies for Design and Control, Springer, 2015 (b)
- K.-H. Zum Gahr, Microstructure and Wear of Materials, Elsevier, 1987
Consultazione e approfondimenti per la parte di lubrificazione:
- L.R. Rudnick (Editor), Lubricant Additives: Chemistry and Applications, 3° Edition, CRC Press, 2017
- R.M. Mortimer, M.F. Fox, S.T. Orszulik (Editors), Chemistry and Technology of Lubricants, 3° Edition, Springer, 2010
- T. Mang, W. Dresel (Editors), Lubricants and Lubrication, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., 2007
NOTE
(a) Disponibile in formato elettronico presso SBA
(b) Disponibile o in fase di acquisizione in formato cartaceo presso BUST
Verifica dell'apprendimento
La valutazione complessiva al termine del corso è la media aritmetica delle valutazioni conseguite nei due moduli del corso, espressa in 30simi con possibile lode.
Le prove potrebbero essere svolte in presenza o a distanza a seconda dell'evoluzione della situazione sanitaria.
PRIMO MODULO (SELEZIONE DEI MATERIALI)
La verifica dell’apprendimento prevede una valutazione in itinere tramite le relazioni e presentazione delle esercitazioni effettuate più un esame finale scritto. L'esame finale è uno scritto di 3 domande per un tempo di 1 ora e prevede una valutazione in 30simi con possibile lode. Le esercitazioni in itinere vengono valutate assegnando un punteggio da 0 a 3. La media dei punteggi ottenuti nelle esercitazione verrà aggiunta al voto finale ottenuto dalla prova scritta. La valutazione delle relazioni tiene conto: della capacità di applicare quanto studiato al caso in esame (30%); capacità di presentare i dati e discutere i risultati ottenuti (40%); proprietà di linguaggio e chiarezza espositiva (20%), puntualità nelle consegne (10%).
Il colloquio consiste nella discussione di un argomento nell’ambito degli argomenti trattati a scelta del docente. Nell’attribuzione del punteggio del colloquio verrà valutato il livello delle conoscenze teoriche acquisite (50%), della capacità di applicare le conoscenze acquisite (40%) e delle abilità comunicative (10%).
SECONDO MODULO (TRIBOLOGIA)
La verifica avviene tramite un colloquio con valutazione è espressa in 30simi con possibile lode. Il colloquio prevede l'analisi di un esempio pratico di usura proposto dal docente e procede a una verifica delle conoscenze teoriche acquisite.
La valutazione del colloquio tiene conto del livello delle conoscenze acquisite, ivi compresa la capacità di associare fra loro le conoscenze (50%), della capacità di applicare le conoscenze acquisite all'analisi e alla discussione critica di un caso reale (30%) e delle abilità comunicative (20%).
Risultati attesi
Conoscenza e capacità di comprensione: Tramite lezioni frontali, materiale audio-video, dimostrazioni di laboratorio e seminari, lo studente comprende i principi e le tecniche di selezione dei materiali finalizzate all'ottenimento di specifici obiettivi progettuali, i principi fondamentali della tribologia (attrito / usura / lubrificazione) e le principali modalità di manifestazione dei diversi meccanismi tribologici. Lo studente sa riconoscere la natura specificamente "di sistema" di qualsiasi problema tribologico.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione: lo studente sa identificare i parametri progettuali fondamentali per la scelta di un materiale e utilizza gli strumenti software per proporre possibili soluzioni. Lo studente identifica i processi tribologici e riconosce i meccanismi di usura attivi in una situazione reale o di laboratorio; sa proporre possibili soluzioni e sa pianificare una campagna sperimentale per l'analisi di un problema tribologico e la selezione di sistemi ottimali.
Autonomia di giudizio: Tramite le relazioni scritte sul lavoro di gruppo e le esercitazioni di laboratorio lo studente è in grado di comprendere, analizzare individualmente e discutere anche collegialmente e criticamente, nonché esporre i risultati ottenuti. Lo studente sarà in grado di affrontare con successo testi di base ed avanzati e letteratura specialistica, scegliere i metodi più appropriati per il problema in esame, valutare e interpretare criticamente i risultati e/o dati sperimentali ottenuti.
Abilità comunicative: Le relazioni scritte, lo studio del materiale didattico e le esercitazioni forniscono il linguaggio tecnico-specialistico per dialogare con figure professionali a vari livelli (progettisti, ingegneri di processo, tecnici commerciali, ecc.) nell’ambito della selezione dei materiali e della tribologia. Lo studente saprà discutere le problematiche incontrate e presentare i dati ottenuti in modo efficace e conciso; le presentazioni di gruppo inerenti l’attività di selezione permettono di esprimere i concetti appresi con linguaggio appropriato e di sostenere una discussione in merito agli argomenti trattati.
Capacità di apprendimento: tramite le attività descritte, lo studente acquisisce gli strumenti metodologici per proseguire gli studi e provvedere autonomamente al proprio aggiornamento.