Progettare con i materiali

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1 progettare con i materiali Saperi in uscita Conoscenze La metodologia di progettazione. I criteri di scelta dei materiali. La procedura di scelta dei materiali Capacità Utilizzare coerentemente tabelle dati e grafici. Scegliere i materiali in grado di assicurare al meglio le prestazioni richieste dal progetto Per orientarsi In questa unità verrà effettuato un esame della metodologia di progettazione di un generico prodotto industriale, al fine di chiarirne la procedura operativa. I fattori tecnologici fondamentali nella progettazione sono rappresentati dal materiale impiegato e dal processo produttivo. In precedenza sono stati esaminati i principali materiali metallici, descrivendone le proprietà più significative. Sulla base di tali proprietà si esamineranno i criteri di scelta del materiale nell ambito della progettazione di un prodotto. Non vengono trattati gli aspetti legati ai processi produttivi, che saranno oggetto dei moduli successivi..1 METODOLOGIA DI PROGETTO Figura.1 I quattro fattori della produzione. Progetto e industrializzazione Lo sviluppo di un prodotto è un processo creativo, sia nel caso di un semplice elemento meccanico sia di un impianto complesso in cui intervengono (4Fig..1): l idea, cioè il progetto del prodotto definito su dati e requisiti di base; il materiale o i materiali con cui si realizza l idea; il processo produttivo, che trasforma il materiale per adeguarlo al progetto; il processo di controllo e collaudo, che verifica la qualità del materiale in ingresso, del prodotto nelle varie fasi della lavorazione e, al termine di queste, del processo produttivo. 1

2 Per comprendere le parole Prototipo: primo esemplare originario di un prodotto da cui derivano gli altri. Processo iterativo: metodo operativo che si basa sulla ripetizione di una stessa procedura (iter) condotta fino all ottenimento di un risultato soddisfacente impiegando per ogni ripetizione i risultati ottenuti nella fase immediatamente precedente. Come si traduce... italiano Progettare Prototipo Figura.2 La metodologia di progettazione. inglese Design Prototype Tra questi quattro fattori c è una stretta connessione poiché, mentre si progetta, occorre avere presente il materiale che verrà usato e quale sarà il processo di lavorazione e di controllo; essi devono potersi adeguare al materiale e viceversa. Il risultato della prima fase della progettazione è il prototipo; le attività di predisposizione della produzione del prodotto definiscono la fase di industrializzazione. Per passare dal prototipo all industrializzazione occorre stabilire un piano economico, realizzare i necessari investimenti in attrezzature e personale, stabilire il volume della produzione in relazione alle previsioni di mercato. Prima di avviare la produzione, occorrerà dare il benestare al prototipo, ovvero sottoporlo alle prove necessarie perché possa essere approvato come rispondente alle specifiche descritte dai dati e requisiti di base. Progettazione Progettare è un processo iterativo; il processo si avvia con la definizione della funzione del prodotto (un paraurti, un cerchione di motocicletta, un albero per barca a vela) e sulla base delle conoscenze e dell esperienza possedute si definisce un primo progetto di base sperimentale (avanprogetto). Successivamente si rifinisce, migliorandolo, il primo progetto attraverso un processo sistematico che segue una precisa metodologia. La figura.2 riassume la metodologia per progettare un componente. 2

3 Come si traduce... italiano inglese Manuali Data books Iterazione Iteration L inizio della progettazione comporta due percorsi paralleli: il progetto del componente e la scelta del materiale. Si esegue un primo progetto sperimentale del prodotto in grado di soddisfare i requisiti che sono stati definiti inizialmente; si sceglie un primo materiale e se ne deducono le caratteristiche principali utilizzando tabelle e manuali. Si conduce, quindi, una prima analisi del comportamento meccanico per valutare lo stato delle tensioni e delle concentrazioni di sforzo ai quali il prodotto può essere soggetto. A questo punto, i due percorsi convergono in una fase di stima delle prestazioni del materiale impiegato nel progetto sperimentale: se il materiale può sopportare sollecitazioni e concentrazioni di sforzo, senza deformarsi eccessivamente in campo elastico e senza presentare rotture o difetti, il progetto può procedere; se il materiale non fornisce prestazioni adeguate, si esegue una prima iterazione (ovvero si ripetono le prime fasi) effettuando la scelta di un nuovo materiale o modificando il disegno del componente (o entrambe le cose) per eliminare i difetti riscontrati. Successivamente vengono definite accuratamente le specifiche tecniche del materiale e del progetto. Tale procedura può richiedere l analisi dettagliata di: tensioni meccaniche in risposta a sollecitazioni statiche, dinamiche e cicliche; comportamento alle condizioni ambientali e in particolare termiche; aspetti estetici del prodotto. A questo punto, può essere necessario acquisire dati più precisi sul materiale rivolgendosi ai possibili fornitori e/o conducendo prove di caratterizzazione dei materiali stessi. È ora possibile effettuare la prima scelta del processo produttivo, determinata dai seguenti fattori: il materiale utilizzato; la geometria del pezzo (forma e dimensioni); il numero dei pezzi da produrre; la finitura superficiale voluta; la modalità di assemblaggio con altri componenti. Il progetto è valido soltanto se il componente può essere prodotto in modo economicamente soddisfacente. Infatti, la scelta del materiale e del processo produttivo è determinata, in ultima analisi, dal prezzo del prodotto; se i costi di produzione sono troppo alti, si procede a un ulteriore fase iterativa per migliorare sia la scelta del materiale sia il progetto del componente, seguendo strade alternative. Effettuate le scelte ottimali, si costruisce un prototipo del prodotto per valutarne le prestazioni; se il risultato è soddisfacente il progetto viene validato e si passa alla produzione di serie. Tuttavia, il ruolo del progettista non è terminato; continue analisi delle prestazioni del componente normalmente rivelano difetti o modi in cui esso potrebbe essere migliorato oppure prodotto a costi inferiori. Ciò dimostra che vi è sempre l opportunità di innovare il prodotto attraverso un cambiamento del progetto o del materiale. Un progetto che ha successo evolve continuamente poiché solo in questo modo il prodotto mantiene una posizione competitiva sul mercato. 3

4 .2 CRITERI DI SCELTA DEI MATERIALI Materiali utilizzabili e prodotti industriali I prodotti industriali sono formati da uno o più tipi di materiale, basti pensare all automobile, al computer, alle lampadine, agli aeroplani e agli elettrodomestici (4Fig..3). Figura.3 Diversi prodotti industriali costituiti da uno o più tipi di materiale: a) velivolo; b) bicicletta; c) motoscafo; d) macchina da corsa. Un automobile è costruita impiegando un ampia gamma di materiali, che vanno dai metalli (acciaio, ghisa, leghe di alluminio, magnesio, rame), ai polimeri (elastomeri, resine termoindurenti e termoplastiche), ai ceramici (vetro, allumina) e ai compositi; in essa si possono riconoscere diversi tipi di acciaio differenziati secondo l uso. L acciaio utilizzato per le parti di carrozzeria ha caratteristiche diverse dall acciaio con cui sono fabbricate le ruote dentate del cambio: il primo è poco duro e duttile, per essere facilmente ridotto in lamiere sottili e stampato nelle forme più varie e complesse; il secondo è molto tenace al cuore e indurito superficialmente, in modo che i denti non si spezzino o si usurino facilmente. Durante la lavorazione è indispensabile che l acciaio non abbia le caratteristiche finali, ma sia facilmente lavorabile con gli utensili; solo nell ultima fase verrà trasformato nel materiale duro e resistente richiesto dal suo impiego. Per produrre un pezzo, spesso si può scegliere tra differenti tipi di materiale. La carrozzeria può essere prodotta con una lamiera in lega leggera o utilizzando una resina termoindurente caricata con fibre di vetro. Quindi già nella fase della progettazione di un pezzo occorre operare la scelta del materiale più idoneo per la sua produzione. I criteri di scelta si basano sulla definizione del tipo e delle 4

5 Come si traduce... italiano Scelta dei materiali Materiale inglese Materials selection Tabella.1 Proprietà dei principali materiali che interessano la progettazione Metalli Alti E, K IC ; basso R S ; variabile massa volumica ρ Ceramici Alti E, R S ; basso K IC ; moderata massa volumica ρ Polimeri Accettabili K IC, R S ; basso E; bassa massa volumica ρ Compositi Alti E, R S e K IC Bassa massa volumica ρ Costo elevato (*) I valori indicati sono medi condizioni di impiego del pezzo e delle relative caratteristiche che questo deve avere per soddisfare le richieste di prestazioni chimiche, fisiche, meccaniche, elettriche, termiche e tecnologiche, nonché quelle di costo e di riciclo. Da tale scelta dipende anche il processo produttivo, al termine del quale si avrà il pezzo finito. La dipendenza fra il materiale e il processo produttivo è così forte da creare un condizionamento reciproco che complica la scelta stessa del materiale. Il numero di materiali a disposizione dell industria è infinito; si pensi che solo i vari tipi di leghe metalliche sono migliaia e che ancora più numerosi sono i materiali polimerici. Se si aggiunge la possibilità di modificare le loro caratteristiche in base ad adeguati trattamenti termici, risulta pressoché impossibile conoscere le proprietà e il comportamento di tutti i tipi di materiali. È necessario, quindi, individuare i principi generali che possano guidare nella scelta e nel trattamento dei materiali. Quando il tecnologo dispone di queste nozioni può, da un lato, selezionare i materiali migliori per uno scopo particolare e, dall altro, predisporre tutti gli accorgimenti affinché non si raggiungano mai le condizioni di danneggiamento irreversibile delle strutture. Confronto tra le categorie di materiali La scelta del materiale è parte integrante della progettazione. I principi della progettazione meccanica sono consolidati e poco suscettibili di cambiamenti, per cui l innovazione del progetto è resa possibile dall uso di un nuovo materiale. Le categorie dei materiali sono metalli, polimeri, ceramici e compositi; ogni categoria ha propri punti di forza e limiti di impiego specifici (4Tab..1). Buone* Rigidezza (E 100 GPa); duttilità (A 20%) e deformabilità; tenacità (K IC > 50 MPa m 1/2 ); temperatura di fusione elevata (T f 1000 C); resistenza allo shock termico ( T f > 500 C) Rigidezza (E 200 GPa); resistenza allo snervamento elevatissima (R S > 3 GPa); durezza; temperatura di fusione elevata (T f 2000 C); resistenza alla corrosione Duttilità e deformabilità; resistenza alla corrosione Rigidezza (E > 50 GPa); resistenza alla rottura (R m 200 MPa); tenacità (K IC > 20 MPa m 1/2 ); resistenza alla fatica: resistenza alla corrosione Proprietà Scadenti* Resistenza allo snervamento: basso per elementi puri (R S 1 MPa), cresce per le leghe; durezza: bassa per elementi puri (HV 3R S ), cresce per le leghe; resistenza alla fatica; resistenza alla corrosione, migliora con rivestimenti superficiale Tenacità bassissima (K IC 2 MPa m 1/2 ); deformabilità, migliorabile con la metallurgia delle polveri; resistenza allo shock termico ( T f 200 C) Rigidezza bassa (E 2 GPa); resistenza allo snervamento (R S MPa); tenacità spesso bassa (K IC 1 MPa m 1/2 ); temperatura di transizione vetrosa bassa (T g 100 C); resistenza allo scorrimento viscoso Deformabilità; resistenza allo scorrimento viscoso (nel caso di matrici polimeriche) 5

6 .3 PROCEDURA DI SCELTA DEI MATERIALI Per comprendere le parole Ottimizzare: ricercare la soluzione di un problema in cui siano ridotti al minimo i rischi e i fattori negativi, ed esaltati al massimo i vantaggi e i fattori positivi. Indici di prestazione Le prestazioni di un componente meccanico sono definite dalle proprietà del materiale con cui esso è fatto e dalla forma; quest ultimo può essere scelto individuando, mediante tabelle dati, la proprietà e il suo intervallo di variazione adeguati alle prestazioni richieste. Per esempio, se occorre assicurare una specifica resistenza a trazione si cercherà il materiale con il giusto valore di R s, uguale o maggiore a quello richiesto. Poiché spesso le prestazioni dipendono da una combinazione di proprietà, chiamata indice di prestazione, la scelta si esegue ottimizzando uno o più indici, stabiliti sulla base degli obiettivi del progetto del componente. Anche la forma di un componente è importante; a parità di rigidezza alla flessione, le travi tubolari sono più leggere di quelle piene, inoltre, la trave a I o la trave con nido d ape può essere ancora più rigida (4Fig..4). Figura.4 Comportamento a flessione di diverse travi: a) a sezione trasversale piena; b) a sezione trasversale tubolare; c) a sezione trasversale a I ; d) a sezione trasversale con nido d ape. Figura.5 Trave sollecitata a trazione con sezione trasversale quadrata piena. Anche l informazione relativa alla sezione trasversale di un componente deve essere inserita negli indici di prestazione per consentire la scelta simultanea del materiale e delle relative forme e dimensioni. L indice di prestazione riassume un gruppo di proprietà dei materiali che governa alcuni aspetti delle prestazioni di un componente. Si consideri di individuare (scelta) il materiale più adeguato per ottenere una trave (componente) resistente, rigida, a trazione e leggera (funzione). Si vuole abbinare una specifica resistenza e rigidezza a trazione al minimo peso (prestazione); la trave ha lunghezza L e una sezione trasversale piena, quadrata con lato a (4Fig..5). La massa della trave vale: m = S L ρ in cui S è l area della sezione e ρ indica la massa volumica del materiale con cui è fatta la trave. La resistenza allo snervamento vale: Dalla quale si ottiene: R s = F S F S = R s (a) (b) (c) (d) 6

7 Figura.6 Significato fisico dell indice di prestazione M 1 : M = R s 1 ρ g e dell indice di prestazione M 3 E M = 3 ρ g Sostituendo S nella formula della massa si ottiene: ρ m = F L Rs Poiché F e L sono assegnati dal progetto, si rende minima la massa (e massima la prestazione) cercando il materiale con il miglior valore del seguente indice di prestazione M 1 : M = R s 1 ρ g Tabella.2 Proprietà meccaniche di leghe di impiego strutturale basate su alluminio, magnesio e titanio Lega Massa volumica ρ [kg/dm 3 ] Modulo di elasticità longitudinale E [GPa] Carico unitario di snervamento R s [MPa] E/g ρ [Mm] R s /g ρ [km] Temperatura di scorrimento (creep) [ C] Leghe di Al 2, ,6 0, Leghe di Mg 1, ,5 4, Leghe di Ti 4, ,7 3, Acciai 7, ,7 2, Legenda: accelerazione di gravità g [m/s 2 ]. L accelerazione di gravità g consente di esprimere il peso e di ottenere l indice di prestazione M 1 [km], ovvero l unità di misura della lunghezza di snervamento: ciò rappresenta la lunghezza sotto cui un filo cilindrico ideale si snerverebbe per peso proprio nella sezione di incastro (4Fig..6) se penzolasse verticalmente appeso a un estremo. In modo analogo, si definisce l indice di prestazione M 2 relativo alla lunghezza di rottura che tiene conto del valore R m del materiale: M = R m 2 ρ g Per quanto riguarda la rigidezza a trazione, abbinata al minimo peso del componente, si utilizza il seguente indice di prestazione M 3 : E M3 = ρ g che rappresenta la lunghezza sotto cui un filo cilindrico ideale raddoppierebbe la lunghezza iniziale sotto l azione del peso proprio (4Fig..6) se penzolasse verticalmente appeso a un estremo. Per esempio, le leghe dell alluminio, del magnesio e del titanio possono presentare (4Tab..2) migliori rapporti rigidezza/peso (E/g ρ) e resistenza/peso (R s /g ρ). Ricerca dei dati La scelta dei materiali basata sull uso di indici di prestazione si effettua utilizzando tabelle dati e diagrammi cartesiani. Utilizzando questi due elementi relativi alle proprietà che interessano la progettazione, si individuano i valori che queste assumono; gli indici di prestazione si determinano mediante semplici operazioni matematiche effettuate con i valori delle proprietà trovati. 7

8 Verifica di unità 1. Descrivere il processo di industrializzazione di un prodotto. 6. Determinare l indice di prestaz ione M 3 di un acciaio avente E = 203 GPa e massa volumica pari a 7,8 kg/dm 3, e quello di una lega di alluminio (serie 2000) avente E = 71 GPa e massa volumica pari a 2,8 kg/dm I materiali metallici puri possiedono un elevata resistenza a fatica. Vero c Falso c 3. I materiali ceramici possiedono un elevata tenacità. Vero c Falso c 4. Esporre il significato fisico e l impiego dell indice di prestazione M 1 dei materiali. 5. Determinare l indice di prestazione M 1 di un acciaio avente R s = 290 N/mm 2 e massa volumica pari a 7,8 kg/dm 3, e quello di una lega di alluminio (serie 2000) avente R s = 210 N/mm 2 e massa volumica pari a 2,8 kg/dm L espressione dell indice di prestazione M 2 è: a) M2 = ρ R m g b) M 2 = ρ g R m c) M R m 2 = ρ g g d) M = 2 ρ R m 8. Elencare le funzioni di un paraurti. 8