Titolo del Progetto di Ricerca

Caratterizzazione tecnologica e modellazione del comportamento reologico di materiali metallici innovativi per la realizzazione di componenti altamente personalizzati

Technological characterization and rheological behavior modeling of advanced metallic materials to produce highly customized components

Descrizione sintetica dei contenuti

Il progetto prevede lo studio di materiali reputati interessanti per la realizzazione di componenti con geometria molto complessa e destinati, in particolare, al campo biomedicale, come per esempio le leghe di Titanio e di Magnesio. Nello specifico, nel caso delle leghe di Titanio l’attenzione sarà focalizzata sulla lega Ti-6Al-4V che, inizialmente sotto forma di polvere, una volta compattata tramite  pressatura isostatica a caldo e quindi sottoposta a trattamento termico, sviluppa una struttura porosa; nel caso delle leghe di Magnesio, invece, l’attenzione sarà focalizzata principalmente su leghe commerciali (come per es. la AZ31B) ed eventualmente su leghe specificamente sviluppate in maniera tale da presentare sia biocompatibilità che resistenza all’ossidazione, quando in contatto con fluidi organici.

Il lavoro di ricerca si esplica su 3 fasi, intimamente interconnesse tra loro:

1. Definizione delle proprietà tecnologiche di materiali di interesse biomedicale, particolarmente focalizzata sul Titanio poroso e sulle leghe di Magnesio, attraverso sia analisi micro e macro-strutturali che la definizione di specifiche metodologie sperimentali che prevedano l’utilizzo di attrezzature appositamente progettate;
2. Studio dei parametri del processo utilizzato per la produzione del componente; nel caso del Titanio poroso, utilizzando le metodologie messe a punto, verranno investigati il processo di schiumatura del Titanio, quello di unione al substrato mediante saldatura per diffusione, nonché quello di deformazione plastica a caldo (eventualmente combinato con i precedenti); nel caso della lega di Magnesio, verrà investigato il processo (o la combinazione di più processi) di deformazione plastica per la realizzazione del componente finale avente geometria complessa, confrontandolo eventualmente con processi di produzione alternativi e più classici (per es. casting).
3. Modellazione del comportamento del materiale tramite lo sviluppo di modelli reologici adatti agli specifici materiali oggetto di studio (leghe di Titanio e di Magnesio)

The research project involves the study of materials which are considered suitable and interesting for manufacturing components characterized by a complicated geometry and, in particular, used in the biomedical field, such as for example Titanium and Magnesium alloys. In the case of Titanium alloys, the attention will be focused on the alloy Ti-6Al-4V (powder) which will be compacted by hot isostatic pressing process and then subjected to heat treatments in order to create a porous structure; in the case of Magnesium alloys, the attention will be mainly focused on commercial alloys (such as AZ31B) and, if this should be possible, on advanced Magnesium alloys developed to emphasize both the biocompatibility and the corrosion resistance.

The research work will be divided in 3 phases, intimately interconnected.

i. Evaluation of technological properties of materials for biomedical applications, focusing the attention on the above mentioned alloys (Titanium and Magnesium), through both micro and macro-structural analyses and by using specific (properly designed) experimental equipment.

ii. Study of process parameters adopted for the final component manufacturing; with reference to porous Titanium alloy, using the developed methodologies, foaming process, diffusion bonding process aimed at welding the foamed Titanium to the substrate, as well as hot plastic deformation (possibly combined with the previous ones), will be investigated; in the case of the Magnesium alloy, in order to manufacture the final component with complex geometry, plastic deformation process (or a combination of different processes) will be investigated and eventually compared to conventional manufacturing processes (for example: casting).

iii. Material modeling by means of suitable rheological models (Titanium and Magnesium alloys).

Campo principale di ricerca

Caratterizzazione tecnologica dei materiali

Technological characterization of materials

Sotto-campo di ricerca

Definizione di modelli reologici di materiali innovativi per applicazioni biomedicali

Evaluation of rheological models for biomedical applications

Eventuale impegno didattico

Eventuale assegnazione di fino a 6 CFU (per un massimo di 60 ore di didattica frontale) in insegnamenti afferenti al SSD ING-IND/16.

Possible assignment up to 6 credits (for a maximum of 60 hours of lectures) of courses covered by ING-IND/16.

Competenze richieste

(i) analisi al microscopio ottico ed elettronico, comprese le procedure per la preparativa dei campioni; (ii) conoscenza approfondita dei processi produttivi, in particolare di deformazione plastica e di fonderia; (iii) capacità di progettare, condurre ed elaborare dati derivanti da varie tipologie di test, quali quello di formabilità (sia a freddo che a caldo), di bulge, anche a temperatura elevata, di simulazione fisica; (iv) applicazione di trattamenti localizzati per la modifica delle caratteristiche del materiale mediante utilizzo di laser e di sistema di riscaldamento ad induzione; (v) capacità di progettare, condurre e ed elaborare dati derivanti da test con macchinari avanzati, quali pressa per prove ad elevata temperatura e macchina laser; (vi) capacità di progettare e condurre test specifici per la caratterizzazione dei materiali.

(i) analysis using light and electron microscopy, including the techniques for the sample preparation; (ii) excellent knowledge of manufacturing processes, with particular reference to metal forming and casting processes.; (iii) ability to design, perform and analyze data from different types of tests, such as formability tests (both at room temperature and under hot conditions), bulge tests, even at high temperatures, and physical simulation tests; (iv) localized heat treatments aimed at modifying material properties by means of lasers and induction heating system; (v) capability to design, conduct and analyze data from tests with advanced equipment, such as the high temperature press machine and the laser machine; (vi) capability to design and perform specific characterization tests.

Esperienze di ricerca richieste

Esperienze di ricerca (documentate tramite sia partecipazione a progetti di ricerca che produzione scientifica) relativamente a: (i) processi manifatturieri, ed in particolare di Formatura Incrementale, di Formatura Superplastica, di Idroformatura, di Stampaggio (in particolare a caldo), di Sand casting e di High Pressure Die Casting; (ii) sviluppo di modelli reologici per materiali metallici, in particolare leghe di Titanio e di Magnesio; (iii) caratterizzazione del comportamento meccanico/deformativo, soprattutto tramite metodologie innovative e con particolare focus alle di leghe di Titanio e di Magnesio; (iv) studio di processi di giunzione innovativi per leghe di Titanio e di Magnesio.

Research experiences (documented by the participation to research projects and by the publication of papers in international journals) concerning: (i) manufacturing processes and, in particular, Incremental Forming, Superplastic Forming, Hydroforming, Sheet metal stamping (especially at elevated temperature), sand casting and High Pressure Die Casting; (ii) development of rheological models for metallic materials with particular reference to the Titanium and Magnesium alloys; (iii) mechanical characterization and deformation behavior evaluation, especially by means of innovative methodologies and focused on Titanium and Magnesium alloys; (iv) study of innovative joining processes for Titanium and Magnesium alloys.

Competenze informatiche richieste

Ottima conoscenza dei codici commerciali ProCAST ed Abaqus per la simulazione numerica dei processi manifatturieri; ottima conoscenza dell’ambiente di programmazione e gestione del sistema Gleeble; ottima conoscenza dell’ambiente di ottimizzazione modeFRONTIER; ottima conoscenza del pacchetto office

Excellent knowledge of ProCAST and Abaqus commercial codes to numerically simulate manufacturing processes; excellent knowledge, in terms of both programming and management of the Gleeble system; excellent knowledge of the modeFRONTIER optimization environment; excellent knowledge of MS Office