Materiali per l'industrial design

Evoluzione delle tecnologie di pari passo con l'avanzamento del design

Relazioni tra forma, materiale e caratteristiche

Quali sono le relazioni tra forma, materiale e caratteristiche, ovvero le proprietà di un prodotto. Sono delle grandezze correlate tra di loro.

Nel 1870 Cristopher Dresser con il suo metallo, vetro e legno realizza degli oggetti anticipando i principi delle forme e soluzioni di design contemporaneo. Egli era un botanico che lavorava alla scuola di stato del design di Londra, intorno al 1850. Aveva notato nei suoi studi come c'erano delle ripetizioni, un certo ordine, come forme semplici potevano nascere da una combinazione e da uno stesso elemento la possibilità di realizzare differenti forme. Molti oggetti in questo periodo erano ottenuti grazie al processo elettrolitico della deposizione di argento.

Processi di metallurgia e design

Questo processo nasce a Scheffeld, una città inglese specializzata nell'utilizzo di questo processo che non è quello elettrolitico introdotto successivamente, ma è uno fisico di accoppiamento di rame e argento, entrambi i materiali hanno punti di fusione vicini tra loro, l'argento fonde alla temperatura di 962° mentre il rame 1085°, se mi metto ad una temperatura di intermezzo, l'argento si fonde e il rame no, in questo modo si attacca al rame, raffreddandosi invece si ottiene il rame con un sottile strato di argento. In questo modo si parla di Silver plating. Il problema è che spesso si vedevano le giunture, dove si notava la presenza del rame.

Con l'introduzione del plating elettrolitico è possibile ricoprire qualsiasi tipo di struttura, perché l'oggetto viene immerso in una soluzione acquosa dove ci sono gli elettrodi che fanno passare la corrente, che sono in argento uno dei due per rilasciare gli ioni argento che si depositano sulla superficie dell'oggetto che può essere ricoperto, si parla di metalli che possono essere ricoperti che sono l'oro, argento, stagno, zinco, rame, cromo ecc...

Concetti chiave delle celle elettrolitiche

I concetti chiave delle celle elettrolitiche: c'è una batteria, gli elettroni circolano dal + verso il -, gli elettrodi tenderanno, se lo stesso materiale, possiamo notare che dall'anode, ovvero elettrodo positivo gli ioni si staccano per andarsi ad attaccare al catodo, elettrodo negativo. I residui del materiale vanno al di sotto dell'anodo, al di sotto della vasca. Quando si passa da stato ionico a stato di metallo si ha una riduzione, mentre se passo da stato metallico a quello di ione si ha un'ossidazione, relativa alla perdita di elettroni.

Questo processo verrà utilizzato per la purificazione del rame e copertura di altri metalli, può essere realizzato anche in Sali fusi e non soluzioni acquose, come accade con l'alluminio.

Per l'argento ad esempio con il nitrato di argento.

Nuove tecnologie e design

Tramite una nuova tecnologia ed un nuovo stile si possono replicare oggetti in modo nettamente differenti. Dresser è stato il primo quindi a mettere a punto le tecniche di design e delle nuove forme.

Relazioni nel mondo dell'arte

Le relazioni tra forme, materiali e proprietà esistono anche nel mondo dell'arte, Piet Mondrian ad esempio nel fine 800 inizio 900 realizza disegni scomposti in linee e colori base, questa forma nasce dallo stile che parte dall'osservazione del neo plasticismo, dove interpreta ciò che vede e separa colori e forme, egli elabora l'albero man mano con il passare del tempo distaccando le forme e i colori.

Equilibrio tra funzione e tecnologia

Si ricerca l'equilibrio intorno la funzione di un oggetto, tra materiale, forma, design e tecnologia. Verso fine 800 si passa dalla produzione artigianale alla produzione industriale degli oggetti, non solo in relazione alle sedie, questo accade con l'introduzione della rivoluzione industriale.

Produzione delle sedie

Produzione delle sedie: Inizialmente dai boschi venivano presi alberi con più di 30 anni, successivamente si procede al taglio del tronco in diverse sezioni alterando l'integrità strutturale del sistema naturale. Al taglio di un tronco si notano diversi cerchi, ovvero una struttura orientata ed una sequenza di anelli, quindi al taglio del legno si va a rompere questa continuità strutturale, il legno si adatta all'ambiente esterno, alle sollecitazioni e si piega in diverse forme, anche complesse, viene detto un materiale con struttura ortotropa, non ha le stesse caratteristiche in ogni direzione. Il percorso che un albero ha avuto e come si è sviluppato nel corso della crescita è riconoscibile osservando le linee e le fibre dell'albero stesso.

Dal punto di vista meccanico a seconda del taglio assumerà diverse caratteristiche. Quello che caratterizza la struttura di un tronco grazie a parti scure ovvero più resistenti e parti spugnose che la rendono leggera, quindi la struttura viene detta a sandwich, aumentando la rigidezza e la resistenza del legno stesso. I componenti sono dei polimeri, c'è la lignina (qualcosa che sta per diventare cellulosa ma allo stato di colla, tiene unita le fibre di cellulosa) e la cellulosa (si orientano nella direzione di sviluppo e crescita).

La cellulosa è formata da lunghe catene e forma la struttura che cresce insieme all'albero nella stessa direzione. In che modo la rigidezza e la resistenza di una struttura si correla con la sua forma ed il materiale? Come mai i materiali organici seguono e determinano l'evoluzione della vita? Quali sono le proprietà dei materiali legati alla nascita e lo sviluppo della vita.

Approfondimento polimeri

La vita si sviluppa si sviluppa intorno all'idrogeno, carbonio, ossigeno, azoto e anche fluoro, cloro. Le strutture cicliche sono chiamate terpeni, a seconda del numero di isoprene formato da carbonio e ossigeno, ci sono diverse strutture e nomi differenti, solo con questi pochi elementi è possibile formare strutture importanti per la vita, come l'origano, il pomodoro, le carote, limone, vitamina A, resina etc...

Tra i polimeri naturali di origine vegetali troviamo la resina fossile (ambra), resiste per molti milioni di anni. Un materiale organico può avere una vita lunghissima o brevissima in funzione del fatto che possa anche interagire con l'ambiente, l'ambra non è attaccata da batteri perché si sterilizza. Per questo può anche contenere materiale organico di molti anni fa, come quello di corpi animali come formiche. Inserendo i terpeni ad una lunga catena sia simmetrica che non, simmetricamente si parla della formazione di Caucciù, altrimenti la gutta-perca, un materiale vetroso e rigido.

Atattico quando non c'è ordine nella struttura, mentre isotattico quando la struttura è ordinata, si forma in due punti digeribile coma amido e cellulosa, non digeribile. Aggiungendo un altro elemento, ovvero l'azoto si forma il guscio esterno dei crostacei ovvero la chitina. Cambiando di poco la struttura nasce anche l'acido ialuronico, presente nei tessuti connettivi dei mammiferi. Con gli aminoacidi si forma la cheratina, presenti nei capelli, nella cornea, corno etc...

La seta invece è caratterizzata da una struttura con più sostanze, come Sericina, Fibroina. Gli aminoacidi sono molecole organiche che svolgono una serie di funzioni collegate al metabolismo cellulare ma, ancora più importante, rappresentano i componenti fondamentali delle proteine e sono necessari per una normale crescita e per lo sviluppo del corpo umano.

Poiché le proteine sono essenziali al mantenimento di tutte le strutture critiche dell'organismo, gli aminoacidi risultano di conseguenza necessari per la sopravvivenza. Gli aminoacidi vengono suddivisi in categorie a seconda della loro struttura, della loro specifica funzione nei processi metabolici e in base alla capacità del corpo umano di produrli.

Monosaccaridi e polisaccaridi

I polisaccaridi: sono polimeri formati dall'unione di moltissimi monosaccaridi naturali. Basta pensare alla cellulosa che contiene più di 3000 unità. I polisaccaridi più importanti sono l'amido, il glicogeno e la cellulosa. I monosaccaridi (conosciuti anche come zuccheri semplici; che deriva dal greco μονος, mónos, «singolo», e σάκχαρον, sákkharon, «zucchero») sono composti organici formati da carbonio, idrogeno e ossigeno. Sono carboidrati che non possono essere demoliti per idrolisi (diverse reazioni chimiche in cui le molecole sono scisse in due o più parti per effetto dell'acqua e può talvolta essere considerata come la reazione inversa della reazione di condensazione).

Sono prodotti dagli organismi autotrofi attraverso la fotosintesi clorofilliana; gli animali assumono poi direttamente o indirettamente tali molecole delle piante. Sono classificati a seconda del tipo di gruppo carbonilico (aldeidico o chetonico) e dal numero di atomi di carbonio contenuti nella molecola, che possono variare da 3 a 7.

Il design sostenibile

Sviluppo sostenibile e consumatori

Bisogna essere consapevoli del fatto che stia maturando la necessità di esplorare determinati aspetti che riguardano lo sviluppo sostenibile. Le tecnologie ci permettono di lavorare un materiale secondo molti strumenti, lavorando anche sulla materia stessa. Operare nell'ambito delle nanotecnologie ci permette di passare da materia a materiale.

Uso dei materiali nel design sostenibile

L'uso corretto dei materiali diventa particolarmente importante nel mondo del design sostenibile, ricerca dell'equilibrio nell'oggetto di design, la Thonet, la scuola del Bauhaus che nasce sullo studio dei materiali. La responsabilità etica del designer è molto importante, bisogna scegliere secondo determinati criteri il tipo di materiale, il perché di questa scelta e la sua sostenibilità. Ogni scelta comporta un impatto ambientale, misurabile non solo sull'effetto serra e CO2, ma ne sono tantissimi. Esistono appositi strumenti per questa misurazione.

Pensiero costruttivo e sostenibilità

Il pensiero costruttivo per un designer risulta essere particolarmente importante, valutando l'impatto che un determinato materiale possa avere sul pianeta e sulle future generazioni. Un albero cresce secondo un determinato modo, secondo la sua forma, materiale, struttura e funzione. Non c'è cosa di più sostenibile che prendere di riferimento i sistemi presenti in natura, come gli alberi, gli aerei con gli uccelli (industria Boeing), winglet ali esterne che andavano verso l'alto, non per la funzione ma per bellezza, attraendo gli sceicchi. In questo modo però si notò ben presto il calo di consumi, migliorando la turbolenza, non creando un risucchio che rallenta l'aereo.

Sostenibilità debole e crescita tecnologica

Si parla di bassa sostenibilità quando ci si concentra sulla crescita tecnologica, mettendo al primo posto i diritti dell'individuo e non i rischi sulla natura. Oggi ci troviamo in un momento di sostenibilità debole, dove al primo posto c'è il singolo individuo e non il collettivo. In ordine di grandezza decrescente troviamo: Macroscopico, microscopico, molecolare, atomico.

Coefficiente di Poisson e materiali

Coefficiente di Poisson è quando si tira qualcosa e si restringe in altre direzioni, è differente in metalli, ceramici e polimerici. Per i ceramici varierà di poco (0,2), i metallici poco più (0,3) e polimerici (0,4), essendo simili ai liquidi, come viscoelastici.

Proprietà chimico fisiche

Il Pascal è un Newton su metro quadro. Le sollecitazioni possono essere di torsione, di trazione e di flessione. Si parla solo di rigidezza, che sia assiale, torsionale e flessionale. La costante “K” dipende dal materiale, dalla disposizione dei carichi e la geometria (J: momento di inerzia).

Cos'è il momento di inerzia di una sezione, se il materiale è omogeneo e isotropo (come l'acciaio), andando a considerare la partecipazione della distanza rispetto al baricentro delle forze, si parla di momenti statici elastici. Quando invece si parla di una struttura sandwich, si allontanano gli strati resistenti dal centro, in questo modo mantenendo la continuità di trasferimento degli sforzi si studia il caso. A seconda dei moduli si può notare la rigidezza di alcune soluzioni, per questo. Proprietà chimico fisiche come densità, viscosità e tensione superficiale (si esprime quando c'è un'interfaccia tra due liquidi, gas o liquido e così via).

Dalla produzione artigianale a quella industriale

Passaggio dall'artigianato all'industriale, ripresa delle slide ultima lezione. Lo sviluppo della produzione delle sedie Thonet, si passa immediatamente alla catena di montaggio, dall'artigianato. I costi diminuiscono vertiginosamente. La filosofia finalmente cambia, diventa il tutto più sostenibile e i prodotti determinano la loro esistenza e la loro funzionalità per una tempistica nettamente maggiore.

Sfruttare la tecnologia per copiare la logica della natura

Uno degli esempi più attinenti alla filosofia costruttiva, è quello di sfruttare al meglio la tecnologia per copiare la logica della natura stessa. Mentre per i materiali organici possono avere molte funzionalità, i metalli riservano cambiamenti proprio nella loro struttura.

Acciaio e ghisa

I metalli possono trovarsi già in natura sotto forma di liquido, oppure possono avere altissime temperature di fusione. La produzione della ghisa avviene tramite l'altoforno, dalla ghisa si può successivamente produrre l'acciaio. Per ottenere un metallo da un ossido bisogna portare a 0 il numero di ossidazione, questa riduzione avviene attraverso il monossido di carbonio, generata dal carbon cock (combustibile negli altoforni, è il residuo solido della carbonizzazione di carboni detti cookizzanti).

Alla base della fornace è presente il ferro con disciolte percentuali del 4/5% di carbonio, 2/3% di silicio e 1% di manganese ed altri elementi indesiderati. Il fuso colato in stampi di sabbia e raffreddato viene denominato ghisa grezza, materiale utile alla produzione delle ghise, del ferro dolce a bassissimo contenuto di carbonio e degli acciai, con contenuti di carbonio da 0,4% a 2,1%.

Diagramma di stato ferro-cementite

Quindi passa da un contenuto molto alto di carbonio, poi viene raffinato si passa da Pig iron (formadi maialini) alla ghisa, al di sotto del 2% di carbonio si parla infine di acciaio. Quando è ancora più basso il suo contenuto (0,1/0,2%) si parla di ferro battuto o dolce, un metallo malleabile. Gli acciai mantengono una determinata rigidezza.

Acciaio e forme cristalline

Ferro e carbonio sono legati in base alla temperatura. La cementite è il composto (sistemi cristallini dove il rapporto tra atomi di un elemento e l'altro elemento è costante) dove il rapporto ferro carbonio è 3:1. Il ferro assume diverse forme cristalline in funzione di carbonio e temperatura:

• Austenite è una soluzione solida di ferro e carbonio duttile e stabile alla temperatura maggiore di 720 gradi con struttura cubica a facce centrate.
• La ferrite è una soluzione solida di ferro e carbonio, duttile e stabile a basse temperature, minori di 720 gradi, con struttura cubica a corpo centrato, possono avere contenuto di carbonio più alto o più basso.
• La cementite è un cristallo, materiale ceramico. È un composto che si forma dall'unione di un metallo e un non metallo. Il carbonio si trova in posizioni fisse dello spazio, si alternano atomi di ferro e di carbonio. Per questo risulta ceramico.

Processo di fusione e solidificazione

Dall'altoforno esce la cementite all'interno del diagramma, le linee rappresentano il passaggio da liquido a solido, andando verso la formazione del solido, allo scendere della temperatura scenderà tutto, al di sopra del 2% di presenza di carbonio si ottengono le ghise (più fragili), austenite e cementite. Mentre al di sotto si ottengono gli acciai, in particolare l'eutettico (Miscela di due o più sostanze, avente punto di fusione inferiore a quello dei componenti.) viene utilizzato per la produzione. Al di sotto di una determinata linea si ottengono solamente solidi, specialmente l'austenite, nome che viene dato alla ferrite gamma.

Acciaio eutettoide e caratteristiche

Acciaio Eutettoide 0,8% di carbonio, man mano che si scende di temperatura si crea una struttura, una struttura formata da lamelle di materiale ceramico all'interno di una struttura ferritica, è deformabile facilmente. La parte verde è la fase ferritica.

Gli acciai possono essere anche ipo-eutettoide (acciaio con tenore di carbonio inferiore a quello dell'eutettoidico) con meno di 0,8% di carbonio, la struttura raffreddata i cristalli di austenite diventano ferrite e all'interno contengono la struttura di lamelle di cementite e ferrite. Acciaio Iper-Eutettoide (Miscela di due o più sostanze, avente punto di fusione (temperatura e.) inferiore a quello dei componenti) con più di 0,8% di carbonio, si forma la cementite che contiene la struttura lamellare di cementite e ferrite, essendo matrice di vetro sarà deformabile.

Trattamenti termici e proprietà degli acciai

Ottenere determinate caratteristiche dipendono dal trattamento termico, gli acciai dipendono soprattutto da questo. Ad esempio per renderlo malleabile gioco con la temperatura, lo modello e lo immergo in acqua fredda. Diagrammi TT parlano di temperatura e tempo, ovvero quanto tempo ci vuole per raggiungere quell'acciaio che vogliamo ottenere e quelle caratteristiche.

Produzione industrializzata e Bauhaus

La possibilità di poter ottenere oggetti industrializzati, porta anche nella scuola del Bauhaus l'adozione di questo nuovo modo di realizzare. Spesso venivano realizzati degli oggetti con i quali si svilupparono determinate problematiche a causa della scelta del materiale, del tutto inadatta. Per rispondere alle problematiche, si è utilizzato il ferro con un modulo elastico nettamente maggiore rispetto al legno, in questo modo l'equilibrio della sedia e la sua rigidezza cambiava totalmente.

Sviluppo della produzione industriale

Perché i prodotti non sono rientrati subito nella produzione industriale? Perché non c'erano le tecnologie, i tubolari venivano realizzati artigianalmente a mano, quindi non era possibile realizzarlo in serie. Una delle sedie da poter prendere in considerazione è la Wassily Chair.

Innovazione nei processi produttivi

Con il sistema Mannesmann si introduce il modo di realizzazione di tubolari, grazie all'utilizzo di un mandrino (attrezzo della macchina operatrice con funzione di sostegno per l'utensile).