CORSI 2021

CORSI AVANZATI

OTTIMIZZAZIONE DI FORMA E PROPRIETÀ DEL MATERIALI: METODI MATEMATICI AVANZATI E STAMPA 3D
12 – 16 aprile

Coordinatori:

Giovanni Noselli(SISSA, Trieste, Italia)
Rodica Toader(Università di Udine, Italia)

La stampa 3D, o produzione additiva PA, ha reso possibile la realizzazione di singoli componenti caratterizzati da una complessità non raggiungibile con le tecnologie tradizionali. Rappresenta quindi un passo avanti verso l'ottimizzazione delle forme, il risparmio dei materiali, e la riduzione dei costi e dell'impatto ambientale. Mentre la PA viene continuamente migliorata, molti sforzi di ricerca sono dedicata alla progettazione ottimale di materiali compositi con microstrutture caratterizzate da proprietà superiori a quelle dei materiali naturali.
Il corso illustra alcuni strumenti matematici avanzati per modellare i comportamenti elastico e anelastico dei solidi, e le applicazioni della PA alle tecnologie ingegneristiche. Tra gli strumenti matematici, la tecnica della gamma-convergenza facilita l'omogeneizzazione delle proprietà dei materiali compositi, e giustifica l'uso di modelli continui anche in presenza di crepe nei materiali fragili. Un altro strumento matematico, la topologia (ovvero lo studio delle proprietà geometriche che non cambiano in presenza di deformazioni senza "strappi", "sovrapposizioni" o "incollature") facilita l'ottimizzazione delle forme.
Particolare attenzione è dedicata all'analisi delle proprietà meccaniche dei materiali e delle strutture ottenute con questi metodi, nonché allo studio dei fenomeni di instabilità nei compositi a struttura periodica, e alla propagazione delle onde elastiche nelle microstrutture. L’obiettivo è la determinazione del comportamento effettivo dei solidi eterogenei in presenza di fratture, in vista dell’applicazione della stampa 3D alla progettazione di materiali con comportamento migliorato in presenza di fratture. In tale contesto si discuterà anche della possibile utilizzazione di metodi numerici.

TEORIE AVANZATE SULLA DEFORMAZIONE, IL DANNEGGIAMENTO E LA ROTTURA DEI MATERIALI
3 – 7 maggio

Coordinatori:

Holm Altenback(Università Otto von Guericke, Magdeburgo, Germania)
Artur Ganczarski(Università Tecnologica di Cracovia, Polonia)

Le simulazioni numeriche stanno diventando uno strumento indispensabile in molte applicazioni riguardanti lavorazione, produzione e prestazioni di materiali metallici e compositi. Tali simulazioni si basano su modelli costituivi che devono tener conto dei meccanismi fisici e dei coefficienti numerici necessari per l'identificazione dei comportamenti caratteristici di ciascun materiale. Per contro, una descrizione puramente statistica che colleghi lo stato di un materiale a un insieme di dati, porta a un'estrapolazione inaffidabile a stati non inclusi nella base di dati. (Nota: osservazione critica nei confronti dell'approccio descritto nel corso precedente ma, naturalmente, l'approccio statistico è tanto più affidabile quanto più ampia è la base di dati e, in tempi di "big data", la base è destinata ad estendersi).
Altre considerazioni sui modelli costitutivi includono la scala di descrizione del materiale, la dimensione della struttura e il tempo di calcolo necessario. La scala è dettata dalla più piccola informazione strutturale necessaria per caratterizzare un prodotto, ad esempio la meso-scala legata alla dimensione dei grani. In alcune situazioni, tuttavia, possono essere necessarie informazioni su micro-scale, ad esempio per la fabbricazione di micro-dispositivi.
Il corso si concentra sulla descrizione degli stati critici (deformazione, danneggiamento e rottura) dei materiali metallici e compositi avanzati. L'approccio adottato è basato sulla meccanica dei continui ma incorpora le informazioni legate alle scale più piccole mediante tecniche di omogeneizzazione. I risultati raggiunti vengono illustrati da una serie di esempi di applicazione a casi di interesse pratico.

FISICA DELLE SOSPENSIONI GRANULARI: MICRO-MECCANICA DEI DEFLUSSI GEOFISICI
14 – 18 giugno

Coordinatori:

Marco Mazzuoli(Università di Genova, Italia)
Laurent Lacaze(Istituto di Meccanica dei Fluidi IMFT-CNRS, Tolosa, Francia)

Il corso illustra i più recenti progressi teorici, sperimentali e numerici nella modellizzazione delle sospensioni granulari di particelle. La ricerca è motivata dal crescente interesse scientifico e ingegneristico per i deflussi geofisici legati ai cambiamenti climatici, e dal grande impatto sulle attività socio-economiche dei sempre più numerosi eventi idrogeologici catastrofici. Un’attenzione particolare è riservata ai deflussi di detriti trasportati dai venti e dall’acqua, ai deflussi iperconcentrati, alle correnti torbide subacquee, ai movimenti striscianti e fluidi del suolo nelle frane, e al trasporto di sedimenti nei fiumi e lungo le rive dei laghi e dell'oceano, sia sul fondo sia in sospensione. La presenza di un liquido che saturi gli interstizi fra le particelle fa sì che la miscela presenti comportamenti tipici dei fluidi viscosi o dei flussi granulari densi. Tali comportamenti dipendono dalla concentrazione di particelle, dalle velocità relative tra le particelle e dalle proprietà elettrochimiche dei componenti della miscela. Lo scopo del corso, tuttavia, è lo studio del solo problema idraulico nelle ipotesi semplificative di fluido acqua e di particelle in sospensione rugose e inerti (non colloidali e non adesive). Per completezza, comunque, è previsto anche un breve excursus sulla reologia delle sospensioni complesse.
Nella soluzione dei problemi sono possibili approcci continui basati su modelli a una fase sola, ovvero a "singolo fluido efficace", o a due fasi basati sull’impiego della teoria delle miscele. In alternativa, sono possibili approcci discreti, che richiedono l'uso di metodi numerici per descrivere il comportamento delle singole particelle e devono, di conseguenza, essere ripetuti per ogni particella trasportata dal fluido. A conclusione del corso, i modelli proposti sono applicati ai deflussi geofisici ed i risultati ottenuti sono discussi criticamente.

METAMATERIALI IN ACUSTICA, ELASTODYNAMICA ED ELETTROMAGNETISMO
12 – 16 luglio

Coordinatori:

Habib Ammari(Scuola Politecnica Federale ETH, Zurigo, Svizzera)
Agnès Maurel(Istituto Langevin, Parigi, Francia)

Negli ultimi anni si è avuta una rivoluzione in fisica e ingegneria legata alla produzione di metamateriali e metasuperfici con l'obiettivo di raggiungere il pieno controllo delle onde acustiche, elastiche ed elettromagnetiche. Ciò è stato possibile concependo e progettando nuovi materiali, i metamateriali appunto, il cui comportamento macroscopico deriva da una struttura specifica, spesso periodica su scala microscopica, piuttosto che direttamente dalla composizione chimica. Materiali di questo tipo hanno trovato numerose applicazioni pratiche tra le quali la mascheratura e la curvatura dei raggi luminosi, l'imaging medico (in questo caso ecografie e risonanze magnetiche), la schermatura, e l'assorbimento perfetto delle onde.
In acustica, un esempio ben noto sono i vasi utilizzati negli antichi teatri greci, e in seguito nelle chiese e nelle moschee, per controllare l'acustica dei luoghi: questi vasi sono dei risonatori di Helmholtz e oggi sono utilizzati per l'insonorizzazione delle pareti edilizie.
Esempi più recenti di tecnologie semplici per il controllo delle onde sono la realizzazione di cunei antismici formati da una foresta di alberi in grado di convertire le onde di superficie in onde di volume che si propagano principalmente verso il basso. Un altro esempio è la realizzazione di frangiflutti per proteggere i litorali.
Lo scopo del corso è l'introduzione a tecniche avanzate per la progettazione di metamateriali fornendo, insieme, gli strumenti matematici in grado di spiegare le proprietà osservate e di ottimizzare le proprietà stesse. Particolare attenzione è rivolta alla presentazione di applicazioni pratiche che illustrano il funzionamento e l'efficacia delle tecniche introdotte e preparano il terreno a nuove possibili applicazioni in acustica, elastodinamica ed elettromagnetismo. Tenendo conto di questi obiettivi, durante il corso saranno illustrati sia studi sperimentali a carattere accademico sia dispositivi commerciali.

MECCANICA DELLE CELLULE E DEI TESSUTI OSSEI
6 – 10 settembre

Coordinatore:

Bert van Rietberger(Università Tecnologica di Eindhoven, Paesi Bassi)

L’osso è un materiale molto interessante: resistente eppure leggero, si adatta alle variazioni di carico, dura per l’intera vita e si auto-ripara dopo una frattura. Nonostante i progressi compiuti dalla biologia, i processi di formazione e rimozione dei tessuti ossei non sono ancora pienamente compresi, soprattutto per quel che riguarda i meccanismi di controllo e l’influenza dei carichi meccanici sul rimodellamento osseo. L’obiettivo del corso, infatti, è quello di illustrare lo stato delle conoscenze su questi argomenti, con riferimento ai tre diversi livelli di organizzazione dell’osso: organo, tessuto e cellule. Il corso è di natura multidisciplinare e include argomenti come la biologia dell’osso, le tecniche di produzione di immagini e i modelli computazionali.
A livello d’organo, l’obiettivo è valutare la resistenza ossea mediante metodologie di visualizzazione e simulazione numerica. A questo livello, il rimodellamento è, spesso, considerato un processo di ottimizzazione che adatta la densità e la forma dell’osso alle condizioni di carico meccanico. Sono, tuttavia, in corso ricerche che spiegano anche i meccanismi di tale adattamento.
A livello di tessuto, l’osso è caratterizzato da strutture porose tridimensionali molto complesse, che hanno la capacità di adattarsi a carichi meccanici variabili in un ampio intervallo. Grazie alle metodologie di visualizzazione “in vivo” e di modellizzazione tridimensionale resesi disponibili negli ultimi due decenni, è stato possibile formulare descrizioni attendibili di questi processi di adattamento, e dell’influenza esercitata su di essi da diverse patologie.
A livello cellulare, sono discusse le teorie più promettenti per spiegare come l’influenza dei carichi sia percepita dalle cellule attraverso sensori molecolari che consentono la trasmissione dei segnali. A questo livello, anche la porosità del tessuto osseo diventa un fattore importante, poiché si presume che il fluido interno svolga un ruolo di primo piano nel sistema meccano-sensoriale rendendo possibile, appunto, la trasmissione dei segnali in un ambiente liquido.
A livello sistemico, infine, un fattore di progresso importante sono le tecniche, disponibili da alcuni anni, per la visualizzazione di micro-strutture, e le tecniche per stimolare e manipolare le cellule come, ad esempio, i dispositivi micro-fluidici impiegati nello studio della meccano-biologia delle cellule ossee. Altrettanto importanti sono i metodi di stampa tridimensionale degli impianti di stimolazione ossea, e le procedure di ingegneria tissutale per la realizzazione di modelli tridimensionali delle ossa stesse personalizzati per ogni singolo paziente.

BATTTERIE – BASI FISICHE, INDAGINI SPERIMENTALI E MODELLIZZAZIONE MULTISCALA
20 – 24 settembre

Coordinatori:

Arnulf Latz(Agenzia Spaziale Tedesca presso l’Istituto Helmotz di Ulm per l’Accumulo Elettrochimico di Energia, Germania)
Wolfgang A. Wall(Università Tecnica di Monaco, Germania)

Le batterie sono componenti chiave di un futuro sistema energetico volto a soddisfare le richieste di energia elettrica, calore e mobilità, ricorrendo a fonti primarie rinnovabili che variano nel tempo in modo imprevedibile e non programmabile. Ovviamente, a seconda delle applicazioni cambiano considerevolmente le prestazioni richieste alle batterie sia per quanto riguarda densità di energia e potenza (cioè energia contenuta e potenza erogabile per unità di volume), sia per quanto riguarda livelli di sicurezza e vita media utile.
Di qui la necessità di mettere a punto metodi di ottimizzazione per bilanciare richieste come alte prestazioni, dimensioni ridotte ed elevati livelli elevati di sicurezza che possono apparire difficilmente conciliabili. In questo quadro, la necessità di ridurre i tempi necessari per la progettazione di nuove batterie e la messa a punto di materiali innovativi per l’accumulo di energia, richiedono strategie di sviluppo razionali e fondate sulla conoscenza che, a loro volta, si basino sull’impiego di procedure di modellizzazione collaudate e metodi di calcolo affidabili.
L’obiettivo finale delle ricerche in questo settore è la descrizione matematica di tutti i processi elettrochimici, fisici e meccanici che condizionano il funzionamento delle batterie, ricorrendo a modelli teorici multiscala. Questi modelli sono volti a mettere in relazione ciò che accade ai livelli micro, meso e macro partendo dalle dimensioni atomiche dei processi elettrochimici ed arrivando alle dimensioni sistemiche dei processi di accumulo dell’energia e di erogazione della potenza elettrica. A tal fine, il corso presenta lo stato dell’arte della modellizzazione multiscala ed è completato da una panoramica sulle tecniche sperimentali di misurazione delle prestazioni delle batterie che, oltre ad avere un interesse pratico, consentono di validare i modelli di previsione teorici e le simulazioni numeriche che su di esse si fondano.

MECCANICA COMPUTAZIONALE PER LA PROGETTAZIONE INNOVATIVA DI MATERIALI AVANZATI
4 – 8 ottobre

Coordinatori:

Michele Marino(Università Leibniz di Hannover, Germania)
Jörg Schörder(Università di Duisburg-Essen, Germania)

I più recenti progressi tecnologici aprono la via all’ottimizzazione del comportamento funzionale delle strutture, includendo una fase di progettazione dei materiali impiegati. Ad esempio, la produzione additiva, ovvero la stampa tridimensionale, consente un controllo più efficace delle forme e rende possibile la scelta di componenti e la progettazione della struttura dei materiali utilizzati.
La nuova procedura di progettazione, però, richiede: 1) scelte opportune della micro/nano-struttura dei materiali, 2) nuovi metodi di ottimizzazione forme, e 3) nuove tecniche di fabbricazione. La combinazione di più materiali, con differenti risposte elastiche e anelastiche è, di per sé, una strategia stimolante che potrebbe portare a nuove classi di comportamenti intelligenti. Quest'ultimo approccio, ad esempio, ha riscontri in natura dal momento che i tessuti organici sono ottimizzati gerarchicamente attraverso vari meccanismi chemio-biologici.
Le tecniche assistite da computer consentono di accelerare e ridurre i costi delle procedure di ottimizzazione della struttura e delle forme dei materiali. L’accuratezza delle simulazioni numeriche, tuttavia, è fortemente influenzata dall'accuratezza e dall’affidabilità dei modelli costitutivi (ovvero dei modelli di comportamento dei materiali). Pertanto, lo sviluppo di approcci computazionali avanzati è associato al raggiungimento di un equilibrio delicato tra
precisione, robustezza e costi. Per raggiungere questo equilibrio, è essenziale una solida comprensione degli aspetti metodologici e una vasta conoscenza degli strumenti disponibili.
Lo scopo del corso è presentare lo "stato dell'arte" e delineare le direzioni future degli "approcci computazionali per l'analisi della meccanica dei materiali" al fine di "fornire una prospettiva moderna sugli strumenti che sono e saranno disponibili per la progettazione di materiali avanzati".
La prima difficoltà da affrontare è l'omogeneizzazione delle proprietà risultanti dall’impiego di più materiali, e richiede analisi multi-scala e multi-fisiche. I materiali per le moderne esigenze ingegneristiche devono essere progettati per le applicazioni, spesso innovative, ed è facile prevedere che saranno metamateriali, che andranno dagli idrogeli intelligenti ai compositi magneto-meccanicamente accoppiati, fino ai MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems, ovvero Micro Sistemi Elettro-Meccanici). Gli approcci teorici e metodologici descritti consentiranno di discutere gli aspetti fondamentali del processo di produzione del materiale dalla progettazione, all'ottimizzazione delle forme, sino alla produzione.

PRODUZIONE ADDITIVA IN METALLO: FONDAMENTI, MODELLIZZAZIONE, MATERIALI E IMPLEMENTAZIONE
18 – 22 ottobre

Coordinatori:

Cristoph Meier(Università Tecnica di Monaco, Germania)
A. John Hart(MIT - Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA)

(Produzione Additiva - PA è il nome dato alle tecnologie di fabbricazione nelle quali il materiale viene aggiunto strato per strato, senza la necessità di fonderlo in stampi o rimuoverlo da una forma grezza. Per questo la PA viene indicata anche con il nome di Stampa 3D). La PA in metallo offre la massima flessibilità, una libertà di progettazione pressoché illimitata e la possibilità di controllare punto per punto la microstruttura e le proprietà meccaniche dei manufatti. Tuttavia, una scelta non ottimale dei parametri di processo porta spesso a elevate tensioni residue, deformazioni dimensionali, porosità, microstrutture indesiderate e, persino, a guasti del pezzo durante la produzione. Il corso illustra i fondamenti fisici della PA in metallo fornendo, nel contempo, le basi fisiche per la modellizzazione e simulazione dei processi su più scale, per la scelta dei materiali, e per l'implementazione e il controllo dei processi.
Attualmente, i processi di PA in metallo più diffusi sono la fusione a letto di polvere ottenuta, impiegando, ad esempio, un laser ad alta potenza nelle varianti SLM (Selective Laser Manufacturing) e SLS (Sinterizzazione Laser Selettiva), oppure un fascio di elettroni convogliato sull'obiettivo EBM (Electron Beam Manufacturing), o focalizzando sull'obiettivo una sorgente di energia ad alta potenza come una torcia la plasma DED (Direct Energy Deposition). Nei prodotti, il problema più serio sono i difetti che vanno rilevati mediante tecnologie "in situ" (come la Tomografia Computerizzata-CT a raggi X) o "ex situ" (come il monitoraggio della densità ed il controllo della geometria). Per la progettazione è necessaria una conoscenza approfondita dei processi di solidificazione e di formazione delle micro-strutture quale presupposto all'impiego dei modelli di simulazione finalizzati alla previsione di tensioni residue di origine meccanica o termica ed all'insorgere di deformazioni dimensionali.

CORSI APT (ADDESTRAMENTO PROFESSIONALE AVANZATO) INTERNAZIONALI

MECCANICA COMPUTAZIONALE DISCRETA DELLE STRUTTURE IN MURATURAMECCANICA COMPUTAZIONALE DISCRETA DELLE STRUTTURE IN MURATURA
26 – 30 luglio

Coordinatori:

Katalin Bagi(Università Economica e Tecnologica di Budapest, Ungheria)
Maurizio Angelillo(Università di Salerno, Italia)

(A differenza della formulazione continua, quella discretizzata suddivide la struttura in blocchi rigidi collegati ai confini). La formulazione discretizzata descrive molto bene le strutture in muratura che sono effettivamente costituite da blocchi solidi collegati a secco o legati con malte di diverse composizioni. Tali strutture appaiono ovunque intorno a noi e la valutazione della loro integrità pone serie sfide perché i metodi di calcolo tradizionali, basati su formulazioni continue, non sempre conducono a risultati attendibili. Ciò succede, ad esempio, quando le rotture sono collegate a effetti locali come crepe che si aprono tra i conci (ovvero tra i blocchi di pietra squadrata), o come la fuoriuscita di singoli conci dal muro. In questi ultimi casi il comportamento può essere meglio descritto considerando la struttura come un insieme di corpi collegati ai confini, ovvero applicando i metodi della meccanica computazionale discreta.
L’obiettivo del corso è fornire un'introduzione dettagliata alla meccanica computazionale discreta illustrandone sia i vantaggi sia i limiti. Pur senza entrare in dettagli troppo specialistici sulle descrizioni di procedure come la statica grafica computerizzata, il metodo degli elementi discreti DEM, o i modelli a blocchi soggetti a fessurazioni parziali (“blocky models”) è opportuno ricordare che il corso dedica un’attenzione particolare al comportamento dinamico delle strutture in muratura. Le strutture in muratura, infatti, sono molto sensibili ai terremoti e, di conseguenza, l'analisi sismica è una questione cruciale nella valutazione del loro comportamento. In caso di terremoto, ad esempio, lo scorrimento de contatti e lo smorzamento delle sollecitazioni sono meccanismi importanti per la dissipazione di energia e la capacità di adattarsi agli spostamenti del terreno. Per questo, diverse lezioni saranno dedicate allo smorzamento e alle dinamiche dei grandi spostamenti che caratterizzano il collasso delle strutture in muratura durante i terremoti.