DOMANDE 1-3
1.Vantaggi e svantaggi di disporre di un materiale
isotropo in tutti i sensi (meccanico, termico,
ecc.)(pensando ad applicazioni di design)
2.La natura, nella sua evoluzione, ha mostrato di
prediligere la formazione di polimeri, in particolare
disposti come fibre. Secondo voi, perché?
3.Ci si può fidare dei valori indicati in una specifica su un
materiale soggetto alla teoria di Weibull (per esempio,
un materiale ceramico innovativo)? Come bisogna
procedere?
DOMANDE 4-6
4. Guardando il diagramma dei materiali naturali, tra quello di
sinistra (forza, cioè resistenza a rottura-densità) e quello di
destra (modulo elastico-densità) quali classi di materiali
cambiano posizione? E che cosa indica questo?
5. Si dice che solo i metalli conducono bene sia il calore sia
l'elettricità: come si può vedere dalla loro posizione nel grafico?
Quali sono i migliori metalli, come conduzione dell'elettricità,
secondo il grafico?
6. Il primo diagramma che Ashby sviluppò, circa nel 1980, è quello
dei materiali ingegnerizzati (prodotti dall'uomo) con sugli assi il
modulo elastico e la densità. Perché secondo voi scelse proprio
queste due variabili come più “importanti”?
DOMANDE 7-10
7. Devo scegliere se utilizzare per un prodotto un materiale “puro”
(costituito, a meno di difetti, da una sola fase) ed un materiale
ibrido (costituito da due o più fasi). Quali possono essere i
vantaggi e svantaggi dell'uno e dell'altro.
8. Quali sono le differenze principali nell'impiegare come rinforzo di
un composito una fibra “tradizionale” (vetro, carbonio, kevlar) od
una fibra vegetale?
9. Quali possono essere i principali motivi per cui, producendo un
laminato plastico, lo stampo non si riempie completamente?
10. Il fatto di voler produrre una serie limitata oppure invece un
gran numero di pezzi dello stesso oggetto di design influenza la
scelta del materiale e del processo di fabbricazione. Riflettere su
questo concetto, pensando p.es. alla fabbricazione di un tavolo.
DOMANDE 11-13
11. Quali sono le difficoltà concrete che impongono alle
industrie produttrici di polimeri biodegradabili di aggiungere
una “carica” non polimerica al loro prodotto? Perché la
natura non ha bisogno di introdurre nessuna “carica” di
questo genere?
12. La giunzione è un punto di debolezza di ogni oggetto
progettato: quali sono le strategie che si possono mettere
in opera per ridurre o magari eliminare questa debolezza?
13. In che senso il costo per unità di peso di una categoria di
oggetti è un limite per il design? Quali sono gli strumenti
con cui è possibile ovviare a questo limite?
1: MATERIALE ISOTROPO
Sollecitazioni
Capita molto raramente che il materiale
venga sollecitato in modo totalmente uniforme
da tutte le direzioni (in pratica soltanto
nel caso che debba reggere il suo proprio peso)
Modellizzazione
Tuttavia può essere utile immaginare il
materiale come isotropo ed omogeneo
e da lì partire per modellizzare il
comportamento del materiale così da valutare
lo scostamento del materiale dall'”ideale”
Meno punti di criticità
Un materiale quasi-isotropo ha anche
modeste variazioni nei valori di specifica
e presenta quindi spesso una minore
criticità, anche nel caso di applicazioni
“inconsuete” (p.es. seduta in acciaio)
2. STRUTTURE FIBRE NATURALI
Flessibilità dei polimeri
Alternanza e/o sovrapposizione
strutture lineari e ramificate
Passaggio da microstrutture elicoidali
a macrostrutture lineari
Poche tipologie di polimeri
Piante: cellulosa, amido
(quindi polisaccaridi, originati dagli zuccheri)
Animali: proteine
(quindi catene di amminoacidi)
Specificità/
adattabilità
Ogni specie, animale o vegerale, all'interno di un certo
ambiente, produce polimeri leggermente diversi
che consentono un perfetto adattamento, oltre che alle
condizioni reali, anche all'adesivo naturale corrispondente.
Nell'industria dei polimeri sintetici si cerca di
seguire la strada completamente diversa,
quella di avere un materiale chimicamente
ripetibile (es. polipropilene isotattico) in modo
da ottimizzare fusione e stampaggio
3. MATERIALI PROBABILISTICI (WEIBULL)
Specifiche
Tenere presente le deviazioni nel
comportamento del materiale, quindi
non soltanto i valori assoluti, ma
le loro variazioni (es. da produttore a
produttore o a seconda della mescola)
Coefficienti di sicurezza
Compromesso tra costi
e necessità dovute all'utilizzo specifico
Utilizzo
E' essenziale conoscere se il materiale
serve per il riporto su un pezzo oppure
per costruire l'intero componente,
per parti critiche, ecc.
La garanzia su un pezzo od un componente deve rispondere
il più possibile alla probabilità (accettabile ovvero “ripagabile”)
del pezzo di arrivare a rottura durante quel periodo
4. MATERIALI NATURALI
I materiali ceramici naturali sono tra i migliori come modulo elastico, mentre vengono
fortemente superati dalle fibre cellulosiche come resistenza a rottura. Questo suggerisce
l'applicazione dei ceramici dove non sono prevedibili alte deformazioni, ma è richiesta
elevata durezza.
5. CONDUZIONE METALLI
Si vede chiaramente dal diagramma
come i ceramici conducono bene
il calore, ma non l'elettricità,
mentre le gomme ed i polimeri
non conducono bene né l'uno né l'altra
Le proprietà elettriche nei metalli non variano molto, mentre variano molto
quelle termiche. Questo suggerisce che il rame adottato di solito per usi elettrici
può essere in particolari casi sostituito per esempio dall'acciaio, ove si richiedano
migliori proprietà di trafilatura.
6. MODULO ELASTICO – DENSITA'
I diagrammi modulo elastico-densità danno un'idea della resistenza meccanica
specifica di un materiale, cioè di quanto si deformerà un oggetto di un dato
peso, a seconda del materiale con cui è costruito. Questo è essenziale per
capire se un oggetto per un certo utilizzo può essere realizzato con un certo
materiale.
7. IBRIDI
Proprietà “a richiesta”
(tailored)
Gli ibridi consentono di ottenere dei materiali
con dei valori delle proprietà non ottenibili
da singoli materiali (coprono i “vuoti” nei diagrammi
di Ashby)
Maggiore complessità
costruttiva
Bisogna considerare che la tecnologia produttiva
che funziona per un singolo materiale potrebbe
non funzionare per degli ibridi (per esempio la
resina con l'introduzione di fibre cambia profilo
di viscosità)
Presenza di interfacce
(fisicamente disgiunte)
Compatibilità/rigetto
L'interfaccia è sempre un punto di criticità
per un materiale, in particoltare è essenziale
avere un'interfaccia sufficientemente forte,
mentre in natura è un problema che non si pone,
perché, attraverso la struttura gerarchica,
il funzionamento viene garantito con
un'alternanza di zone resistenti e zone più deboli
8. FIBRE SINTETICHE O FIBRE VEGETALI
Diametro
Lunghezza ottenibile
Geometrie “alternative”
Può essere reso costante nelle fibre sintetiche
(sizing), mentre è variabile nelle fibre vegetali
a seconda della modalità di estrazione e del
trattamento adottato.
Mentre nelle fibre sintetiche la lunghezza ottenibile è
(almeno teoricamente) infinita, consentendo la creazione
di bobine e nastri, nelle fibre vegetali la lunghezza è
determinata da quella della pianta da cui la fibra è
estratta.
In tal modo funi sono ottenibili p.es., solo per intreccio di
fibre relativamente corte, ed i processi basati
sull'avvolgimento di bobine sono per ora esclusi.
Al di là dei vantaggi ambientali, i problemi elencati
qui sopra si possono superare predisponendo
delle geometrie di rinforzo alternative più
“rispettose” della funzione strutturale delle fibre
nella pianta.
9. RIEMPIMENTO STAMPO
Viscosità
Dipende dal tipo di comportamento a quella
certa temperatura del polimero utilizzato
(o meglio della mescola di polimeri utilizzati)
(modellizzabile come plastico, pseudoplastico,
dilatante, ecc.)
Reologia
Effetto del profilo di viscosità sullo scorrimento
meccanico del fluido (eventualmente sulla
pressione e portata necessarie per attuare
il flusso)
Corretta progettazione
Sia dello stampo (linearità, corretto flusso)
che del pezzo, in modo da evitare il più possibile
zone di difficile riempimento, profili anomali
che elevano la quantità di scarti ed il costo
del prodotto.
10. SERIE LIMITATA O GRANDE SERIE
(TAVOLO)
Serie limitata
Grande serie
Possibilità anche di utilizzare materiali
per getto o fusione e possibilità eventuale di
rifinitura (p.es. superficiale) in caso di spessor
non uniformi o difetti. Sovradimensionamento
rispetto alle necessità meccaniche.
Uso intensivo di processi di stampaggio con stampi
spesso non “specifici”, ma tipicamente usati nella
filiera.
Impiego di incollaggi industriali per grandi superfici
con applicazioni a spruzzo o simili.
Coefficienti di sicurezza meccanica quanto bastano
(es. gambe che reggono il tavolo solo nella posizione
prevista, in caso di ribaltamento per estensione)
11. POLIMERI BIODEGRADABILI INDUSTRIALI
Stagionalità
Differenti specie
“Intervento” chimico
(empirico)
I polmeri prodotti dall'amido (es. mais)
o dai trigliceridi (es. soia) soffrono
di una stagionalità nell'approvvigionamento.
Una limitata e controllata stagionalità è utile
a livello industriale, ma quando è eccessiva
ha degli effetti nocivi sulla produzione.
Differenti specie producono diversi tipi, p.es.,
di amido, per esempio con diversa dimensione
dei granuli, questo richiede una “correzione”
empirica delle mescole.
Tra l'altro è proprio la differenza fra le specie
che consiglia l'utilizzo di polimeri alternativi,
come l'acido polilattico, di composizione
nota, oppure di nanofibre batteriche,
p.es. di cellulosa o poliesteri (PHA).
La natura non ha bisogno di “cariche” per ottenere i polimeri,
perché, attraverso la gerarchizzazione, “corregge” la composizione
”in corso d'opera”
12. GIUNZIONI
Eliminarle?
L'eliminazione delle giunzioni si può tradurre anche
in un'eccessiva “rigidezza” del pezzo, anche in vista di
un impiego multifunzionale.
Si può tuttavia cercare di capire se le singole giunzionii,
da analizzare una ad una, siano tutte necessarie
per finalità non soltanto estetiche ed espressive.
Selezione accurata
Il metodo di giunzione deve essere collegato col
materiale utilizzato (la natura utilizza giunzioni
“progettate” sul materiale, nel nostro caso è necessario
avere almeno giunzioni che possano funzionare
sul materiale utilizzato (es., verificare che la lega
si possa saldare, che l'adesivo sia efficace sui materiali
scelti, l'effetto della contaminazione sulla giunzione, ecc.)
Reversibilità
Qualunque sia la scelta della giunzione dev'essere
possibile effettuare il disassemblaggio in tempi e
modi ragionevoli (se necessario, anche fornendo
istruzioni dettagliate, nel concetto che la fine vita
appartiene integralmente alla progettazione
dell'oggetto di design)
13. COSTO PER UNITA' DI PESO
Di solito si è vincolati dal costo per
unità di peso di quella classe di
prodotti.
Questo limite è aggirabile se si
introducono p.es., nuove funzioni
accessorie.
In questo caso tuttavia bisogna
verificare che il mercato, inteso sia
nello spazio globale che nel tempo
di vita del prodotto, sia in grado di
recepire l'importanza della nuova
funzione e che alla base ci sia la
possibilità di rispondere ad una
necessità reale, da comunicare
efficacemente.
INDICAZIONI PER IL RIPASSO
Pensando al proprio progetto di design, esercitare una critica
su alcuni aspetti cruciali, in particolare:



Che materiali sono appropriati per produrre questo
specifico oggetto di design, e perché? Collegare le proprie
considerazioni con le proprietà richieste.
Pensare all'oggetto durante il servizio e a fine vita: come
rendere facile la sostituzione di pezzi o il disassemblaggio
con opportune scelte di materiali, giunzioni, processi
produttivi.
Giustificare una presumibile collocazione in una certa
“classe di prezzo” o di mercato, e riflettere su come offrire
un particolare “valore aggiunto” all'oggetto.