Granta Design, August

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1 Granta Design, August

2 Cominciamo con CES Edu Questi esercizi costituiscono un modo facile e intuitivo per addentrarsi nell uso del software Cambridge Engineering Selector (CES). L esauriente HELP file e CES InDepth all interno del software forniranno invece assistenza piú approfondita. Descrizione di CES Edu Il software CES Edu ha tre Livelli di Database: LIVELLO 1 (LEVEL 1) 64 materiali e 75 processi LIVELLO 2 (LEVEL 2) 91 materiali e 104 processi, con contenuti piú vasti LIVELLO 3 (LEVEL 3) Il livello professionale : adatto a studenti, laureandi e ricercatori. Dati tecnici per piú di 2900 materiali e 200 processi A ciascun livello sono presenti diverse Tabelle Dati. Le piú importanti sono: MATERIALI Immagini, testo e dati per i materiali PROCESSI PRODUTTIVI produttivi Immagini e descrizioni dei possibili processi PROCESSI DI JOINING Immagini e dettagli dei processi di joining dei materiali Ad ogni livello, il programma puó essere utilizzato per SFOGLIARE Esplorando il database e cercando argomenti attraverso l indice CERCARE Cercando informazioni tramite una ricerca di testo SELEZIONARE Usando il potente motore di ricerca per trovare records che rispettino una serie di requisiti La piattaforma CES Education fa molto piú! Ma questo é sufficiente per cominciare. Granta Design, August

3 SFOGLIARE e CERCARE Ai Livelli di Database 1 e 2, il database di DEFAULT é LEVEL 1, MATERIAL UNIVERSE. Esercizio 1. SFOGLIARE (BROWSE) materiali Cercare un record per SAINLESS STEEL Cercare un record per CONCRETE Cercare un record per POLYPROPYLENE Esaminare il record per POLYPROPYLENE al LIVELLO 2 Cercare PROCESSI di produzione del POLYPROPYLENE usando il pulsante LINK alla fine della descrizione Esercizio 2. SFOGLIARE (BROWSE) processi Selezionare LEVEL 2, ALL PROCESSES Cercare un record per INJECTION MOULDING Cercare un record per LASER SURFACE HARDENING Cercare un record per FRICTION WELDING (METALS) Cercare MATERIALI che possono essere prodotti per DIE CASTING, usando il pulsante LINK alla fine della descrizione Esercizio 3. La funzione CERCA (SEARCH) Cercare il materiale PLEXIGLAS Cercare materiali per CUTTING TOOLS Cercare il processo RTM Table: Subset: Table: Subset: Material universe Material universe Ceramics Composites etc. Process universe All processes, L1 Process universe Joining Shaping Level 1 Surface treatment (Esempi di un MATERIAL record e di un PROCESS record sono a pagina seguente) Find what Look in table Plexiglas Materials Universe Granta Design, August

4 (Esempi di un MATERIAL record e di un PROCESS record sono a pagina seguente) Parte di un record per il materiale POLYPROPYLENE Polypropylene (PP) (CH2-CH(CH3))n Polypropylene, PP, first produced commercially in 1958, is the younger brother of polyethylene - a very similar molecule with similar price, processing methods and application. Like PE it is produced in very large quantities (more than 30 million tons per year in 2000), growing at nearly 10% per year, and like PE its molecule-lengths and side-branches can be tailored by clever catalysis, giving precise control of impact strength, and of the properties that influence molding and drawing. In its pure form polypropylene is flammable and degrades in sunlight. Fire retardants make it slow to burn and stabilizers give it extreme stability, both to UV radiation and to fresh and salt water and most aqueous solutions. General properties Density Mg/m 3 Price USD/kg Mechanical properties Young's Modulus GPa Shear Modulus GPa Bulk modulus GPa Poisson's Ratio Hardness - Vickers HV Elastic Limit MPa Tensile Strength MPa Compressive Strength MPa Elongation % Endurance Limit MPa Fracture Toughness MPa.m 1/2 Loss Coefficient Thermal properties Thermal conductor or insulator? Good insulator Thermal Conductivity W/m.K Thermal Expansion µstrain/k Specific Heat J/kg.K Melting Point C Glass Temperature C Maximum Service Temperature C Minimum Service Temperature C Electrical properties Electrical conductor or insulator? Good insulator Resistivity 3.3e22-3e23 µohm.cm Dielectric Constant Power Factor 5e-4-7e-4 Breakdown Potential *V /m Design guidelines Standard grade PP is inexpensive, light and ductile but it has low strength. It is more rigid than PE and can be used at higher temperatures. The properties of PP are similar to those of HDPE but it Re is stiffer and melts at a higher temperature ( C). Stiffness and strength can be improved further by reinforcing with glass, chalk or talc.when drawn to fiber PP has exceptional strength and resilience; this, together with its resistance to water, makes it attractive for ropes and fabric. It is more easily molded than PE, has good transparency and can accept a wider, more vivid range of colors. PP is commonly produced as sheet, moldings fibers or it can be foamed. Advances in catalysis promise new co-polymers of PP with more attractive combinations of toughness, stability and ease of processing. Monofilaments fibers have high abrasion resistance and are almost twice as strong as PE fibers. Multi-filament yarn or rope does not absorb water, will float on water and dyes easily. Technical notes The many different grades of polypropylene fall into three basic groups: homopolymers (polypropylene, with a range of molecular weights and thus properties), co-polymers (made by co-polymerization of propylene with other olefines such as ethylene, butylene or styrene) and composites (polypropylene reinforced with mica, talc, glass powder or fibers) that are stiffer and better able to resist heat than simple polypropylenes. Typical uses Ropes, general polymer engineering, automobile air ducting, parcel shelving and air-cleaners, garden furniture, washing machine tank, wet-cell battery cases, pipes and pipe fittings, beer bottle crates, chair shells, capacitor dielectrics, cable insulation, kitchen kettles, car bumpers, shatter proof glasses, crates, suitcases, artificial turf. _ Parte di un record per il processo INJECTION MOLDING Injection molding No other process has changed product design more than injection molding. Injection molded products appear in every sector of product design: consumer products, business, industrial, computers, communication, medical and research products, toys, cosmetic packaging and sports equipment. The most common equipment for molding thermoplastics is the reciprocating screw machine, shown schematically in the figure. Polymer granules are fed into a spiral press where they mix and soften to a doughlike consistency that can be forced through one or more channels ('sprues') into the die. The polymer solidifies under pressure and the component is then ejected. Thermoplastics, thermosets and elastomers can all be injection molded. Coinjection allows molding of components with different materials, colors and features. Injection foam molding allows economical production of large molded components by using inert gas or chemical blowing agents to make components that have a solid skin and a cellular inner structure. Physical Attributes Mass range kg Range of section thickness mm Tolerance mm Roughness µm Surface roughness (A=v. smooth) A Economic Attributes Economic batch size (units) 1e4-1e6 Relative tooling cost very high Relative equipment cost high Labor intensity low Shape Circular Prismatic Non-circular Prismatic Solid 3-D Hollow 3-D Design guidelines Injection molding is the best way to mass-produce small, precise, polymer components with complex shapes. The surface finish is good; texture and pattern can be easily altered in the tool, and fine detail reproduces well. Decorative labels can be molded onto the surface of the component (see In-mould Decoration). The only finishing operation is the removal of the sprue. Technical notes Most thermoplastics can be injection molded, although those with high melting temperatures (e.g. PTFE) are difficult. Thermoplastic based composites (short fiber and particulate filled) can be processed providing the fillerloading is not too large. Large changes in section area are not recommended. Small re-entrant angles and complex shapes are possible, though some features (e.g. undercuts, screw threads, inserts) may result in increased tooling costs. The process may also be used with thermosets and elastomers. The most common equipment for molding thermoplastics is the reciprocating screw machine, shown schematically in the figure. Polymer granules are fed into a spiral press where they mix and soften to a dough-like consistency that can be forced through one or more channels ('sprues') into the die. The polymer solidifies under pressure and the component is then ejected. Typical uses Extremely varied. Housings, containers, covers, knobs, tool handles, plumbing fittings, lenses, etc. The economics Capital cost are medium to high, tooling costs are usually high - making injection molding economic only for large batch sizes. Production rate can be high particularly for small moldings. Multi-cavity moulds are often used. Prototype moldings can be made using single cavity moulds of cheaper materials. True True True True Granta Design, August

5 Esercizio 4. Creare PROPERTY CHARTS Making PROPERTY CHARTS Creare un BAR CHART (diagramma a barre) del MODULO DI YOUNG (E) (Selezionare Young s modulus per l asse y, lasciare in bianco il campo per l asse x. Cliccare sui materiali per far comparire il label relativo. Doppio click per visualizzare il loro record nella tabella dati) Choose what you want to explore (materials, processes..) Creare un BUBBLE CHART (diagramma a bolle) del MODULO DI YOUNG (E) in funzione della DENSITA (ρ) (Selezionare i due valori per gli assi; il piano di default é il doppio logaritmico) (I labels possono essere inseriti come in precedenza cliccare e trascinare per spostare un label; usare il tasto DEL per eliminarli) New Graph stage Limit stage Tree stage Choose x, y axes ELIMINARE LO STAGE (Cliccare con il tasto destro su STAGE e scegliere Delete ) Sará visualizzato: Young's Modulus (GPa) e-3 1e-4 Tungsten Carbides Low alloy steel Copper alloys Nickel alloys Titanium alloys Soda-Lime glass Wood,// to grain A bar chart GFRP (isotropic) ABS Polyester PTFE Cork Silicones Polyurethane Isoprene (IR) Rigid Foam Butyl Rubber EVA Flexible Foam Young's Modulus (GPa) Gr anta Design, August 2006 Density (Mg/m^3) e-4 Rigid foam Flexible foam A bubble chart Wood // to grain Polypropylene Mg alloys GFRP Cork EVA Polyurethane Butyl Rubber Boron Carbide CFRP Lead alloys Polyvinylchloride ABS PTFE Polyethylene Low alloy steel Silicones

6 SELEZIONARE USANDO UN LIMIT STAGE Esercizio 5. Selezionare usando un LIMIT stage Cercare materiali con MODULO DI YOUNG > 200 Gpa RESISTENZA (= LIMITE ELASTICO) > 1000 Mpa RESISTENZA ALLA FRATTURA > 20 Mpa.m 1/2 PREZZO < 3 $/kg (Inseire i limiti minimo o massimo e premere Apply ) (Risultati ai livelli 1 o 2: high carbon steel, low-alloy steel, stainless steel) Choose what you want to explore (materials, processes..) New Graph stage ELIMINARE LO STAGE Limit stage Tree stage Enter limits Sará visualizzato: General properties Minimum Maximum Density kg/m 3 Price 3 $/kg Results All stages 3 of 67 pass Mechanical properties Young s modulus Elastic limit Tensile strength GPa MPa MPa High carbon steel Low alloy steel Stainless steel Hardness Vickers HV Endurance limit MPa Fracture toughness 20 MPa.m 1/2 Granta Design, August

7 SELEZIONE GRAFICA Esercizio 6. Selezionare usando un GRAPH stage Creare un diagramma a barre del limite elastico (σ y ). Utilizzare BOX SELECTION per trovare materiali con un alto limite elastico (o resistenza) (Cliccare sull icona BOX SELECTION, cliccare e trascinare per definire la selezione) Aggiungere, sull asse x, la densitá (ρ) (Selezionare Stage 1 in Selection Criteria, e premere Edit; alternativamente, fare doppio click sull asse per modificarlo) Usare BOX SELECTION per trovare materiali con alta resistenza e bassa densitá Passare a LINE SELECTION per trovare materiali con alti valori di resistenza specifica, σ y /ρ (Cliccare sull icona LINE SELECTION, inserire la pendenza della retta 1 in questo caso, cliccare sul grafico per posizionare la linea, cliccare ancora per scegliere di selezionare i materiali al di sopra - o al di sotto - della linea. Cliccare sulla linea per trascinarla verso l alto, riducendo la selezione a tre soli materiali). (Risultati ai livelli 1 e 2: CFRP (isotropic), Silicon Nitride, Titanium alloys) ELIMINARE LO STAGE Choose what you want to explore (materials, processes..) New Graph stage Limit stage Tree stage Choose x, y axes Sará visualizzato: The box Elastic Limit (MPa) CFRP High-C steel Titanium alloys Nickel alloys Cast irons Aluminium alloys Magnesium alloys GFRP PEEK Acetal Epoxies PS Phenolics Soda-Lime glass PTFE Polyethylene Lead alloys Butyl Rubber Rigid foam Cork Elastic Limit (MPa) Line, slope 1 Rigid foam Polypropylene Al alloys CFRP Mg alloys Nylon Butyl Rubber Ti alloys Steels Soda-Lime glass PTFE Concrete Cu alloys Lead alloys Cork Flexible foam Density (Mg/m^3) Granta Design, August

8 SELEZIONE AD ALBERO Esercizio 7. Selezionare usando un TREE stage Cercare materiali che supportino il processo di estrusione. (Nella finestra Tree Stage, selezionare ProcessUniverse, espandere Shaping e Deformation nell albero, selezionare Extrusion e cliccare su insert, quindi su OK) (Risultati: AL alloys, Cu alloys, Pb alloys, Mg alloys, Zn alloys) Choose what you want to select (materials, processes..) ELIMINARE LO STAGE Cercare processi per il joining di materiali termoplastici (Modificare i settings per selezionare Processes: selezionare LEVEL 2, JOINING PROCESSES. Quindi, nella finestra Tree Stage, selezionare MaterialUniverse, espandere Polymer nell albero, selezionare Thermoplastics e cliccare su insert, quindi su OK) (Risultati:10 processi per il joining di materiali termoplastici.) New Graph stage Limit stage Tree stage Select from materials or process tree ELIMINARE LO STAGE Tree stage: materiali che supportino il processo di estrusione. Tree stage: processi per il joining di materiali termoplastici Sará visualizzato: ProcessUniverse Joining Shaping Surface Casting Composite Deformation Machining Molding Powder Prototype Extrude Forge Roll Sheet MaterialUniverse Ceramics Composites Foams Metals Natural Polymers Elastomers Thermoplastics Thermosets Granta Design, August

9 SELEZIONE MULTIPLA Esercizio 8. Usare i TRE SELECTION STAGES contemporaneamente Modificare i settings per selezionare Materials: selezionare LEVEL 2, MATERIALS Cercare materiali che soddisfano le seguenti specifiche OPTICAL QUALITY o TRANSPARENT STRENGTH (limite elastico) > 60 Mpa Buone proprietá di THERMAL INSULATION (3 selezioni in un LIMIT stage) Possono essere prodotti per THERMOFORMING (Utilizzare un TREE stage: ProcessUniverse Shaping - Molding) Ordinare i risultati per prezzo (PRICE) (Utilizzare un GRAPH stage: diagramma a barre di PRICE) (Nel Graph Stage finale, cliccare sull icona Intersect Stages ; i materiali che non rispettano una delle specifiche sono evidenziati in grigio; inserire i labels dei rimanenti materiali, che rispettano tutte le specifiche. La finestra RESULTS mostra i materiali che corrispondono alla selezione) (Risultati, in ordine di prezzo: PET, PMMA, PC) Choose what you want to explore (materials, processes..) New Graph stage Limit stage Tree stage Rank by price Supporting information Transparent, strength, conductivity Thermoform Esercizio 9. Cercare SUPPORTING INFORMATION (Richiede connessione a internet) Aprire il record per PET, cliccare SEARCH WEB (CES crea per ogni materiale una stringa che viene processata da attendibili fonti di informazione su materiali e processi, e restituisce dei risultati. Alcune delle fonti sono liberamente accessibili, altre richiedono la registrazione e un processo di log-in. La fonte ASM é particolarmente raccomandata) ELIMINARE LO STAGE Granta Design, August

10 SELEZIONARE PROCESSI Esercizio 10. Selezionare PROCESSI Modificare i settings per selezionare Processes: Selezionare LEVEL 2, SHAPING PROCESSESS Cercare processi per la fabbricazione di un componente con MASS = Kg SECTION THICKNESS minimo = 5 mm SHAPE = Dished Sheet (3 selezioni in un LIMIT stage) Choose what you want to explore (materials, shaping processes.) New Graph stage Limit stage Mass, Section, Shape Supporting information Materiale termoplastico (THERMOPLASTIC) (Utilizzare un TREE stage: MaterialUniverse Polymer Thermoplastic) Tree stage Thermoplastic (Risultato: thermoforming, manual machining, rotation molding.) Granta Design, August

11 SALVARE, COPIARE e PRODURRE REPORT Esercizio 11. Salvare selezioni come un progetto (PROJECT) File Edit View.. Salvare il progetto esattamente come salvare un file in Word (assegnare un nome per il file e una cartella; i progetti CES hanno estensione.ces ) Open project Save project Print. Esercizio 12. COPIARE OUTPUT CES in un report Change database Diagrammi, Records e Risultati possono essere copiati (CTRL-C) e incollati (CTRL-V) in Word. Visualizzare un diagramma, cliccare, scegliere COPY e poi PASTE in un documento Word Fare doppio-click su un materiale selezionato nella finestra Results per mostrare il suo record, cliccare sul record, poi COPY e PASTE all interno di Word. Cliccare sulla finestra Results, poy COPY e PASTE. Provare a modificare il documento (I records a pagina 3 e i diagrammi alle pagine 5 e 6 sono stati ottenuti in questo modo) (Avvertenza: É stato riscontrato un problema con Word 2000: le immagini nel record non sono trasferite insieme al testo. Il problema puó essere aggirato copiando l immagine separatamente e incollandola nel documento Word come DEVICE INDEPENDENT BITMAP.) File Edit View.. Cut Clipboard Copy Paste Delete WORD document (Nella finestra Tree Stage, selezionare ProcessUniverse, espandere Shaping e Deformation nell albero, selezionare Extrusion e cliccare su insert, quindi su OK) Granta Design, August

12 METODI AVANZATI Esercizio 13. Rappresentare funzioni delle proprietá Creare un diagramma del modulo specifico E/ρ e resistenza specifica σ y /ρ, dove E é il modulo di Young, σ y é il limite elastico e ρ é la densitá. (Per ciascun asse, cliccare su Advanced per visualizzare il Function Builder. Per plottare, per esempio, E/ρ : nel campo Attributes, scegliere Mechanical Properties dalla lista, quindi Young s modulus, quindi Insert; ora cliccare / nella riga dei simboli di funzione; infine, nel campo Attributes, scegliere General Properties Desntiy Insert. Cliccare OK) Aggiungere un LIMIT stage per eliminare materiali con FRACTURE TOUGHNESS < 20 MPa.m 1/2 Cercare fra i materiali rimanenti quello con i valori piú alti di E/ρ e σ y /ρ (Tornare al Graph Stage, e cliccare sull icona Intersect Stages ) (Risultato: CFRP (isotropic)) Choose what you want to explore (materials, processes.) New Graph stage Limit stage Tree stage Advanced Function builder + - / * ^ ( ) Granta Design, August

13 Selezionare LEVEL 2, SHAPING PROCESSESS DATI FUNZIONALI: COST MODELLING Esercizio 14. Esplorare COST Il costo di un componente (COST) é stimato in CES utilizzando un functional attribute. Per esempio, per ciascun processo, un range di costo é calcolato in base a parametri specificati dall utente, come la numerositá del lotto (BATCH SIZE). Aprire il record del processo INJECTION MOLDING, e individuare RELATIVE COST INDEX Cliccare sull icona i, per aprire la relativa finestra, ed inserire: - COMPONENT MASS = 0.1 kg. - MATERIAL COST = 1/kg - OVERHEAD RATE = 40 per ora - CAPITAL WRITE-OFF TIME = 5 anni - LOAD FACTOR = 0.5 Cliccare sull icona Graph, per visualizzare RELATIVE COST INDEX in funzione di BATCH SIZE. Ripetere per COMPRESSION MOLDING, e confrontare i costi di produzione di questi due processi per lotti ridotti o numerosi (basso o alto BATCH SIZE). (Risultato: Compression Molding é piú economico per bassi Batch Size, Injection Molding é conveniente per alti Batche Size) Cost Index (per unit) (GBP) Relative cost Cost modelling Relative cost index (per unit) 5-6 Capital cost GBP Material utilisation factor Production rate (units) per hr. Tooling cost GBP Tooling life units e e B a tc h S i z e M aterial C o st=2 GB P /kg, C om pon en t Batch size Graph fx Dialog box Capital write-off time t wo =. Component mass m =. Load factor L =. Material cost Cm = Overhead rate C & oh =. In alternativa, plottare RELATIVE COST INDEX per tutti i processi (per un determinato Batch Size), e identificare questi due processi per confrontarne i costi. (Utilizzare un GRAPH stage: ProcessUniverse Shaping Molding, selezionare e inserire Compression Molding e Injection Molding alternativamente. Cliccare su Intersect Stages sul diagramma a barre, e posizionare labels per i due processi) Modificare il Batch Size, per esplorare il costo relativo dei due processi. (Il label dell asse di riferimento fornisce il parametro di studio fare doppio click sull asse per visualizzare la finestra Stage Properties, e cliccare su Parameters Edit inserire i valori richiesti) Granta Design, August

14 Costanti fisiche e fattori di conversione Absolute zero temperature Acceleration due to gravity, g Avogadro s number, N A Base of natural logarithms, e Boltsmann s constant, k Faraday s constant k Gas constant, R Planck s constant, h Velocity of light in vacuum, c Volume of perfect gas at STP o C 9.807m/s x x J/K x 10 4 C/mol J/mol/K x J/s x 10 8 m/s x 10-3 m 3 /mol Angle, θ 1 rad o Density, ρ 1 lb/ft kg/m 3 Diffusion Coefficient, D 1cm 3 /s 1.0 x 10-4 m 2 /s Energy, U See opposite Force, F Length, l 1 kgf 1 lbf 1 dyne 1 ft 1 inch 1 Å Mass, M 1 tonne 1 short ton 1 long ton 1 lb mass Power, P See opposite Stress, σ See opposite Specific Heat, Cp 1 cal/gal. o C N N 1.0 x 10-5 N mm mm 0.1 nm 1000 kg 908 kg 1107 kg kg kj/kg. o C kg/kg. o C Btu/lb. o F Stress Intensity, K 1c 1 ksi in 1.10 MN/m 3/2 Surface Energy γ 1 erg/cm 2 1 mj/m 2 Temperature, T 1 o F o K Thermal Conductivity λ Volume, V Viscosity, η 1 cal/s.cm. o C 1 Btu/h.ft. o F 1 Imperial gall 1 US gall 1 poise 1 lb ft.s W/m. o C W/m. o C x 10-3 m x 10-3 m N.s/m N.s/m 2 Fattori di conversione stress e pressione * MPa dyn/cm 2 lb.in 2 kgf/mm 2 bar long ton/in 2 MPa x x 10-2 dyn/cm x x x 10-9 lb/in x x x x x 10-4 kgf/mm x x x 10-2 bar x x 10-3 long ton/ in x x x F Fattori di conversione energia * J erg cal ev Btu ft lbf J x x erg x x x x 10-8 cal x x x ev 1.60 x x x x x Btu 1.06 x x x x x 10 2 ft lbf x x x Fattori di conversione potenza * kw (kj/s) erg/s hp ft lbf/s kw (kj/s) x 10 2 erg/s x x 10-8 hp 7.46 x x X 10 2 Ft lbf/s 1.36 X X X Granta Design, August

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