Fondamenti di Materiali Ecosostenibili

Il corso si propone di fornire allo studente le conoscenze fondamentali sulle principali classi di materiali di interesse ingegneristico, sulle loro proprietà e sui criteri per valutarne l’impiego, con particolare attenzione alla sostenibilità. Saranno affrontati i principali aspetti relativi ai materiali ecosostenibili, alla durabilità, al recupero, al riciclo e al fine vita.

Il corso introdurrà inoltre i criteri per la scelta dei materiali sulla base di requisiti tecnici e ambientali, anche mediante l’utilizzo di banche dati e strumenti informatici di supporto. Le esercitazioni saranno finalizzate al confronto tra alternative di materiale, alla lettura di diagrammi di selezione e a una valutazione ambientale semplificata. Quest’ultima sarà trattata con carattere introduttivo e non specialistico, con lo scopo di integrare gli aspetti ambientali nel processo di scelta del materiale.

Le competenze acquisite sono spendibili nell’ambito della selezione, dell’impiego e della gestione dei materiali per applicazioni ingegneristiche, con attenzione all’uso responsabile delle risorse, alla riduzione degli impatti ambientali e all’innovazione tecnologica, in accordo con gli Obiettivi 9 “Imprese, innovazione e infrastrutture” e 12 “Consumo e produzione responsabili” dell’Agenda 2030 delle Nazioni Unite per lo sviluppo sostenibile.

Conoscenza e comprensione

Al termine dell’insegnamento lo studente conoscerà:

·       le principali classi di materiali e i relativi criteri di classificazione;

·       le principali proprietà meccaniche, fisiche e termiche dei materiali e le relazioni essenziali tra struttura, proprietà e comportamento in esercizio;

·       le principali categorie di materiali ecosostenibili, inclusi materiali da fonti rinnovabili, a base biologica, riciclati e riciclabili;

·       i concetti fondamentali di durabilità, riutilizzo, recupero, riciclo e fine vita;

·       i criteri di base per la scelta dei materiali in funzione dei requisiti di progetto;

·       il significato e l’utilizzo dei diagrammi di selezione e di semplici indici di prestazione;

·       i principali attributi ambientali utilizzabili nel confronto tra materiali;

·       i principi di base della selezione assistita mediante banche dati dei materiali e della valutazione ambientale semplificata.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Lo studente sarà in grado di:

·       riconoscere e classificare le principali famiglie di materiali;

·       confrontare materiali sulla base delle proprietà richieste dall’applicazione;

·       individuare funzione, requisiti, vincoli e obiettivi in un semplice problema di scelta del materiale;

·       utilizzare diagrammi proprietà-proprietà e semplici indici di prestazione per confrontare differenti classi di materiali;

·       utilizzare banche dati e strumenti informatici per semplici procedure di selezione dei materiali;

·       confrontare alternative di materiale considerando congiuntamente prestazioni tecniche e principali aspetti ambientali;

·       sviluppare e discutere un semplice caso studio di selezione del materiale.

Autonomia di giudizio

Attraverso esercitazioni, confronto tra materiali e discussione di casi studio, lo studente svilupperà la capacità di valutare criticamente differenti alternative e di motivare la scelta di un materiale considerando prestazioni, durabilità, costo, recuperabilità e principali aspetti ambientali, riconoscendo i compromessi tra requisiti tecnici e sostenibilità.

Abilità comunicative

Lo studente sarà in grado di descrivere con linguaggio tecnico appropriato le proprietà e le caratteristiche delle principali classi di materiali, illustrare i criteri utilizzati nella loro selezione e presentare in maniera sintetica e motivata i risultati di un caso studio, anche mediante grafici e dati di confronto.

Capacità di apprendimento

Lo studente acquisirà gli strumenti necessari per approfondire autonomamente le proprie conoscenze attraverso testi specialistici, banche dati, documentazione tecnica e letteratura scientifica, nonché per aggiornarsi sull’evoluzione dei materiali e dei criteri utilizzati per la loro selezione in un’ottica di sostenibilità.

L’insegnamento prevede 28 ore di Didattica Erogativa, svolte mediante lezioni frontali, e 65 ore di esercitazioni guidate. Le lezioni frontali sono finalizzate all’acquisizione delle conoscenze di base sulle classi di materiali, sulle proprietà, sui materiali ecosostenibili e sui criteri di selezione.

Le esercitazioni sono dedicate al confronto tra materiali, alla lettura e interpretazione dei diagrammi di selezione, all’utilizzo di banche dati e strumenti informatici di supporto e allo sviluppo progressivo di semplici casi studio. Le attività applicative consentiranno allo studente di passare dalla conoscenza delle proprietà alla formulazione di una scelta motivata del materiale.

L’insegnamento è articolato in due parti integrate: 6 CFU dedicati principalmente alla conoscenza delle classi di materiali, delle loro proprietà, dei materiali ecosostenibili, della durabilità, del recupero, del riciclo e del fine vita; 3 CFU dedicati principalmente ai criteri di scelta dei materiali, ai diagrammi di selezione, alla selezione assistita e alla valutazione ambientale introduttiva.

Qualora l’insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto sopra dichiarato, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel presente syllabus.

·       Conoscenze di base di chimica e fisica (importanti).

·       Conoscenze relative al comportamento meccanico dei solidi e alle principali grandezze fisiche dei materiali (utili).

La frequenza è obbligatoria. 

Fondamenti e materiali

1. Introduzione ai materiali: ruolo dei materiali nell’ingegneria; principali famiglie di materiali; classificazione e criteri generali di confronto.

2. Proprietà e comportamento dei materiali: principali proprietà meccaniche, fisiche e termiche; relazioni essenziali tra struttura, proprietà, processo e comportamento in esercizio.

3. Classi di materiali e applicazioni: materiali metallici, polimerici, ceramici, compositi e materiali di origine naturale; principali caratteristiche, limiti e campi di applicazione.

4. Materiali ecosostenibili: criteri generali di ecosostenibilità; materiali da fonti rinnovabili, a base biologica, riciclati, riciclabili e a ridotto impatto ambientale.

5. Durabilità e vita utile: durata in esercizio, manutenzione, degrado e possibilità di estensione della vita utile dei materiali e dei componenti.

6. Recupero, riutilizzo, riciclo e fine vita: principi di recupero e riutilizzo; riciclo delle principali classi di materiali; scenari di fine vita ed esempi applicativi.

Selezione dei materiali e criteri ambientali

7. Criteri per la scelta dei materiali: definizione del problema di selezione; funzione, requisiti, vincoli, obiettivi e variabili libere; selezione preliminare e ordinamento delle alternative.

8. Diagrammi di selezione dei materiali: confronto tra proprietà; diagrammi proprietà-proprietà; lettura e interpretazione dei diagrammi; introduzione a semplici indici di prestazione.

9. Selezione assistita dei materiali: banche dati dei materiali; ricerca e confronto delle proprietà; applicazione progressiva di vincoli; rappresentazione grafica e confronto delle alternative.

10. Sostenibilità nella scelta del materiale: introduzione ai principali attributi ambientali dei materiali; energia incorporata, emissioni associate, contenuto riciclato, riciclabilità, durabilità e fine vita.

11. Valutazione ambientale introduttiva: concetto di ciclo di vita; materia prima, produzione, trasporto, utilizzo e fine vita; utilizzo di strumenti semplificati di valutazione ecologica per il confronto tra alternative di materiale.

12. Caso studio di selezione: applicazione dei criteri di selezione a un semplice componente; confronto delle alternative e motivazione della scelta sulla base di requisiti tecnici e ambientali.

Testo adottato

1.       B. Del Curto, C. Marano, M.P. Pedeferri (a cura di), Materiali per il Design. Introduzione ai materiali e alle loro proprietà, 2ª edizione, Casa Editrice Ambrosiana, 2015.

Testo consigliato per approfondimenti

2.       M.F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design, Elsevier.

Il testo consigliato sarà utilizzato principalmente come riferimento per gli argomenti relativi ai criteri di selezione dei materiali, ai diagrammi di selezione e alla valutazione ambientale semplificata. Slide, esercitazioni e ulteriore materiale didattico saranno forniti dai docenti durante il corso.

La verifica dell’apprendimento si articola in una prova scritta, nella predisposizione di un breve elaborato applicativo e in un colloquio orale.

La prova scritta è finalizzata a verificare la conoscenza delle principali classi di materiali, delle loro proprietà, dei materiali ecosostenibili e dei criteri fondamentali di selezione. La prova comprende quesiti a risposta aperta ed eventuali semplici esercizi applicativi.

L’elaborato applicativo consiste nello sviluppo di un caso studio di selezione dei materiali, nel quale lo studente dovrà confrontare differenti alternative e motivare la scelta sulla base di requisiti tecnici e ambientali, utilizzando ove opportuno banche dati e strumenti informatici di supporto.

Il colloquio orale riguarda l’intero programma e comprende la discussione dell’elaborato. È finalizzato a verificare la capacità dello studente di collegare i diversi argomenti del corso, applicare le conoscenze acquisite a semplici problemi ingegneristici e motivare criticamente le proprie scelte.

La valutazione terrà conto della conoscenza dei contenuti, della pertinenza delle risposte rispetto alle domande formulate, della capacità di collegare i diversi argomenti del programma, della capacità di applicare le conoscenze al caso studio, della proprietà del linguaggio tecnico e della chiarezza espositiva.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’Integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del proprio Dipartimento.

·       Il candidato descriva le principali famiglie di materiali e ne confronti le proprietà fondamentali.

·       Il candidato descriva le principali possibilità di recupero, riutilizzo e riciclo di una classe di materiali a scelta.

·       Dato un semplice componente, il candidato individui funzione, requisiti, vincoli e obiettivi del problema di selezione del materiale.

·       Il candidato illustri il concetto di indice di prestazione e ne descriva il ruolo nel confronto tra materiali.

·       Dato un semplice caso applicativo, il candidato motivi la scelta del materiale più idoneo tra alcune alternative proposte.