ANALISI NUMERICA DEL PROCESSO PRODUTTIVO DI LASTRE CERAMICHE: SIMULAZIONE DEI PROCESSI DI DEPOSIZIONE E COMPATTAZIONE DELLE POLVERI

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1 INNOVAZIONE DI PROCESSO PER LA FILIERA DELLA PIASTRELLA CERAMICA SOSTENIBILE ANALISI NUMERICA DEL PROCESSO PRODUTTIVO DI LASTRE CERAMICHE: SIMULAZIONE DEI PROCESSI DI DEPOSIZIONE E COMPATTAZIONE DELLE POLVERI Partner: CIRI-EC, Università di Bologna Relatori: Carlotta Fusi*, Stefano de Miranda, Luca Patruno, Andrea Valli Confindustria Ceramica, Sassuolo 18/07/ Credits to Giuseppe Lucisano

2 Outline Outline Progetto IperCER OR1 Obiettivi Output prove sperimentali (CNR-ISTEC) Introduzione alla modellazione numerica Simulazione numerica dei processi di deposizione e compattazione di atomizzati IPERCER 2/28

3 Obiettivi Obiettivi Analisi dei processi di deposizione e compattazione delle polveri. 300 μm IPERCER 3/28

4 Obiettivi Obiettivi Definizione dei fenomeni e delle variabili che governano la formatura di grandi lastre dimensione e forma dei grani; attrito fra i grani; struttura interna di grani; proprietà meccaniche di grani; Sviluppo di un modello numerico atto a stimare le proprietà fisiche della lastra "verde" IPERCER 4/28

5 Prove sperimentali Prove sperimentali (CNR-ISTEC) Analisi fenomenologica delle variabili chiave influenti sul processo di compattazione di atomizzati Prova di carico (edometrica) Granulometria atomizzato; Aspect ratio del provino; Umidità; IPERCER 5/28

6 Prove sperimentali Output prove (1/2) Granulometria atomizzato: μm Umidità: 6.17% Densità iniziale: g/cm³ Rapporto h/d variabile h altezza iniziale della polvere nello stampo D diametro dello stampo h/d > 0.2 IPERCER 6/28

7 Prove sperimentali Output prove (2/2) Granulometria atomizzato: μm Umidità: 6.17% Densità iniziale: g/cm³ Rapporto h/d variabile h altezza iniziale della polvere nello stampo D diametro dello stampo h/d < 0.2 IPERCER 7/28

8 Modellazione numerica Modellazione numerica DEM (1/3) Analisi numeriche basate sull'approccio DEM (Discrete Element Method) sono le più utilizzate per la modellazione di materiali granulari: numerose geometrie disponibili per la definizione della forma dei grani; IPERCER 8/28

9 Modellazione numerica Modellazione numerica DEM (2/3) Analisi numeriche basate sull'approccio DEM (Discrete Element Method) sono le più utilizzate per la modellazione di materiali granulari: si può tenere conto del fuso granulometrico (psd); IPERCER 9/28

10 Modellazione numerica Modellazione numerica DEM (3/3) Analisi numeriche basate sull'approccio DEM (Discrete Element Method) sono le più utilizzate per la modellazione di materiali granulari: le particelle sono considerate rigide; l'interazione (contatto) è descritta da: raggi delle sfere, R lunghezze di sovrapposizione, h ij forze normali, F n e tangenziali F s al piano di contatto IPERCER 10/28

11 Modellazione numerica Modellazione numerica FEM (1/2) L'analisi agli elementi finiti (FEM) presenta numerosi vantaggi rispetto al DEM, quali: possibilità di considerare il legame costitutivo del materiale; modellare geometrie complesse soggette a condizioni di vincolo e di carico articolate; IPERCER 11/28

12 Modellazione numerica FEM (2/2) E' possibile riprodurre il processo di compattazione mediante la sola simulazione numerica? Modellazione numerica Il comportamento dell'atomizzato durante la compattazione è conosciuto a livello qualitativo, ma non altrettanto a livello quantitativo. Per ottenere un modello matematico capace di riprodurlo, è necessario quantificare l'influenza di ciascun fattore che ne possa condizionare l'output. FEM come strumento per quantificare l'effetto dei principali fattori influenti sul processo. IPERCER 12/28

13 Software DEM grani sono sfere incomprimibili Simulazione del processo di deposizione per gravità Modellazione numerica Granulometria uniforme Granulometria variabile geometria dell'impaccamento Importo la geometria Software FEM grani sono sfere comprimibili Simulazione del processo di compattazione IPERCER 13/28

14 Deposizione dell' atomizzato D Caso a Caso b Deposizione h n# Prova n# sfere* r sfere [mm] h/d [-] Modulo elastico [MPa] Coeff. Poisson [-] Densità [g/cm 3 ] Attrito [-] Caso a Caso b ± (500*0.2) * sfere piene IPERCER 14/28

15 Output del processo (1/2) a) Deposizione b) IPERCER 15/28

16 Output del processo (2/2) a) b) Deposizione IPERCER 16/28

17 Modellazione dei grani La geometria dei grani ottenuta attraverso il DEM può essere facilmente importata in un software agli elementi finiti. La scelta della forma sferica è in accordo con la morfologia dell'atomizzato. Compattazione Morfologia Discretizzazione del modello IPERCER 17/28

18 Geometria dell'impaccamento Geometria semplice 2/8 sfera Impaccamento di sfere Compattazione Discretizzazione IPERCER 18/28

19 Legame costitutivo Elasto-plastico (Mises) Modulo elastico, E Coeff. di Poisson, ν Tensione di snervamento, f y Compattazione Prova edometrica: σ 2 = σ 3 E oed (Mises) = E oed(elastic mat) (1 + ν) 3(1 ν) IPERCER 19/28

20 Analisi preliminari (1/2) Sensitività alla mesh Solutore: Abaqus, Dynamic Explicit Sensitività alla velocità di deformazione Solutore: Abaqus, Dynamic Explicit Compattazione IPERCER 20/28

21 Analisi preliminari (2/2) Confronto solutore implicito-esplicito Abaqus, Dynamic Implicit (Standard) vs. Abaqus Dynamic Explicit (Explicit) Compattazione IPERCER 21/28

22 Compattazione dell' atomizzato Confronto geometria semplificata - impaccamento Compattazione 2/8 di sfera Impaccamento h/d = 2/3 IPERCER 22/28

23 Compattazione dell' atomizzato Impaccamento 1000 sfere influenza del rapporto E/f y Compattazione Impaccamento 1000 sfere r sfera = 1m h/d = 2/3 Proprietà materiale: E, ν, ρ, f y IPERCER 23/28

24 Compattazione dell' atomizzato Impaccamento 1000 sfere influenza dell'attrito fra i grani (μ) Compattazione Impaccamento 1000 sfere r sfera = 1m h/d = 2/3 Proprietà materiale: E, ν, ρ, f y, μ IPERCER 24/28

25 Compattazione dell' atomizzato Impaccamento 1000 sfere influenza del coefficiente di Poisson Compattazione Impaccamento 1000 sfere r sfera = 1m h/d = 2/3 Proprietà materiale: E, ν, ρ, f y IPERCER 25/28

26 Compattazione dell' atomizzato Impaccamento 1000 sfere influenza del fuso granulometrico Compattazione h/d = 2/3 Proprietà materiale: E, ν, ρ, f y 1000 sfere, r sfera = 1 m 7500 sfere, r sfera = 0.5± (0.5*0.2) m IPERCER 26/28

27 Conclusioni Conclusioni Analisi delle variabili che governano la formatura di grandi lastre Confronto fra le curve di compattazione ottenute al variare della configurazione geometrica del campione Influenza delle caratteristiche meccaniche del materiale sull'output della prova di compattazione Confronto numerico-sperimentale come strumento per individuare le proprietà meccaniche dei grani di atomizzato IPERCER 27/28

28 GRAZIE PER L ATTENZIONE! IPERCER 28/28

29 INNOVAZIONE DI PROCESSO PER LA FILIERA DELLA PIASTRELLA CERAMICA SOSTENIBILE ANALISI NUMERICA DEL PROCESSO PRODUTTIVO DI LASTRE CERAMICHE: SIMULAZIONE DEI PROCESSI DI DEPOSIZIONE E COMPATTAZIONE DELLE POLVERI Partner: CIRI-EC, Università di Bologna Relatori: Carlotta Fusi*, Stefano de Miranda, Luca Patruno, Andrea Valli Confindustria Ceramica, Sassuolo 18/07/