Appunti di Qualità 4.0 pt.2

Q 4.0

UALITÀ E SOSTENIBILITÀ DEI PROCESSI INDUSTRIALI

1. Materiali nei processi produttivi

l’utilizzo e modifica delle proprietà dei materiali è quello che ha permesso in parte l’evoluzione

Lo sviluppo, la

dell’essere umano. Si hanno avute due tipologie di evoluzioni:

L’età del bronzo

1. (facile da manipolare in quanto ha basse temperature di fusione);

L’età del ferro.

2.

L’obiettivo era quello di produrre e manipolare i materiali per soddisfare i bisogni della società.

L’uomo ha distinto 2 branche differenti:

1. La scienza dei materiali: studia le strutture e le proprietà dei materiali;

L’ingegneria dei materiali:

2. studia le correlazioni tra struttura e proprietà ma soprattutto come essa si

poteva sfruttare attraverso delle tecnologie di produzione ad hoc e quali tra esse avrebbero date le

migliori proprietà sullo specifico materiale. stiamo identificando l’oggetto in quanto la

Quando si parla di struttura è fondamentale capire a che livello

struttura può essere quella:

• la disposizione e la presenza di particelle che costituiscono l’atomo;

Subatomica:

• l’organizzazione degli atomi nello spazio

Atomica: (reticolo regolare-> resistenza maggiore);

• Microscopico: come si organizzano le varie molecole (disposizione poco organizzata genera un

elemento amorfo);

• Macroscopico: ciò che si riesce a vedere nel materiale.

ISOTOPO: stesse proprietà nelle stesse direzioni

La maggior parte dei materiali utilizzati nei processi produttivi appartiene a una delle tre categorie di base:

➢ Metalli;

➢ Ceramiche;

➢ Polimeri.

Gran parte dei materiali è una combinazione di queste categorie: alcuni sono ben distinti (possono essere

elaborati l’uno dall’altro) mentre altri sono compositi.

COMPOSITI: hanno più fasi metalliche o che fanno riferimento a materiali differenti. Es. cemento armato

(pietrisco + conglomerati).

Materiali metallici: Sono composti da elementi metallici (ferro, alluminio, rame) e da elementi non metallici

(carbonio, azoto, ossigeno). La loro combinazione da origine alle leghe metalliche formati da due o più elementi.

Quasi tutti i metalli si organizzano come un reticolo cristallino ber organizzato che si va a replicare infinite volte

nello spazio. Esso permette di resistere alle sollecitazioni molto bene in quanto la forza nel modificare la

posizione degli atomi nello spazio trova una resistenza da parte degli atomi e dei legami molto elevata.

I materiali metallici sono rigidi e resistenti ma sono anche duttili (capaci di grandi deformazioni); presentano

un gran numero di elettroni non localizzati chiamati così in quanto essi creano dei legami attraverso degli

in partecipazione l’uno con l’altro.

elettroni che mettono Questo legame è dato da un elettrone di un atomo con

un elettrone di un altro atomo. Parte di questi elettroni saranno liberi di muoversi nella struttura cristallina e

liberi di fluire da un atomo a un altro. I metalli hanno buone proprietà magnetiche e ottiche (stesso materiale

l’onda viene riflessa in un’unica direzione;

lucido o opaco secondo proprietà macroscopiche: sup. piana -> sup.

deformata -> diffusione della luce).

Esistono 2 leghe: (il ferro abbondante sulla terra e comodo da lavorare)

possono essere adattate per avere un’ampia gamma di proprietà

1. Leghe ferrose: meccaniche e fisiche. Le

più famose sono gli acciai (leghe ferro-carbonio) che si classificano in base alla percentuale di carbonio

contenuta nella lega (spesso <4%). In caso la percentuale è molto bassa vengono chiamati acciai semplici

dove possono disciolti altri elementi (elementi di lega) ciascuno con determinate proprietà venendosi a

Quando nell’acciaio vengono disciolti elementi molto resistenti come cobalto,

creare gli acciai legati. 1

magnesio e tungsteno si vengono a creare delle leghe molto resistenti per realizzare utensili utilizzati dai

macchinari per asportare altro materiale.

OSSIDABILI -> ossigeno+materiale. Dovuto a es. temperature elevate. Ossido di ferro=ruggine. Ossido

di rame+altri componenti danno un colore celeste. Quando si arrugginisce la superficie di un ferro, la

ruggine si gonfia. Nel rame la struttura dell’ossido che si viene a creare è più compatta del rame stesso

che non fa passare ossigeno. Per questo si è deciso di incentivare l’ossidazione del rame che crea una

Per evitare che si crei la ruggine all’interno delle leghe ferrose si inseriscono degli

patatina protettiva. con l’ossigeno (il più usato è il cromo).

elementi che vanno ad inibire la reazione Gli acciai inossidabili

sono fortemente resistenti alla corrosione.

Se aumento il carbonio disciolto nella lega si vengono a creare le ghise usate nei termosifoni (sup. ruvida

perché non viene fatta nessuna lavorazione successiva alla fonderia). Sono molto fragili e resistenti alla

corrosione.

Le leghe ferrose presentano alcune limitazioni, tra cui una densità relativamente alta, una conduttività

elettrica relativamente bassa. Pertanto, per molte applicazioni è vantaggioso utilizzare altre leghe aventi

combinazioni di proprietà più adatte.

2. Leghe non ferrose: I sistemi di leghe sono classificati in base al metallo di base o in base ad alcune

caratteristiche specifiche condivise da un gruppo di leghe. Sono riciclabili, resistenti alla corrosione ma

quasi tutte non magnetiche. I più importanti sono:

➢ leghe di rame: il rame è quel materiale che si trova in una colorazione rossiccia e presenta una

resistenza meccanica molto bassa (si riesce a modellare con delle forze molto basse). Il rame non

legato è difficile da lavorare e altamente resistente alla corrosione. Le leghe di rame più famose

l’ottone

sono (rame-zinco) e il bronzo (rame-stagno) che risultano a essere più resistenti del rame.

➢ leghe di alluminio: elevata conduttività elettrica e termica e resistente alla corrosione in alcuni

ambienti comuni. La sua resistenza meccanica può essere migliorata attraverso lavorazione a

freddo. La principale limitazione dell'alluminio è la sua bassa temperatura di fusione.

➢ leghe di titanio: lo si trova nelle strutture degli aerei, nei veicoli spaziali e nelle protesi in quanto

esso non reagisce con i materiali biologici (bio-compatibile). Sono estremamente resistenti,

altamente duttili e facilmente lavorabili. Le sue limitazioni sono che è difficile da trovare (per

questo costoso) ed è complesso da lavorare (necessarie temperature molto elevate).

➢ leghe a base di metalli refrattari: quei materiali che hanno temperature di fusione molto elevati

(resistenti-> difficile da lavorare). È utilizzato nelle lampadine in quanto conduce energia

elettrica (parte di essa si disperde sotto forma di calore e di luce).

Materiali ceramici: sono composti da elementi metallici e non metallici; sono più frequentemente ossidi (se

l’azoto)

ben lavorati presentano caratteristiche più elevate di quelle dei metalli stessi), nitruri (reazioni con e

carburi (reazioni col carbonio). Poiché le ceramiche sono composte da almeno due elementi, e spesso di più, le

loro strutture cristalline sono generalmente più complesse di quelle dei metalli. I materiali ceramici sono rigidi

e resistenti ma allo stesso tempo estremamente fragili; inoltre sono resistenti al passaggio di calore ed elettricità

e alle alte temperature. Ci sono anche dei materiali ceramici che definiscono dalle ceramiche tradizionali:

➢ porcellana;

➢ cemento;

➢ vetro: i due vantaggi principali sono la loro trasparenza ottica alla luce e la relativa facilità con cui

possono essere fabbricati. Può essere trasformato da uno stato non cristallino a uno cristallino mediante

un adeguato trattamento termico ad alta temperatura (cristallizzazione).

Un’altra tipologia di ceramiche sono le utilizzate all’interno dei forni

ceramiche refrattarie per la raffinazione

dei metalli in quanto sono estremamente resistenti alle alte temperature senza disciogliersi. La forma più comune

è quella dei mattoni.

CERAMICHE ABRASIVE -> Un altro materiale ceramico molto diffuso sia a livello di gioielleria ma anche in

rigido, resistente all’usura

ambito industriale è il diamante (ceramici a base di carbonio). È estremamente per

questo sarà difficile asportare parte della superficie. Infatti, viene usato per asportare materiale da altri

–

componenti (rivestimento di utensili). Il metodo per creare i diamanti sintetici è chiamato High Pressure

High Temperature (HPHT), che comporta una lavorazione ad alte temperature e pressioni. Un problema del

diamante è che si degrada col ferro. 2

Materiali polimerici: Sono composti da atomi di carbonio a cui si vanno a combinare altri elementi. Le

macrocategorie in cui vengono suddivisi i polimeri sono:

➢ Plastiche

➢ Elastomeri (o gomme)

➢ Fibre

Alcuni dei comuni polimeri sono: polietilene (PE), nylon, policarbonato (PC), polistirene (PS).

Le loro caratteristiche sono che hanno basse densità (molto leggeri), sono meno resistenti e rigidi ma facilmente

da piegare in forme complesse. In generale, sono relativamente inerti chimicamente e non reattivi a molte

sostanze. Uno dei principali svantaggi è la loro tendenza a decomporsi a temperature modeste, il che, in alcuni

casi, ne limita l'uso. Inoltre, hanno una bassa conduttività elettrica e non sono magnetici.

1. Plastiche: presentano una certa rigidezza strutturale sotto carico. Possono essere: termoplastiche

(rammolliscono all’aumentare della temperatura) e (induriscono all’aumentare della

termoindurenti

temperatura). Devono essere usati al di sotto della temperatura di transizione vetrosa/di fusione. Le

plastiche sono facili di realizzare e se ho una buona resistenza chimica può essere utilizzato per rivestire

dei materiali rigidi dandole delle caratteristiche di inerzia chimica. Essi possono essere trasparenti o

opache in quanto la struttura die polimeri varia da cristallina ad amorfa.

2. Elastomeri: caratteristiche elastiche molto sviluppate che comportano la capacità di raggiungere

deformazioni piuttosto grandi per poi tornare nella sua posizione iniziale (comportamenti iper-elastici).

Li utilizzo negli pneumatici. Possono essere sintetici o naturali (resina dagli alberi). Il problema rilevante

è lo smaltimento (non riciclabili ed estremamente inquinanti). Tra gli elastomeri si trovano le gomme

siliconiche che, come punti di forza, hanno la biocompatibità (usati in applicazioni mediche) e la

vulcanizzazione (rende la gomma elastica).

vengono usati nell’industria tessile

3. Fibre: ma devono presentare una serie di proprietà fisiche e chimiche

restrittive. Durante l'uso, le fibre possono essere soggette a una varietà di deformazioni meccaniche. Di

resistenza alla trazione e all’abrasione.

conseguenza, devono avere un'elevata

MATERIALI COMPOSITI -> Un composito è un materiale composto da due (o più) singoli materiali, che

provengono dalle categorie precedenti. La maggior parte di essi è stata creata per migliorare combinazioni di

caratteristiche meccaniche quali rigidezza e resistenza ambientale e alle alte temperature. Possono essere

artificiali o naturali come il legno (formato da fibre di cellulosa legate da una matrice di lignina) e ossa.

Uno dei compositi più comuni è la fibra di vetro, in cui piccole fibre di vetro sono incorporate in un materiale

polimerico; le caratteristiche sono: rigida, resistente, flessibile e duttile. Inoltre, ha una bassa densità.

Un altro di questi materiali è il polimero rinforzato con fibra di carbonio. Sono più rigidi e resistenti dei

materiali rinforzati con fibra di vetro, ma sono più costosi.

Molti materiali compositi sono composti da 2 parti: una è chiamata matrice (scarsa resistenza-> serve a

proteggere le fibre solitamente attaccabili da alcuni elementi ambientali) e la fase dispersa (dà la resistenza

l’uno con l’altro non avremmo

maggiore). Se tutte le fibre reagissero indipendentemente un composto unico ma

una serie di elementi indipendenti. In quest’ultimo caso la rottura di uno, causa la rottura a cascata degli altri.

La condivisione implica che tutte avranno lo stesso peso. Quindi esse avranno un comportamento uniforme in

quanto tutte le fibre stanno collaborando.

Es. Il calcestruzzo è un composito rinforzato con particelle (la matrice trasferisce parte dello stress applicato

alle particelle) in cui sia la matrice che le fasi disperse sono materiali ceramici.

Esistono compositi rinforzati con fibre; diventa importante un parametro ossia la lunghezza. È necessario un

operatore che stenderle e conformarle secondo la geometria che devono avere del componente finale. Se viene

tirata, porta con sé la matrice spaccandola. Per questo si è pensato di usare fibre di dimensioni minori la cui

possibilità di essere piegate è inesistente. Queste fibre corte di solito vengono spruzzate sul componente senza

avere una certa direzione prestabilita dando un comportamento maggiormente isotopo al componente.

Vantaggio: si comporta in maniera costante in tutte le direzioni.

Svantaggio: se mi interessa solo una direzione entro il quale il composto doveva essere progettato, con queste

fibre non posso incentivare la resistenza lungo quella sola direzione. La loro possibilità di essere piegate è

impossibile. Le fibre devono comunicare tra loro (scambiarsi le tensioni) attraverso delle sovrapposizioni di una

certa lunghezza. Si spruzzano in grandi quantità nella matrice sperando ci sia una loro sovrapposizione.

3

COMPOSITI STRUTTURALI -> Uno dei compositi più particolari

sono quelli realizzati con compositi laminari. Ho strati singoli

resistenti in una sola direzione ma la somma di questi strati

avranno direzioni diversi. Così il composito finale avrà una media

delle resistenze di tutti gli strati. Verticalmente avrà bassissima

resistenza; sarà ottimo nel piano ma penalizzato in direzione

verticale in quanto non esistono fibre in quella direzione.

Un altro composito usato nelle costruzioni sono i pannelli

sandwich. La loro caratteristica è che sono formati da vari layer

struttura a nido d’ape

ma diversi tra di loro. Hanno una al centro realizzata da tanti piccoli esagoni uniti tra di

loro. La maggior parte della resistenza è data nella direzione verticale e anche nel piano. La caratteristica

fondamentale è quello di essere abbastanza isolanti sia termicamente che a livello sonoro. Es. pannelli isolanti

all’interno piena d’aria) Vengono usate nell’aerospazio (satelliti) in quanto resistono

(area negli studi musicali.

a varie sollecitazioni esterne.

MATERIALI AVANZATI -> Oggi esistono elementi più complessi che vengono elaborati su varia scala.

➢ Semiconduttori: sono stati drogati per aumentare le loro capacità di conduzione elettrica. Sono sia

resistenti (metalli) ma hanno caratteristiche di induzione elettrica attraverso il drogaggio che gli viene

fatto in un esatto punto. Es. telefoni.

➢ Biomateriali: realizzati con materiali biologici. Devono essere mantenuti in vita ossia gestiti in una

maniera specifica; se lasciati in determinate condizioni si possono espandere.

➢ senza l’aiuto dell’uomo,

Smart materials: riesce a svolgere, determinante azioni. Anche se vengono

schiacciati, attraverso delle sollecitazioni, ricorda che deve ritornare nella sua posizione iniziale. Senza

l’utilizzo dell’uomo basta dare una differenza di temperatura e sanno che si devono comportare in un

certo modo.

➢ Materiali nano ingegnerizzati: le caratteristiche vengono definite a livello microscopico per dare già a

livello atomico delle prestazioni elevate per far sì che a livello macroscopico si ingigantiscano.

PROPRIETÀ: risposta ad una sollecitazione

1. Meccaniche: come si comporta sotto una condizione di deformazione;

2. Elettriche: stimolati da un campo elettrico;

3. Termiche: data una differenza di temperatura cosa fa il materiale;

4. Magnetiche: come a un campo magnetico reagiscono i materiali. Esistono alcuni che sono amagnetici.

Possono essere usati all’interno dei motori elettrici; lunghezze d’onda.

5. Ottiche: trasformare un elemento da opaco a trasparente -> come reagisce alle diverse

Questa trasformazione è solo una parte delle reazioni alle onde elettromagnetiche, cioè quello del

visibile;

6. Deterioramento: la capacità di resistere ad attacchi chimici (sia biologici che puramente chimici). La

capacità di non farsi compromettere da questi materiali.

Ciò che viene analizzato è il comportamento meccanico in quanto la maggior parte di questi elementi devono

resistere a delle sollecitazioni meccaniche (forze). Per studiarlo, devo fare degli esperimenti di laboratorio

(replicano il più fedelmente possibile le condizioni di servizio) attraverso dei macchinari appositi -> avere delle

regole standard in tutto il mondo che mi possano dire qual è la resistenza di un elemento. Le caratteristiche

principali che si possono studiare di un elemento sono:

• Trazione: lo tiro lungo il proprio asse. Deve

rimanere costante la massa: quindi se lo

allungo la sezione diminuisce;

• Compressione: comprimo lungo lo stesso

asse. Deve crescere trasversalmente;

• Taglio: la sollecitazione è perpendicolare a

quell’asse (più semplice). 4

Effettuare una torsione significa creare una coppia di forze (scomposizione

della forza nelle sue componenti orizzontali).

Il comportamento meccanico può essere accertato attraverso una prova di

–

sforzo deformazione.

La forza è un vettore singolo.

Lo sforzo prende anche la superficie dove viene applicata questa forza.

=

0

La deformazione quanto è diminuita/cresciuta la lunghezza rispetto alla lunghezza iniziale (adimensionale).

−