Appunti di Progettazione meccanica 2

Autore: Gaudio Giovanni

Appunti di

Progettazione Meccanica 2

REVISIONE

17 maggio 2020

2

Premessa

”Sunt bona,

sunt quaedam mediocra,

sunt mala plura,

quae legis hic,

aliter non fit liber.”

”Fra le cose che leggi, ce ne sono di buone, insieme con alcune mediocri e parecchie

brutte, ma in altra maniera non si può fare un libro.”

Marco Valerio Marziale (40 104 D.C.)

−

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PRIMA STESURA

10 Aprile 2020

3

4

Indice

1 Introduzione 7

1.1 Il processo di sviluppo di un prodotto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 La specifica di progetto 11

3 La progettazione concettuale 13

4 Scelta dei materiali 15

4.1 I diagrammi delle proprietà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.2 Selezione materiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.3 Gli indici di prestazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.3.1 Indipendenza tra obiettivo e vincoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.3.2 Dipendenza tra obiettivo e vincoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.4 Ottimizzazione multifunzionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.4.1 Un obiettivo e vincoli multipli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.4.2 Multiobiettivo e vincoli multipli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5 I materiali compositi 39

5.1 Matrice e rinforzo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.1.1 Compositi fibro rinforzati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.1.2 Compositi a struttura Sandwich. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5.2 Compositi a matrice metallica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.3 Compositi a matrice ceramica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.4 Compositi a matrice polimerica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.4.1 Le proprietà dei polimeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.4.2 Le plastiche rinforzate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.5 La meccanica dei compositi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.5.1 Isotropia, ortotropia e anisotropia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.5.2 Micromeccanica della lamina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.5.3 Macromeccanica del laminato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.5.4 Criteri di resistenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

5.6 Difetti e danneggiamenti nei materiali compositi . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.6.1 Difetti indotti in fase di fabbricazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

5.6.2 Danneggiamenti indotti dall’uso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

5.6.3 Effetti ambientali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

5.6.4 La fatica nei compositi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

5.7 Processi tecnologici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Bibliografia 97

5

Elenco delle figure 98

Elenco delle tabelle 102

6

Capitolo 1

Introduzione

La progettazione, nelle scienze applicate, indica l’attività promossa dal progettista, che è

alla base della costruzione/realizzazione di qualsiasi oggetto complesso, sia esso materiale o

soltanto concettuale attraverso la stesura di un progetto. In generale essa è possibile grazie a

un concentrato di conoscenze, azioni, metodologie e strumenti che tendono razionalmente

a organizzare e produrre specifiche per l’esecuzione materiale di manufatti di svariati tipi,

dalle grandi strutture (ponti, dighe ecc.) a quelle di medie dimensioni (edifici, piazze ecc.), ai

manufatti d’uso comune quali mezzi di trasporto, arredi, utensili, sino alla progettazione di

attività economiche e ludiche e quella legata all’informatica. La progettazione cambia quindi

denominazione e diventa architettonica, urbanistica, disegno industriale, architettura degli in-

terni (interior design), progettazione ergonomica. In questo testo si procederà sostanzialmente

allo studio della sola branca di progettazione meccanica, ma molto spesso il lettore potrà

constatare che i metodi ed i modelli qui presentati possono essere tranquillamente trasferiti i

altri campi di progettazione. Nella progettazione si osserva sempre ad un passaggio da realtà

Figura 1.1: Innovazione, progettazione e business

conosciute verso realtà sconosciute, da soluzioni note verso soluzioni ignote, facendo uso del-

l’esperienza, della cultura, della fantasia e delle proprie capacità razionali: in altre parole ogni

progetto nasce dalla memoria, assistita dalla razionalità e dall’esperienza. Progettare è quindi

un attività ben più difficile di quella di che comunque risulta importantissima, ma

verifica

che per sua natura segue esattamente una prassi algoritmica ben definita e vincolante. Per la

7

complessità crescente dei sistemi, progettare è inoltre una grande esperienza di collaborazione

da parte di tutti coloro che partecipano con diverse competenze all’impresa.

Sorge il ragionevole dubbio se si possa strutturare questa impresa con un metodo che

affronti in modo sistematico i diversi aspetti, suddividendo quindi un compito complesso in una

serie di compiti più semplici, o se viceversa progettare nasconda un valore antimetodico frutto

dell’intuizione personale del progettista per cui almeno nella parte iniziale della concezione,

esso richieda la formulazione di idee e soluzioni sintetiche, da sottoporre solo successivamente

ad un esame analitico. Non sfugge infatti, nell’esame di alcuni grandi realizzazioni, il valore

unitario della loro concezione, specialmente quando la sintesi anche con gli aspetti formali non

si lascia ricondurre a modelli di cose già fatte, ma testimonia grande originalità. Non si può

tuttavia prescindere da una grande opera di approfondimento che è stata svolta in ambiente

ingegneristico, specialmente dalla scuola tedesca: per tutti basti citare il testo di G.Pahl e W.

che raccoglie e sintetizza tanti contributi e anni di pensiero, e che rappresenta l’esempio

Beitz

più illustre di sviluppo di un metodo di progettazione. Si è consci ovviamente della vastità

del tema, ed è per tale motivo che si giustifica l’esistenza di diverse scuole di pensiero: alcune

prediligono metodi sistematici, talune hanno una visione prettamente tecnica, altre ritengono

che visione tecnica e strategia di gestione del progetto debbano essere tenuti in considerazione

contemporaneamente, mentre altri ancora tendono a mettere in evidenza la fondamentale

importanza della casualità di quelle scelte progettuali riconducibili a pure intuizioni.

1.1 Il processo di sviluppo di unprodotto

Cosa significa per un ingegnere? Progettare è un processo per concepire un

”Progettare”

sistema, un componente o un processo al fine di soddisfare bisogni e desideri. É un processo

decisionale, in genere iterativo, nel quale sono applicate le scienze di base, la matematica

e le scienze ingegneristiche per convertire risorse in modo ottimale, col fine di raggiungere

obiettivi definiti. Elementi fondamentali di un processo di progettazione sono:

la definizione degli obiettivi e dei criteri.

• la sintesi, l’analisi, la fabbricazione.

• le prove.

• la valutazione dei risultati.

• 8

Figura 1.2: Processo di miglioramento continuo della progettazione

9

Capitolo 2

La specifica di progetto

11

PROCESSO DI SVILUPPO DEL PRODOTTO

Cosa significa “Progettare” per un ingegnere?

Progettare è un processo per concepire un sistema, un componente o un

processo al fine di soddisfare bisogni e desideri.

É un processo decisionale, in genere iterativo, nel quale sono applicate le

scienze di base, la matematica e le scienze ingegneristiche per convertire

risorse in modo ottimale, col fine di raggiungere obiettivi definiti.

Elementi fondamentali di un processo di progettazione sono:

1. la definizione degli obiettivi e dei criteri,

2. la sintesi, l’analisi, la fabbricazione,

3. le prove,

4. la valutazione dei risultati. Miglioramento continuo

Le sei fasi di un generico processo di sviluppo sono:

1.Pianificazione. precede l’approvazione del progetto e l’inizio vero e proprio dell’attività di sviluppo del prodotto.

Il risultato dell’attività di pianificazione è la dichiarazione d’intenti del progetto che specifica il mercato del prodotto, gli

obiettivi del prodotto, le ipotesi fondamentali e i vincoli.

concettuale.

2.Progettazione Nella fase di sviluppo concettuale, si identificano i bisogni del cliente, si generano e valutano

dei concetti di prodotto alternativi tra loro e si seleziona un singolo concetto per un ulteriore sviluppo. Un concetto è la

descrizione della forma, della funzione e delle caratteristiche di un prodotto ed è spesso accompagnato da un insieme di

specifiche, da un’analisi di prodotti competitivi e da una giustificazione economica preliminare del progetto.

a livello sistema.

3.Progettazione Questa fase comprende la definizione dell’architettura di prodotto e la suddivisione del

prodotto in sottosistemi e componenti. L’informazione in uscita (output) da questa fase è solitamente l’architettura (layout)

del prodotto, una specifica funzionale per ciascuno dei sottosistemi del prodotto e un diagramma di flusso preliminare per il

processo produttivo.

Progettazione di dettaglio.

4. Essa comprende la definizione completa della geometria, dei materiali e delle tolleranze delle

singole parti del prodotto. Il risultato di questa fase è una documentazione tecnica con disegni e file che descrivono i

componenti del prodotto e le sue lavorazioni, le specifiche delle parti da acquistare e la pianificazione del processo di

fabbricazione e d’assemblaggio del prodotto.

5. Sperimentazione e miglioramento. Questa fase richiede la costruzione e la valutazione di vari prototipi del prodotto. I prototipi iniziali

vengono solitamente realizzati con processi differenti, solitamente più artigianali di quelli che verranno usati in fase di produzione. I prototipi

iniziali sono sottoposti a delle prove per determinare se il prodotto ha il funzionamento previsto e se soddisfa i principali bisogni dei clienti. I

prototipi successivi sono solitamente costruiti con parti ottenute con i processi di produzione prescelti, ma possono non essere assemblati con i

processi di assemblaggio previsti.

Avviamento della produzione.

6. Il prodotto viene costruito utilizzando il sistema produttivo previsto. Lo scopo della fase di avviamento è di

addestrare il personale e di risolvere i problemi nei processi produttivi. I prodotti ottenuti durante questa fase di avviamento sono talvolta

forniti a utenti selezionati ed esaminati accuratamente per individuare qualsiasi difetto residuo. La transizione dalla fase di avviamento alla

produzione vera e propria è di solito graduale. A un certo punto di questa transizione, il prodotto viene lanciato e reso disponibile per il

mercato. METODI DELLA PROGETTAZIONE CONCETTUALE know-out

Ogni campo della progettazione (campo meccanico, navale, elettrico ecc.) ha il proprio specifico e

paradigmi

i propri per supportare la complessa attività di progettazione.

L’attività di progettazione si può distinguere prevalentemente nelle tre seguenti scuole di pensiero:

Scuola tradizionale

• (dominante come pensiero), per la quale la progettazione può essere solo acquisita con

l’esperienza e non può essere insegnata.

Logiche di ottimizzazione

• che rappresenta un sottoinsieme della progettazione, nella quale vengono

ampiamente utilizzati software per la progettazione che adottano algoritmi genetici, logica fuzzy,

ed altri complessi sistemi/tool informatici

Scuola Assiomatica,

• secondo cui sono esistono ben precisi assiomi che guidano e governano le decisioni

per una buona progettazione

Un buon progettista deve usare tutte e tre le metodologie

ELEMENTI DEL PROCESSO DI PROGETTAZIONE

Tutte le attività di progettazione devono rispettare i seguenti step:

1. Conoscere i bisogni dei “clienti”.

da risolvere per soddisfare i precedenti bisogni.

2. Definire i problemi essenziali soddisfare numerose

3. Concettualizzare la soluzione attraverso la sintesi che comprende il compito di

richieste funzionali, utilizzando un insieme di input quali i parametri del processo di progettazione

in condizioni di vincolo assegnate

la soluzione proposta per stabilire le condizioni di ottimo ed i relativi parametri.

4. Analizzare per verificare che soddisfi i bisogni originari del cliente.

5. Controllare la soluzione progettuale risultante

PROGETTAZIONE

astratte qualitative quantitative.

La progettazione procede sempre da idee e a descrizioni di carattere E’ un processo

iterativo per natura: in ogni passo viene generata una nuova informazione. una interazione continua tra i

Implica

Spesso una chiara descrizione dei

requisiti che il progettista vuole ottenere e come il progettista vuole ottenerli.

requisiti di progetto rende il compito di progettare estremamente difficile. Proprio per tale motivo in alcuni casi i

impliciti

progettisti li lasciano deliberatamente piuttosto che espliciti. precisare specificatamente

Per generare un progetto che incontri i bisogni percepiti, il progettista deve i requisiti degli

utenti prima che inizi la sintesi dei concetti di soluzione. Solo successivamente si può dar luogo anche a soluzioni

alternative.

Molti problemi di meccanica possono essere risolti applicando conoscenze pratiche di ingegneria, di produzione ed

economia. Altri problemi richiedono invece soluzioni derivanti da invenzioni o dall’immaginazione. Questi approcci

rivelatori possono verificarsi poiché il nostro cervello può essere pensato come una grande memoria che immagazina

informazioni in grado di processare, sintetizzare e pervenire a soluzioni innovative mediante l’uso della memoria

associativa, il riconoscimento di pattern, la digestione e la ricombinazioni di fatti/eventi diversi e complessi.

“creatività”, “l’ispirazione” e “l’immaginazione”

Il progetto trae sempre beneficio dalla .

IL CONCETTO DEI DOMINI

Il design è composto da quattro domini: il Rappresentazione dei domini sottoforma di vettori {x} caratteristici

dominio dei bisogni del cliente, il dominio

funzionale, dominio fisico,

e il dominio di processo (vedi Figura). Un

qualsiasi dominio sulla sinistra rispetto al

dominio sulla destra

rappresenta “ciò che il designer vuole

ottenere”, mentre il dominio a destra

rappresenta la soluzione di design, o in altri

termini il “come il progettista si propone di

soddisfare il problema.” Pertanto, il processo

di progettazione può essere

definito come una mappatura dal dominio

del “che cosa” al dominio del “come”.

Durante la progettazione del prodotto, la Dominio funzionale il Al fine di soddisfare

Dominio dei bisogni Infine per produrre

mappatura è quindi dal dominio funzionale progettista specifica questi FRs, i

del cliente o dalle quando presente nel

formalmente i bisogni parametri di

caratteristiche che

al dominio fisico, mentre durante invece la dominio fisico,

del cliente in termini di progetto (DPs) sono

il cliente cerca in un vengono specificate

progettazione del processo produttivo, il requisiti funzionali concepiti nel

prodotto, processo, le variabili di

progettista mappa quanto presente nel (FRs) chiamate Dominio fisico.

sistema o materiale processo (PVs) nel

dominio fisico nel dominio processo. comunemente Dominio di processo

specifiche tecniche

Nel campo dell’ingegneria meccanica, la progettazione (o design) si riferisce in genere al design di prodotto, ma in

generale si può tranquillamente dire che in tutti i campi di progettazione subiscono la medesima procedura di genesi del

pensiero. La seguente tabella mostra come apparentemente diverse attività di progettazione in campi molto differenti

possano effettivamente essere descritti in termini dei quattro domini di progettazione. Nel nostro caso d’interesse (design

del prodotto) ad esempio, il dominio del cliente è costituito dai bisogni del cliente (Cas) e dalle caratteristiche di prodotto

che questo ricerca nel prodotto stesso. Il dominio funzionale è composto invece dai requisiti funzionali (FRs), definiti

sottoforma di specifiche tecniche e vincoli. Il dominio fisico è il dominio in cui vengono scelti precisamente i parametri di

progetto (DPs) che soddisfano i requisiti funzionali (FRs) mentre nel dominio di processo vengono specificati i

procedimenti tecnologici e relative variabili di processo (PVs).

Per via di tale caratteristica struttura logica tipica della progettazione, si riescono a generalizzare alcuni principi

di progettazione utilizzabili in ogni campo ed applicazione, riportando quindi qualsiasi questione di

progettazione (di prodotto, di software, di produzione ecc.), sistematicamente all’interno dei quattro domini in

maniera contemporanea.

Le esigenze dei clienti sono spesso difficili da definire. I FRs devono essere definiti senza pregiudizi e

preconcetti verso eventuali soluzioni esistenti, altrimenti la progettazione non potrà godere del vantaggioso

pensiero creativo del progettista. Per facilitare il processo di definizione FRs, pertanto si utilizza il QFD (Quality

Function Deployment), nel quale i bisogni del (gli FRs) vengono determinati in maniera oggettiva. L'esperienza

gioca un ruolo importante nella definizione FRs, dal momento che il giudizio qualitativo del progettista è spesso

necessario per valutare le esigenze dei clienti e identificare i problemi essenziali che devono essere risolti.

APPROCCIO ASSIOMATICO ALLA PROGETTAZIONE

Ci sono principi generalizzabili che creano la base per distinguere tra progetti buoni e catti