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SILVIA BARBI
Ricercatore t.d. art. 24 c. 3 lett. A
Dipartimento di Scienze e Metodi dell'Ingegneria
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Insegnamento: Material Design and Optimization in Digital Manufacturing
Digital Automation Engineering (Offerta formativa 2024)
Obiettivi formativi
L'industria manifatturiera del futuro deve essere sempre più competitiva e lo sviluppo del prodotto deve essere progettato per ogni specifica funzione con attenzione a sostenibilità, ambiente, energia, mobilità e salute in un contesto generale principalmente guidato dalla digitalizzazione. L'analisi dei dati e la progettazione assistita da computer possono essere utilizzate per derivare soluzioni ad hoc nella scienza e nelle tecnologie dei materiali, nonché per spiegare le prestazioni finali e quali fattori direttamente influiscono su di esse per promuovere l'ottimizzazione.
L'obiettivo del corso è quello di arricchire la conoscenza e la comprensione degli studenti nell’ambito di materiali e processi produttivi ad alte prestazioni attraverso l'impiego di metodi di progettazione e modellazione razionali. Questi approcci, basati sulla matematica, sono in grado di ottimizzare le proprietà finali dei materiali e i parametri di processo correlati alla loro progettazione, produzione e riciclaggio. Gli studenti miglioreranno la loro capacità di applicare la conoscenza e la comprensione attraverso attività teoriche e di laboratorio utilizzando strumenti software. Il corso fornisce agli studenti autonomia di giudizio valutando criticamente diversi materiali e soluzioni per migliorare la tecnologia e la produzione. Il lavoro di gruppo richiesto nell'attività progettuale del corso consente agli studenti di migliorare le proprie capacità comunicative e di interazione reciproca. Inoltre, il corso fornisce capacità di apprendimento per l'applicazione delle principali classi di materiali, dell’analisi dei dati e della simulazione nella produzione innovativa e digitale.
Prerequisiti
nessuno
Programma del corso
Il corso corrisponde a 6 CFU e quindi a 54 ore complessive di lezioni frontali, esercitazioni, sviluppo progettuale e discussione aperta. Ci saranno tre macro-aree principali:
1. Materiali innovativi e intelligenti per la fabbrica e la produzione digitale.
2. Progettazione di esperimenti e statistica applicata ai materiali e alla progettazione dei loro processi;
3. La scienza computazionale come strumento per la simulazione delle proprietà dei materiali.
Questo corso si propone di fornire supporto ai nuovi ingegneri che dovranno gestire processi produttivi e impianti sempre più digitalizzati, per i quali i nuovi materiali giocheranno un ruolo fondamentale nel supportare la comunicazione con il mondo esterno. Il corso sarà organizzato in due temi principali applicati per esplorare diverse classi di materiali e le loro prestazioni.
• Approccio progettuale: selezione dei criteri dei materiali e progettazione razionale nella progettazione del prodotto e nell'ottimizzazione dei processi (teoria e attività di laboratorio). Verrà utilizzato un software specifico.
• Modellazione al calcolatore: metodi computazionali applicati alla scienza dei materiali, dinamica molecolare, Monte Carlo, approccio multiscala con metodi semiempirici.
a. Fondamentali per i materiali ad alte prestazioni nella fabbrica digitale: struttura dei materiali, cristalli e amorfi, difetti e correlazione con le proprietà, i modelli e l'interpretazione dei materiali principali. Strutture intelligenti, nanomateriali e nanotecnologie. (18 ore 2 CFU)
b. Materiali conduttori, semiconduttori e superconduttori: meccanismo e principali applicazioni, intrinseche e non, meccanismi di drogaggio e impurità, cristalli e relative strutture, elaborazioni tecnologiche. Interfacce, trattamenti di rivestimento e ingegneria delle superfici. Materiali funzionalmente classificati con diverse interfasi. Materiali per Energy harvesting, batterie allo stato solido. (13,5 ore 1,5 CFU)
c. Materiali ottici, Materiali magnetici e piezoelettrici: ottica lineare e non lineare, materiali inorganici e organici per l'elettronica (LASER, OFET, OLED, OLET, Celle solari a base di materiali organici, Celle solari sensibilizzate con coloranti DSSC ecc.) (4 ore 0,5 CFU)
d. Materiali e compositi intelligenti per condizioni ambientali estreme come alta temperatura (e/o pressione), rischio biologico e chimico. (4 ore 0,5 CFU)
• Progettazione razionale e Ottimizzazione delle tecnologie applicate alle precedenti classi di materiali descritte:
a. Tecnologia: tecnologia dei circuiti stampati e materiali per circuiti ad alto strato e circuiti a film sottile. Strategie bottom-up e top-down nei materiali nanostrutturati: tecnologie di processo. Stampa 3D. Design per il riciclaggio, lo smontaggio, la durata, l'aggiornamento. (13,5 ore 1,5 CFU)
Il corso consisterà in lezioni frontali, esercitazioni mediante l'utilizzo di software dedicati, attività progettuali in collaborazioni con imprese locali e multinazionali e seminari di colleghi UE e USA.
Metodi didattici
Il corso è erogato in lingua inglese e prevede lezioni teoriche e l'utilizzo di strumenti analitici per la progettazione dei materiali e l'ottimizzazione dei processi attraverso esercitazioni di laboratorio (software dedicato). Se possibile, possono essere organizzati seminari tematici e visite guidate.
- la modalità di erogazione del corso è in presenza. In ogni caso, saranno messi a disposizione sulla piattaforma TEAMS le slide del corso prima di ogni lezione e i video sia delle lezioni che delle esercitazioni svolte settimanalmente.
- la frequenza dell’insegnamento è facoltativa, ma fortemente consigliata, soprattutto per approfittare del supporto che verrà fornito per lo sviluppo delle attività laboratoriali di gruppo.
E' obbligatorio svolgere un'attività progettuale da esporre in una giornata dedicata al termine del corso. Saranno attività di gruppo (massimo 4 persone) su argomenti di approfondimento degli argomenti del corso. La discussione del progetto e delle relative domande/chiarimenti si terrà in lingua inglese. Verrà dato riscontro a chi, durante questo progetto, coinvolgerà autonomamente le aziende del territorio.
Il tempo previsto per la presentazione della tesina è di 15-20 minuti. Gli studenti di ogni gruppo si devono organizzare in autonomia per decidere chi e in che ordine effettuerà la presentazione. Chi non presenterà il progetto nella giornata dedicata dovrà presentarlo autonomamente su richiesta al docente nelle due date disponibili stabilite nella sessione di esami.
Testi di riferimento
Le slide utilizzate durante il corso, le registrazioni video sia della parte teorica che di laboratorio, e gli esercizi svolti in laboratorio assieme alle loro soluzioni saranno resi disponibili sulla piattaforma TEAMS dedicata al corso.
Gli studenti potranno approfondire i contenuti del corso attraverso i seguenti testi di studio consigliati:
1.Manuale dei Materiali per l'Ingegneria, a cura di AIMAT, McGraw-Hill, Milano 1996
2.W.F. Smith, Scienza e Tecnologia dei Materiali, McGraw-Hill, Milano1995
3. Comportamento meccanico dei materiali, P.Davoli, A. Bernasconi, M. Filippini, S. Foletti, McGraw-Hill, 2005
4. Progettazione e analisi degli esperimenti, D.C. Montgomery, McGraw-Hill, maggio 2005
5. Molecular Modeling: Principles and Applications 2nd Edition, A. Leach, Pearson Eds
Verifica dell'apprendimento
L'esame sarà orale e sono previste 3 domande di cui una relativa all'attività progettuale svolta durante l'anno e altre due su argomenti del corso. Ogni domanda presenterà sotto-domande tematiche relative agli obiettivi di apprendimento e ai contenuti del corso precedentemente descritti.
Non sono previste prove intermedie. Saranno stabilite minimo sei date di appello nel corso dell'anno accademico per l'esame orale . Gli studenti dovranno iscriversi agli appelli attraverso la piattaforma ESSE3.
Il voto è il risultato della media ponderata delle valutazioni delle due componenti dell'esame con i seguenti pesi:
- Attività di progetto 30%
- Esame orale o scritto 70%
Risultati attesi
(1) Conoscenza e comprensione 35%
Comprendere i fenomeni chimico-fisici che regolano le proprietà finali dei materiali. Conoscenza e comprensione dei principali metodi di produzione e dei relativi processi. Conoscenza dei principali metodi di progettazione e dei metodi computazionali applicati alla caratterizzazione dei materiali.
(2) Capacità di applicare conoscenza e comprensione 20%
Nella fase di predisposizione dell'attività progettuale è possibile introdurre revisioni critiche sui processi in atto ed eventuali ipotesi di miglioramento
(3) Autonomia di giudizio 15%
Gli studenti saranno in grado di effettuare valutazioni autonome sulle attuali metodologie di produzione e valutarne gli aspetti positivi e quelli da migliorare.
(4) Abilità comunicative 15%
La presentazione orale del progetto finale rappresenta un metodo per migliorare le proprie capacità comunicative, sintesi e presentazione di un'idea progettuale. Questa esposizione si terrà in inglese con il miglioramento delle capacità di comunicazione in un'altra lingua.
(5) Capacità di approfondire competenze attraverso l’applicazione dei metodi studiati a casi reali 15%