Diapositiva 1 - Dmfci - Università degli Studi di Catania

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
“TECNOLOGIE DI CHIMICA APPLICATA”
FEDERICO GRASSO
CARMELO CALABRETTA
“I MATERIALI COMPOSITI
NEI MEZZI DI TRASPORTO”
Relatore:
Prof. G. Siracusa
Argomenti Trattati
I. Generalità sui materiali compositi
II. Caratterizzazione meccanica
III. Processi tecnologici
IV. Applicazioni aeronautiche
V. Applicazioni nell’automobilismo
VI. Applicazioni nel settore nautico
VII. Applicazioni nel settore ferroviario
I. Generalità sui Compositi
Gli antichi egizi erano soliti miscelare la paglia con il fango al
fine di ottenere mattoni da costruzione più resistenti e meno
fragili di quelli costituiti dal solo fango.
Un materiale composito è una combinazione di due o più
componenti che contribuiscono mutuamente a fornire
proprietà meccaniche e fisiche superiori a quelle dei suoi
singoli costituenti.
Concetto del “Materiale su Misura”
1. Matrice
Costituenti
2. Materiale di rinforzo
3. Interfaccia
Classificazione
Meccanismo di resistenza
Tipo di matrice
Compositi Plastici
Compositi Metallici
Compositi Ceramici
Matrici Polimeriche
Matrici termoindurenti
Matrici termoplastiche
A livello molecolare si ha la formazione di un reticolo tridimensionale
tenuto insieme da forti legami covalenti ⇒ un polimero termoindurente non può essere più fuso e riformato mediante fornitura di calore o pressione.
Tra le singole molecole ci sono dei
legami secondari come le forze di
Van der Waals e legami di tipo
idrogeno ⇒ un polimero termoplastico può essere ammorbidito col
calore, fuso e riformato tutte le
volte che lo si desidera.
Resine
•
•
•
•
Epossidiche
Poliestere
Fenoliche
Siliconiche
Polimeri
Amorfi
Semicristallini
Matrici polimeriche termoindurenti
Processo di Curing
La resina allo stato fluido subisce una serie di trasformazioni passando per
uno stato gelificato, uno gommoso sino a passare allo stato vetroso.
Temperatura max di
transizione vetrosa
Temperatura per cui
gelificazione e vetrificazione avvengono in
simultanea
Temperatura di
transizione vetrosa
Matrici polimeriche termoplastiche
Polimeri Amorfi
Non esiste un preciso punto di fusione:
il materiale passa gradatamente dallo
stato solido vetroso, attraverso quello
viscoso, allo stato fluido.
Polimeri Semicristallini
L’intervallo di lavorazione è limitato a
pochi gradi sopra la temperatura di
fusione Tm per non innescare fenomeni
di degradazione termica.
Matrici polimeriche termoplastiche
Matrici non polimeriche
MATRICI METALLICHE
I materiali che formano la matrice possono essere:
allumino, titanio, magnesio, zirconio, tungsteno; sono
adatti per applicazioni ad elevate temperature (300-500°C)
come per es. la fusoliera dello Space Shuttle.
MATRICI CERAMICHE
I materiali che formano la matrice possono essere:
allumina, carburo di silicio, nitruro di silicio; sono adatti per
applicazioni ad elevate temperature ma sono fragili.
Esempi di utilizzi sono: i dischi dei freni, barriere termiche.
Le Fibre
Esistono diversi tipi di fibre la cui diffusione è legata soprattutto al costo
¾
¾
¾
¾
FIBRE DI VETRO
FIBRE DI CARBONIO
FIBRE ARAMIDICHE
FIBRE DI BORO
Fibre di Vetro
La fragilità del vetro comune è dovuta al gran numero di difetti della
cristallizzazione che agiscono come microfratture e zone di concentrazione
degli sforzi. Se esso, invece, viene filato a diametri dell’ordine inferiore al
decimo di millimetro raggiunge elevate resistenze meccaniche.
Le fibre di vetro sono largamente
utilizzate nella produzione di compositi strutturali nel campo dei mezzi di
trasporto. Esse sono sempre associate a matrici polimeriche.
Parti e carene di moto
Fibre di Carbonio
Le elevate proprietà meccaniche delle fibre di carbonio derivano dalla
particolare struttura cristallina della grafite. Un cristallo di grafite, ha una
struttura composta da strati sovrapposti di piani costituiti da atomi di
carbonio. I legami fra gli stessi atomi dello stesso piano sono forti (legami
covalenti) mentre quelli fra atomi di piani differenti sono relativamente
deboli (legami Van der Waals): è evidente come i cristalli siano strutture
fortemente anisotrope e sarà compito del processo di fabbricazione
disporre la struttura cristallina nella direzione voluta.
Fibre Aramidiche
Il Nomex presenta una resistenza
stupefacente al calore e alla fiamma ed è un ottimo isolante elettrico. Sui circuiti della F1 Lauda e
Berger, tra i piloti più famosi, sono
sopravvissuti agli incendi delle loro monoposto grazie alle tute in
Nomex.
Il Kevlar oltre a possedere le
caratteristiche del Nomex,
presenta resistenza e rigidità
sorprendenti. A parità di peso
è cinque volte più resistente
dell’acciaio.
NOMEX
KEVLAR
Fibre di Boro
Le fibre di boro si ottengono mediante un procedimento che prevede la
deposizione di vapore di boro su una sottile fibra di tungsteno che fa da
supporto per la deposizione, quindi anche la fibra può essere considerata
un materiale composito.
Le fibre di boro presentano proprietà
meccaniche di gran lunga superiori a
quelle dell’acciaio e delle altre fibre
normalmente usate, purtroppo il metodo stesso di fabbricazione pone dei
problemi di costo.
II. La Meccanica dei Compositi
Lo studio dei materiali compositi può essere intrapreso attraverso due
punti di vista: la micromeccanica e la macromeccanica.
Micromeccanica
Si interessa di determinare i moduli elastici della lamina partendo da quelli dei singoli costituenti (fibra e matrice). Si fonda
sull’ipotesi di considerare pertamente unite tra loro la fibra e
la matrice; un’unione imperfetta
comporta che al materiale competano proprietà “degradate” rispetto a quelle teorizzate.
Macromeccanica
È lo studio del laminato, valutato come composizione dei comportamenti macroscopici delle
singole lamine costituenti.
Partendo dai valori delle costanti elastiche di ciascuna lamina
possiamo calcolare le proprietà
meccaniche dell’intero laminato
costituito da lamine comunque
disposte.
La Micromeccanica
Una lamina composita può essere
schematizzata come un insieme
costituito da fibre lunghe a sezione
circolare parallele ed equispaziate
all’interno di una matrice.
Comportamento Ortotropo
L’applicazione di un carico di trazione ad un elemento in materiale anisotropo produce deformazioni e
scorrimenti variabili lungo tutti i lati;
invece, se il materiale è ortotropo
esistono tre direzioni mutuamente
ortogonali dove si produce, come per
un isotropo, una deformazione costante senza distorsioni nei piani da
queste individuati.
Il comportamento elastico di una lamina è definito
completamente da quattro costanti elastiche:
• E1 modulo di Young in direzione longitudinale;
• E2 modulo di Young in direzione trasversale;
• G12 modulo di elasticità al taglio;
• ν12 coefficiente di Poisson.
Rapporti volumetrici
Rapporti ponderali
Densità
Lamina
Quella appena calcolata è la densità teorica che non corrisponde esattamente a quella misurata sperimentalmente per via di possibili vuoti presenti.
Compositi di buona qualità
Vv ≤ 1%
Compositi di bassa qualità
1% < Vv ≤ 5%
Calcolo di E1
Ipotesi di isodeformazione (εf=εm=εc=ε)
Si ipotizza la perfetta adesione fibra-matrice il che comporta deformazioni,
nella direzione delle fibre, uguali sia nelle fibre che nella matrice.
Le sezioni normali all’asse rimangono piane
Nell’ipotesi che fibra e matrice abbiano un comportamento elastico lineare
Questa equazione è conosciuta come “Regola delle miscele”
E m < Ec < E f
Utilizzando la legge di Hooke vediamo come si ripartisce il carico tra fibra
e matrice.
Sovente si fa riferimento al
rapporto carico fibra/carico
composito
Il rapporto Pf /Pc tende ad
uno anche per concentrazioni
delle fibre non elevate, purché il rapporto tra i moduli di
Young sia alto.
Nel caso della vetroresina
Ef/Em≈20
⇒
Pf/Pc>75%
anche con Vf≈15%.
Calcolo di E2
Ipotesi di isosforzo (σf=σm=σc=σ)
Si assume che l’area perpendicolare
allo sforzo non si deformi e che la
lunghezza del composito sia unitaria.
A differenza di quanto accade per il modulo elastico longitudinale E1, il
modulo di elasticità trasversale E2 è legato a quello della matrice e delle
fibre da una relazione non lineare. In pratica è l’inverso del modulo E2 ad
obbedire alla “regola delle miscele”.
L’ipotesi che fibre e matrice siano
sottoposti alla medesima tensione è
in realtà approssimata, in quanto in
una generica sezione trasversale della
lamina il carico si distribuisce tra i due
componenti in maniera differente.
Una migliore stima del modulo di E2,
può essere ottenuta con modelli
teorici più complessi o con metodi
numerici.
Calcolo di ν12
Si considera uno stato monoassiale di tensione longitudinale
Calcolo di G12
Si ipotizza che la tensione tangenziale τ12 sia sentita
in ugual misura sia dalla fibra che dalla matrice.
(deformazione angolare)
(spostamento totale)
Resistenza a Trazione Longitudinale
Nel caso di fibre fragili la rottura di una lamina avviene quando la deformazione raggiunge il valore limite di rottura delle fibre; nel caso, invece,
di fibre duttili gli sforzi di compressione che la matrice esercita ostacolano
e rallentano la rottura delle fibre rispetto alla condizione di fibra singola.
Si ipotizzi che la rottura della lamina
coincida con quella delle fibre.
(concentrazione minima di fibre
tale che la rottura della lamina
coincida con quella delle fibre)
Se Vf<Vf,min la presenza
delle fibre non costituisce affatto nessun rinforzo per la matrice
V f < V f ,min
La resistenza dipende dalla deformazione della matrice ed è minore di quella della matrice.
V f ,min ≤ V f ≤ V f ,crit
La resistenza dipende dalla deformazione delle fibre ed è minore di quella della matrice.
V f > V f ,crit
La resistenza dipende dalla deformazione delle fibre ed è maggiore di quella della matrice.
Coefficienti di dilatazione termica
Le fibre impediscono la dilatazione termica della matrice in direzione
longitudinale a causa del loro basso coefficiente di dilatazione termica,
quindi la lamina composita presenta una dilatazione termica in direzione
trasversale maggiore rispetto a quella in direzione longitudinale.
>
La Macromeccanica
Le rigidezze di un laminato sono
valutabili attraverso procedure
che tengono conto del numero,
del tipo, dell’orientazione e della
mutua posizione delle n lamine
che costituiscono il laminato
stesso di spessore h.
1
2
3
4
z2
h
zk
k
z0
z1
z n-1
n
Teoria della laminazione
X
1. Lamine perfettamente incollate;
2. Il generico segmento ortogonale
al piano medio rimarrà tale
anche a deformazione avvenuta;
Nx
Nxy
Nyx
Y
Ny
Mx
Myx
3. εz molto piccola rispetto a εx e εy;
4. Spessore del laminato piccolo
rispetto alle altre dimensioni.
zn
My
Y
Mxy
X
Carichi e momenti specifici (per unità di larghezza) valutati sullo spessore h
[A] è la matrice di rigidezza a trazione, [D] è quella a flessione mentre [B] è quella di
accoppiamento, la cui presenza implica che in un laminato, uno sforzo normale o un
taglio producono sia una deformazione che una curvatura flessionale e/o torsionale del
piano medio; analogamente un momento flettente o torcente producono sia una
curvatura che deformazioni e scorrimenti nel piano medio del laminato.
Andamento qualitativo di una possibile distribuzione delle tensioni in un
laminato costituito da tre lamine sovrapposte.
I laminati simmetrici sono una particolare classe di laminati, molto usata, in
cui l’accoppiamento tra flessione e sforzo normale è eliminata ([B]=0). Tale
caratteristica, oltre che evitare l’ingobbamento del laminato, evita la
presenza di fastidiose distorsioni a seguito di riscaldamenti.
Un laminato simmetrico è indicato con un codice che riporta l’orientamento
delle lamine di metà laminato nella effettiva sequenza di impacchettamento,
con il pedice S. Nel caso di lamine consecutive aventi lo stesso orientamento, il numero di lamine è indicato con un pedice.
[02 / ± 45]S
Indica un laminato simmetrico costituito complessivamente da 8 lamine così orientate:
0° \ 0° \ +45° \ -45° \ -45° \ +45° \ 0° \ 0°
Strutture Sandwich
Un sandwich è un particolare tipo di laminato composito costituito da tre
principali componenti: le due facce o pelli (skins) e la parte interna o anima
(core). Queste parti vengono di solito laminate insieme utilizzando una
interfaccia adesiva.
Pelle esterna
Anima
Rigida e resistente
Leggera e resistente a compressione
Un sandwich sottoposto a flessione
risulta maggiormente sollecitato nelle
parti più distanti dall’asse neutro,
quindi, risulta vantaggioso aumentare
la rigidezza e la resistenza delle pelli
a discapito dell’anima, dove è possibile alleggerire l’elemento strutturale.
Proprio per motivi di leggerezza, l’anima di una struttura a sandwich è costruita con materiali che vengono definiti “solidi cellulari”, ovvero caratterizzati al loro interno da alte percentuali di vuoto.
Costruzione di strutture a nido d’ape (honeycomb)
Svantaggi: Costi elevati, Difficoltà nella riparazione, Ingombri notevoli
Cedimento Strutturale dei Compositi
Il carico che porta alla rottura della prima lamina (FPF=first ply failure) non
corrisponde affatto al carico di rottura del laminato che può essere significativamente superiore a questo. La rottura successiva delle lamine all’aumentare del carico applicato porta, ovviamente, ad una diminuzione della
rigidezza del laminato.
Comportamento duttile
Comportamento fragile
La Fatica
L’applicazione di carichi variabili ciclicamente può
dar luogo a rottura anche quando la massima sollecitazione risulta inferiore alla resistenza statica
del materiale.
Processi di
Danneggiamento
1) Scollamento fibra matrice (debonding)
2) Fessurazione della matrice
3) Rottura della fibra
4) Scollamento delle lamine (delaminazione)
Vari studi sperimentali hanno evidenziato che il danneggiamento per fatica
inizia quasi sempre mediante la formazione di cricche nelle lamine in cui le
fibre formano l’angolo più grande con la direzione del carico.
In un laminato cross-ply (le lamine sono disposte ortogonalmente), per
esempio, le cricche di fatica iniziano sempre nelle lamine a 90° e risultano
disposte sempre in direzione ortogonale al carico applicato.
Laminato cross-ply con
un carico P<0,2⋅Prottura:
a) Cricca semplice;
b) Cricche multiple.
Numero dei cicli crescenti
Laminato cross-ply con un
carico P>0,3⋅Prottura:
c) Cricche di delaminazione;
d) Propagazione dei fenomeni di delaminazione,
vita residua meno di 10%.
Rottura fibra ⇒
La cricca causa
tensioni concentrate lo scollamento
La cricca aggira
la fibra
Propagazione
stabile
Propagazione
instabile
Descrizione dello sviluppo del danno in un laminato in composito
Stato caratteristico di danno
PRIMA FASE: frattura primaria, la matrice si rompe lungo le fibre che sono orientate
in direzione diversa da quella del carico; il numero delle fessure raggiunge il CDS.
SECONDA FASE: fratture trasversali a quelle primarie ⇒ fratture interlaminari.
TERZA FASE: crescita esponenziale del danno ⇒ collasso del laminato.
La resistenza a fatica dei materiali compositi dipende da vari fattori legati
all’intima natura e struttura del materiale, nonché alle particolari condizioni
di sollecitazione ed ambientali quali temperatura, umidità, presenza di
agenti corrosivi, vapore ed acqua.
Tecniche per il monitoraggio del danno subito
1) Metallografia (tecnica invasiva)
2) Ultrasuoni (rileva fessurazioni interne)
3) Analisi Termografica (le zone più calde
sono quelle più danneggiate)
4) Raggi X
Radiografia di una cricca passante
lunga circa 100 mm
III. I Processi Tecnologici
Compositi a Matrice Polimerica
Coesione
del
materiale
Applicazione con
garanzia di
affidabilità
Assenza di aria
fra le lamine
Qualità del
materiale
STEP:
Premiscelato (loco)
1. Unione Matrice + Fibra
2. Solidificazione del materiale
Raffreddamento
(termoplastici)
Solidificazione
(forma finale)
Preimpregnato
“Cura”
(termoindurenti)
•
•
Attento controllo di
temperatura e
pressione
LAVORAZIONE:
STAMPO APERTO
STAMPO CHIUSO
Stampo Aperto
• Lay Up Manuale
• Spray Up
• Stampaggio in sacco
• Filament Winding
Autoclave
Stampo Chiuso
• Iniezione sotto vuoto
• Stampaggio a matrici accoppianti
• Tessitura
• Resin Transfer Molding
• Processo di Pultrusione
Preforma
Stampo Aperto
Bag Molding
(Sacco o diaframma flessibile)
1. È utilizzato per produzione di serie di forme limitate
o per strutture compresse che non possono essere
ottenute con la pressa
2. Generalmente Preimpregnato con Termoindurente
3. Stampi metallici o di plastica
Processo:
• Sotto vuoto
• Sotto Pressione
• In autoclave
Max 1 atmosfera
Attrezzatura più
economica
Bag Molding
Procedura
• Preparazione
Pulizia e agenti distaccanti
• Taglio
Forbici, getto d’acqua o laser
• Stratificazione
“Ply on ply” o “Direct on tool” Vs “Bagnata”
• Insaccaggio
• Preparazione
1. Autoclave
(vuoto)
2. + Step T-t o t-p
(deformazioni)
Stampo Aperto
Filament Winding
Consiste nell’avvolgimento di
filamenti continui di materiale di
rinforzo su un mandrino rotante
È caratterizzato da:
• Tipo di avvolgimento
• Tipo di impregnazione
• Mandrino
Filament Winding
Il mandrino
1. Rimovibile:
2. Fisso:
• Fusione
• Parte integrante del
pezzo
• Estrazione e riutilizzo
• Resistente a compressione (tensionamento)
• Flessione (peso)
• Resistente Temperatura Forno
• Causa Sforzi Residui post-estrazione
Sono metallici, di plastica o di gesso in
funzione del prodotto da realizzare
Stampo Chiuso
• Si riscalda lo stampo
• Si usa la pressa idraulica
Produzione di molti pezzi
in tempo ridotto
> Costo Stampo
< Costi Unitari
Gli stampi, metallici o di plastica, devono
resistere all’ABRASIONE derivata dai
ripetuti cicli di lavoro!
Stampo Chiuso
Tessitura
La Tecnica del “Braiding”
Mix fra Tessitura e Filament Winding:
Intreccio ad Elica
Le fibre sono
vincolate fra loro
MECCANICAMENTE
Mandrino
1. Resistenza a Torsione
2. Resistenza al Taglio
3. Resistenza all’Impatto
Realizzazione di pezzi tubolari e piatti
Braiding
La Macchina
• Supporto e guida bobine
• Punto formazione tessuto
• Sistema di trascinamento
La Tecnica
Bobine
controrotanti
Ruote dentate
Braiding
L’intreccio
1. L’intreccio Biassiale:
• Regolare
• Diamante
θ= Angolo di intreccio
θ ≅ 10°
Resistenza a Trazione
θ = 45°
Resistenza a Torsione
Proprietà bilanciate
Braiding
L’intreccio
2. L’intreccio Triassiale:
È ottenuto introducendo una terza
fibra parallela all’asse dell’intreccio
Aumento della resistenza a trazione
e della rigidezza flessionale
Profilati di diverso spessore e varia
forma
Le Fibre
Braiding
Asciutte
Prepreg
• Intreccio facile
• > Costo fibre
• Estrazione aria
• < Tempi (no resina)
• Impregnazione
• > Produzione
Bagnate
ALTA QUALITA’ CON
MINIMI COSTI
• < Costi finali
Soluzione
Ottimizzata
• < Vuoti
NOTA:
In assenza di mandrino
si ottengono solo
NASTRI a sezione
UNIFORME !!!
• Vetro
• Carbonio
• Aramide
• Poliestere
• Polietilene
Fibre miste
migliorano
la resistenza
all’impatto
Stampo Chiuso
RTM
È caratterizzato dal fatto che la resina si combina
al rinforzo a stampo già chiuso!!!
Parametri di
controllo del
processo:
• Condizioni di iniezione
• Temperatura Stampo
RTM
REQUISITI
Il processo di iniezione
• Controllo Resina / Catalizzatore
• Controllo della Temperatura
• Facilità di pulizia
• Efficienza di miscelazione e
circolazione
RTM
Lo Stampo
1. Conducibilità calore
2. Inerzia Termica
3. Rigido
4. Taglio delle sbavature
Cromatura
dell’acciaio
Accorta
progettazione
• Canali interni
(acqua / olio)
• Resistenze
elettriche
90° < T <150° C
RTM
Le Resine
1. Bassa Viscosità
• Viscosità ( T ) = Cost
2. Adesione con le fibre
• Assenza spostamenti
• Perfetta Impregnazione
3. Bassa Volatilità
4. Resistente agli agenti
esterni
5. Tenacità e resistenza
6. Rapida gelazione
• Dura (Estrazione)
RESINE EPOSSIDICHE
Basso fattore di deformazione
Riducono rischi di increspature locali
La Preforma
1. Si utilizzano sovente i MAT di vetro
2. Si realizzano preforme 3D col
metodo “Spray Up”
I Termoplastici
Le Resine Termoplastiche
Resine
Convenzionali
Resine
Pseudotermoplastiche
Trasformazione
SOLO FISICA
Trasformazione
CHIMICA E FISICA
Semicristallini
NOTA:
Cristalli Liquidi
• ALTA VISCOSITA’
Amorfi
• POCO COMODI DA USARE
I Termoplastici
I prodotti Termoplastici
Preimpregnati
Postimpregnati
Quelli Pseudotermoplastici sono
PIEGHEVOLI ed APPICCICOSI
rispetto a quelli Termoplastici
La matrice impregna
bene la fibra SOLO in
fase di trasformazione
• Aria calda
Riscaldamento:
• Raggi Infrarossi
• Laser
Raffreddamento:
Se non corretto, rischia di inficiare
la qualità del prodotto finale
I Termoplastici
I processi Tecnologici
• Stampi Metallici
• L’Idroformatura
• La Pultrusione
• Lo Stampaggio in
Autoclave
• Il Filament
Winding
Attrezzature supplementari per
svolgimento e compattazione
IV. Applicazioni Aeronautiche
Hp:
1. Massima resistenza
2. Minimo peso
• Prestazioni al TOP;
• Riduzione dei costi:
manifattura, esercizio e
manutenzione.
•Aerei Civili
•Aerei Militari
•Elicotteri
Storia
I compositi nel settore civile
I compositi nel settore militare
Generalità
Elementi Strutturali:
Primari
Secondari
1. Alette
1. Carenature
2. Impennaggi
2. Sportelli
3. Piani di coda
3. Accessori interni
• ALA
• CODA
Generalità
L’Ala
Generalità
Le Estremità Alari
Aletta di Estremità
SLAT
FLAP
SPOILER
Generalità
L’Impennaggio
Stabilizzatore
Verticale
Stabilizzatore
Orizzontale
• Deriva
• Stabilizzatore
• Timone
• Equilibratore
Piano di
Coda
Il problema
dell’Equilibrio
LONGITUDINALE
Generalità
La Filosofia della Boeing
Si deve ricorrere alle strutture con nucleo
“HONEYCOMB” solo quando è strettamente
necessario, cioè solo per le superfici poco caricate !!!!
SPOILER, FLAP, SLAT
Le strutture maggiormente
caricate sono realizzate:
Le strutture “sollecitate
molto poco” sono realizzate:
Struttura
MULTITRAVE + CENTINE
Nucleo in
MATERIALE ESPANSO
Generalità
Alcuni Esempi:
AV-8B
Sottostruttura e rivestimento in
Grafite/epossidica
Generalità
Le Tensioni sull’Ala
È stato valutato che sull’ala dell’aereo F/A-18:
Disposizione degli
0° al 46%; ±45° al 50%; 90
° al 4%
!!!
strati
del laminato
1a Approssimazione
1. 0°: tensioni lungo
l’APERTURA
La maggior parte del carico di flessione sull’ala è
2. ±45°sopportato
: tensioni di dal rivestimento in composito !
TAGLIO
Lo stabilizzatore di coda è totalmente mobile e deve
3. 90
°: tensioni
resistere
a lungo
TORSIONE ⇒ 80 % di strati a ±45°
la CORDA
Generalità
Peculiarità Strutturali
Lo stato tensionale varia lungo l’apertura alare
Questa distribuzione dei carichi può essere
sopportata molto bene dai LAMINATI
La stratificazione è massima alla radice e
decresce verso l’estremità (da 100 a 20!!!)
Questa prerogativa si mantiene valida anche
per i rivestimenti di CODA sulla quale, però
sono in gioco spessori molto ridotti.
Generalità
Superfici di controllo incardinate all’ala
La sollecitazione maggiore è dovuta a:
FLESSIONE in direzione della corda.
Disposizione di strati PREVALENTEMENTE a 90°
Generalità
Metalliche:
Sottostrutture
• Ala di: F/A-18
• Coda di: F-14, F-15, F-16, F/A-18
La sottostruttura comprende in genere elementi in
lega di Alluminio e talvolta in lega di Titanio
I piani di coda dei “Caccia” sono realizzati con nucleo
a nido d’ape o, se completamente movibili, con una
trave metallica rivestita da sandwich
Tomcat
Eagle
Falcon
Generalità
Struttura Multitrave
ALA
Mancano i
rivestimenti,
i bordi e le
estremità
STABILIZZATORE
È costituita da centine e travi che determinano la struttura
delle ali e degli stabilizzatori orizzontali e verticali.
Le centine e le travi sono formate SIMULTANEAMENTE
oppure collegate successivamente tramite CHIODATURA
L’Experimental Aircraft Programme
Sviluppo di un’ala a tecnologia avanzata
British Aerospace
Prototipo Ala AEP
EUROFIGHTER
Aeritalia
EAP
Il Progetto
Realizzazione dell’ala con materiali compositi
1. Rivestimenti in fibra di carbonio collegati
ad una sottostruttura metallica
2. Rivestimenti in fibra di carbonio su
sottostruttura sempre in carbonio;
collegamento CONVENZIONALE
3. Rivestimento in carbonio su sottostruttura
in carbonio; collegamento SIMULTANEO
NOTA:
Sottostruttura = Trave
EAP
L’Analisi
1. L’ala in CFC/CFC-CONV
pesa meno di quella
metallica, ma costa di più
2. L’ala CFC/CFC-SIM:
• -21% ore manifattura
CFC/CFC-CONV
• -12% peso della metallica
EAP
Il problema della foratura
1. In un’ala CONV. di
un “Caccia” vi sono
circa 5000 fori !!!
2. È più difficoltoso
realizzare fori sul
composito:
• Bassa velocità di
foratura
• Alto costo di
manifattura
Nasce, quindi, l’esigenza della configurazione
“alternativa” CFC/CFC-SIM
EAP
La giunzione simultanea
Per la prima volta veniva proposto un progetto in cui uno
dei più importanti componenti trasportanti carico aveva
una giuntura legata con ADESIVO !!!
Realizzazione modello
realistico di simulazione
Valutazione punti critici
Verifica FEM
EAP
Il punto critico
FEM:
Modellazione della
forma del triangolo e
della distribuzione
dello strato adesivo
per ottenere la
massima resistenza
possibile
Harrier AV-8B
Velivolo V/STOL
1. 25% del peso totale
è in compositi
2. 50% della superficie
bagnata in compositi
• Accurati studi del comportamento dei laminati a Temperatura
e Pressione
• Prove di resistenza alla degradazione
Harrier GR5
Il box dell’ala
Struttura Multitrave e
rivestimenti
Le parti metalliche
presenti nell’ala
Harrier GR5
Abitacolo
AV-8A:
237 parti e 6440 collegamenti
AV-8B/GR5:
88 parti e 2450 collegamenti
• 25,3% di peso risparmiato
(saving di 26 kg)
• 67% del peso è in composito
Il restante 1/3 di peso:
• Collegamenti
• Equipaggiamenti in metallo
• Vernici
Harrier GR5
Stabilizzatore Orizzontale
È stato realizzato per la prima volta senza la
struttura honeycomb
1. Multitrave in
carbonio/epossidica
2. Trave centrale in Al
(attacco attuatore)
3. Copertura monolitica
4. Centine metalliche
5. Chiodi in Ti
-20% di peso
rispetto AV-8A
Boeing
Il programma USA sui compositi
1. Spoiler B-737
•
•
•
Sottostruttura in Alluminio
Rivestimenti rinforzati in fibra di carbonio
Centine di chiusura rinforzate in fibra di vetro
2. Equilibratore B-727
• 4 differenti realizzazioni, ma tutte con rivestimenti sandwich
a nido d’ape in Nomex e lamine in carbonio/epossidica
• Nascita della filosofia Boeing e raffinamento dello Spoiler
con l’honeycomb
Boeing
Il programma USA sui compositi
3. Stabilizzatore Orizzontale B-737
• Riprogettato solo il box
principale, non le parti rimovibili
• Centine: sandwich honeycomb
con laminati irrigiditi
• Trave posteriore con sezione a I
• Trave frontale in
carbonio/epossidica (tensioni
termiche)
• Travi (frontale + posteriore)
unico pezzo con le centine
-22% di peso rispetto al
progetto in metallo
Boeing
Il programma USA sui compositi
4. Il Boeing 767
• 3% del peso è in
compositi
• 30% della superficie
esterna (composito)
• 650 kg di “weight
saving”
Boeing
Il pilone del motore del B-767
• Deve garantire un’ottima resa
aerodinamica all’interfaccia motore/ala
• Resistenza a vibrazioni ad alta
frequenza
• Ridurre intensità del rumore
• Limitare le escursioni termiche elevate
Nucleo honeycomb e fogli in Aramide
Boeing
Il timone del B-767
È uno dei componenti in composito più grande nella
produzione odierna
• Pannelli sandwich in tessuto a fibra di carbonio (unica
operazione di montaggio)
• Sul bordo d’uscita si usano rivetti in Titanio
Boeing
Le strutture interne
In larga parte in fibra di vetro e resina fenolica
La resina fenolica garantisce:
1. Basso tasso di infiammabilità
2. Bassa emissione di gas nocivi
Boeing
Tecniche costruttive per pannelli
Partizioni
della cabina
con Tedlar
ambo i lati
Basse proprietà
adesive della
resina fenolica
5. Il Boeing 777
6. Boeing 787
Il DC-10
Il Progetto del Timone di Coda
Costituito da 4 sezioni:
• Anteriore Alta
• Anteriore Bassa
• Posteriore Alta
• Posteriore Bassa
DC-10
Il progetto del timone di coda
1. Progetto iniziale con struttura a nido d’ape
Fu abbandonato:
•Alti costi di manutenzione
•Danni per gli impatti
•Nucleo honeycomb
assorbiva troppo vapore
Si modificava
l’equilibrio conferito
dalla massa bilanciante
2. Progetto con sistema a più centine
• Rivestimenti, travi e centine sono trattati in un’unica operazione
• Gli interspazi del box furono realizzati con spaziatori di gomma e
silicone che rivestivano delle anime di alluminio: l’espansione termica
della gomma conferiva la pressione richiesta durante il trattamento
DC-10
La struttura del timone
I fori della trave:
1. Rimozione anime
2. Chiuse per la pioggia
3. Controlli e riparazioni
Il rivestimento:
1. 4 strati a ±45°
2. Altri 2 strati a 0°
per compressione
DC-10
La realizzazione
Protezione dai fulmini:
•
Cerniera
•
Nastri di alluminio
•
Scaricatori
Alta quota:
Modifica cardini perché
non reggevano la
dilatazione termica
della struttura metallica
• -33% peso rispetto al timone in lega leggera
• -100% peso (alleggerimento massa bilanciante)
Gli Elicotteri
1. Il mozzo della Dowty Rotol
Tensioni continue ed oscillatorie dovute alla forza centrifuga
ed all’inflessione delle pale
I carichi principali sono sopportati da due travi in fibra di carbonio
Elicotteri
2. La pala del rotore di coda del Sea King
Dopo la nascita del Sea King nel 1969 sono stati avviati
diversi miglioramenti sul velivolo
Anni ’70 si realizzarono parti del rotore di coda in composito:
• La resistenza a fatica era maggiore
• I materiali erano economici e facili da manifatturare
Elicotteri
3. L’Eurocopter Tiger
V. Applicazioni nell’automobilismo
Motivi per cui i compositi sono diventati i materiali i materiali privilegiati dall’industria
automobilistica.
1. Elevate caratteristiche meccaniche
2. Vantaggi ambientali
3. Tempi di produzione rapidi (RTM)
La maggior parte delle carrozzerie, che oggi trovano applicazione nel mercato automobilistico sportivo, impiegano
matrici termoindurenti epossidiche con differenti soluzioni per i rinforzi (carbonio,
vetro, aramide).
Le parti in composito necessitano di tempi di indurimento più brevi, sono
più durevoli, più leggere e vantano una migliore qualità finale.
Un altro aspetto molto importante, svolto dai compositi, è la riduzione
dell’impatto sull’ambiente delle attività dell’uomo, che è diventato uno
degli obiettivi primari della nostra società.
Veicoli sempre più leggeri e meno inquinanti
L’utilizzo di materiali
compositi
richiede
trattamenti supplementari per il recupero e la separazione dei singoli materiali.
Anche i mezzi di trasporto pesante utilizzano i compositi, risparmiando circa 100
kg sempre con buone
qualità estetiche ed
aerodinamiche.
La grande avventura con i materiali compositi cominciò nel 1953 con la
Chervolet Corvette che è stata la prima automobile di serie con carrozzeria in fibra di vetro.
Oggi uno degli esempi più esaltanti di utilizzo dei materiale compositi è
la Enzo Ferrari del 2002.
È da sottolineare che l’utilizzo dei compositi nella grande produzione di
serie è ancora abbastanza limitato a causa dei costi ancora elevati.
La Enzo Ferrari
La Enzo Ferrari è il punto di arrivo del concetto di sportiva estrema e sintesi
dei contenuti più avanzati della tecnologia da corsa di Formula 1. Essa gode
di un vantaggio unico, quello di poter beneficiare di un transfer tecnologico
intenso e di successo continuo come quello generato dalla lunga serie di
successi Ferrari in Formula 1, conseguiti negli anni in cui aveva luogo lo
sviluppo di questa vettura, culminati nel ‘99, nel 2000 e nel 2001.
La carrozzeria è stata realizzata
con fibre di carbonio e Nomex, in
pannelli sandwich, che hanno
consentito di strutturare la scocca leggera e con forme estreme
dal punto di vista dello stile.
Le due prese d’aria e la parte centrale
rialzata rappresentano l’interpretazione
del musetto della Formula 1.
L’impianto frenante, sviluppato
da Brembo, è dotato di dischi in
materiale carbo-ceramico, per la
prima volta usati su una vettura
stradale Ferrari; si riscontra una
riduzione di peso di 12,5 kg rispetto ad una soluzione convenzionale ed una maggiore affidabilità.
Il telaio è stato realizzato con
sandwich di fibre di carbonio ed
honeycomb di alluminio. Questa
scelta ha permesso di soddisfare
gli elevati requisiti richiesti in
termini di rigidezza, leggerezza
e sicurezza.
Lo spirito “puro e duro” della
vettura, lo spazio ridotto e
l’obiettivo di leggerezza hanno suggerito una soluzione di
stretta funzionalità per gli interni; le principali superfici a
vista sono in fibra di carbonio.
Gli elementi funzionali sono
agganciati da una traversa
strutturale di alluminio.
Anche la struttura del sedile racing
particolarmente avvolgente è completamente in fibra di carbonio .
Caratteristiche Meccaniche
Motore: 12 cilindri a V di 65°
Cilindrata: 5998 cm3
Potenza max: 660 cavalli a 7800 giri/min
Coppia max: 67 kgm a 5500 giri/min
Accelerazione: da 0 a 100 km/h in 3,6 s
Velocità max: di oltre 350 km/h
Il Progetto ZIC
Il CNR, in collaborazione col Centro Ricerche FIAT, ha promosso un progetto
estremamente innovativo: realizzare il prototipo di una vettura elettrica.
La scocca è stata realizzata in materiale composito termoindurente
con la tecnologia RTM. L’utilizzo di
materiali “poveri” (resine epossidiche e poliestere rinforzate con
fibre di vetro) ha restituito una
elevata efficienza strutturale.
Il parabrezza bi-layer, ottenuto accoppiando una lastra di vetro con
film di plastica, ha comportato una
riduzione in peso del 40%.
La vettura elettrica ZIC rappresenta una dimostrazione rilevante delle
concrete possibilità di utilizzo per la produzione di serie con i materiali
compositi, raggiungendo obiettivi in termini di leggerezza ed ecologia.
Il Progetto “WHY NOT?”
“Why Not?” è un veicolo da competizione messo a punto da XTeam, giovane
gruppo di lavoro della Fondazione Politecnico di Milano, che si inserisce in
un contesto internazionale: Shell Eco-Marathon, competizione che coinvolge
veicoli ultraleggeri e di design particolare sul fronte del risparmio energetico.
La ruota posteriore
è quella sterzante
Qualche migliaio di chilometri con un litro di benzina
La carrozzeria viene concepita con pelli di carbonio
preimpregnate di resina epossidica, per garantire
l’ottimizzazione dei pesi e un’adeguata resistenza
strutturale. Lo studio aerodinamico si ispira alla
forma naturale della semi-goccia: forma, teoricamente ottimale per un veicolo che si muova raso terra.
La Birdcage 75th
Per il 2005, in onore del suo 75˚ anniversario, Pininfarina ha scelto di dare
libero sfogo allo spirito creativo. La Birdcage 75th è un concept di auto
stradale estrema in tutto – linea, prestazioni e modo di utilizzare e
concepire l’auto – che mira al massimo impatto sull’immaginario collettivo.
Profilo: Ala+Goccia
Caratteristiche Meccaniche
Motore: 12 cilindri a V di 65°
Cilindrata: 5998 cm3
Potenza max: 630 cavalli a 7500 giri
Velocità max: 330 km/h
La carrozzeria è in fibre di carbonio, mentre il telaio è composto da
sandwich di fibre di carbonio e
honeycomb di Nomex con struttura anteriore e posteriore in alluminio. Il risultato è una linea possente ed elegante che, con un solo
metro di altezza, dà l’impressione
di movimento anche da ferma.
La F2007
Nel 1981, la McLaren ha per prima impiegato i materiali compositi per
realizzare il telaio della monoposto. Oggi, il 60% del peso di una vettura
di Formula Uno è fatta di materiali compositi, costituiti per lo più da fibre
di carbonio e resina epossidica, impiegati per costruire la monoscocca, il
musetto, parti delle sospensioni ed ancora la frizione ed i dischi dei freni.
Le zone della carrozzeria soggette a
impatto sono costruite con resina
rinforzata da fibre di Zylon, mentre
quelle soggette a compressione da
fibre di boro.
Vmax
320 km/h nel 1981
370 km/h nel 2006
L’uso di materiali leggeri fa sì che
per raggiungere i 600 kg minimi
richiesti si debbano aggiungere 80
kg di zavorra, lega di tungsteno
con densità di 19 kg/dm3.
VI. Applicazioni nel settore nautico
L’uso dei compositi nella nautica ha apportato un deciso cambiamento nel
numero di imbarcazioni prodotte e nelle loro caratteristiche. La ricerca di
prestazioni sempre migliori ha favorito l’uso di resine più evolute e di rinforzi costituiti da fibre di carbonio e aramidiche. Anche l’uso del sandwich si
è affermato in maniera decisa sperimentando anime costituite da materiali
innovativi.
Tecniche sviluppate
I preimpregnati sono tessuti di vetro, carbonio o aramidiche che contengono al loro interno
la resina necessaria alla fase di indurimento.
Questi tessuti, tagliati e stesi sullo stampo, vengono messi sotto vuoto e riscaldati per far iniziare la reazione di catalizzazione della resina.
La tecnica dell’infusione consiste nello stendere i tessuti sullo stampo a secco e poi far affluire
la resina grazie ad una differenza di pressione
creata artificialmente.
La tecnica dell’infusione
Una volta che la resina inizia a fluire nello stampo deve riuscire a percorrere
tutta la superficie utile per impregnare tutte le fibre in un tempo inferiore al
tempo di catalizzazione. Solo a questo punto può iniziare il processo di indurimento che conduce la resina allo stato solido con produzione di calore.
Resine impiegate
Poliestere
Vinilestere
Epossidica
Fibre impiegate
Carbonio
Vetro
Aramidiche
Il riempimento è garantito da una combinazione di pressione e vuoto
Realizzazione dello scafo MY49
Le barche che partecipano alla Coppa America sono tra le più costose in
assoluto: si tratta di yacht costruiti in sacco a vuoto con fibre al carbonio e
resine epossidiche polimerizzate in forno.
Volendo costruire uno scafo con la tecnica dell’infusione, sorgono problemi riguardanti l’installazione ed il controllo
che hanno limitato il successo di questa
tecnica realizzativa.
Per progettare le strategie di infusione è
indispensabile ricorrere a un software di
simulazione che rende possibile il controllo del processo sottovuoto, restituendo una simulazione reale.
Il software di simulazione è
riuscito a prevedere che la
infusione avrebbe utilizzato
una grande quantità di resina
nei primi dieci minuti: per
questa ragione sono stati
preparati dieci contenitori da
20 litri con resina e indurente
tenuti in secchi separati.
L’infusione ha seguito molto
attentamente il modello previsto dalla simulazione impiegando 120 minuti per il completamento.
Simulazione dell’avanzamento del fronte di resina
Disposizione dei canali di
distribuzione della resina
Realizzazione di un albero
L’utilizzo di materiali compositi avanzati rappresenta la soluzione ideale per
la realizzazione dell’albero di un’imbarcazione a vela, per le elevatissime
caratteristiche di resistenza e rigidezza specifica che i compositi forniscono.
Il carico prevalente agente sull’albero è
rappresentato da una compressione assiale
Per ottenere un albero di buona qualità è
necessario l’utilizzo di tessuti preimpregnati
e un ciclo di cura in autoclave a pressioni e
temperature adeguate. Per realizzare alberi
monolitici con lunghezze di oltre 40 metri
risulta proibitivo l’acquisto di un autoclave
di dimensioni elevate.
Albero in tronconi separati
incollati con resina epossidica
(senza collari o rivettature)
Per contenere i costi del prototipo, in
alternativa ai costosi preimpregnati
carbonio/epossidica, si è deciso di
utilizzare preimpregnati vetro/epossidica, con i quali è stata realizzata
anche la coppia di stampi.
Applicazione del vuoto e
cottura di un troncone di
albero in autoclave a
pressione e temperatura
adeguate.
VII. Applicazioni nel settore ferroviario
I materiali compositi, come i materiali plastici rinforzati con fibre e pannelli
sandwich, hanno un potenziale considerevole nella generazione delle strutture di trasporto ferroviario.
Singola pelle
Sandwich x 1t
Sandwich x 2t
Applicazioni
Cabine dei veicoli ferroviari
Componenti interni come sedili e pannelli
1. Leggeri
2. Durevoli
3. Facilmente modellabili
ETR-500
La struttura primaria è costruita in acciaio ad alta resistenza, rivestita
all'esterno con pannelli in lega leggera.
Il frontale aerodinamico è costruito impiegando kevlar stratificato in
resine estremamente leggere e resistenti all’impatto.
Conclusioni
1. Elevata rigidezza e resistenza con peso
ridotto rispetto ai materiali convenzionali.
Vantaggi
2. Resistenza ad elevate temperature, alla
corrosione e all’usura.
3. Basso coefficiente di espansione termica.
4. Ottime proprietà fonoassorbenti.
5. Elevata resistenza a forze dinamiche.
Svantaggi
1. Possibilità di favorire la corrosione nell’accoppiamento improprio con alcuni metalli.
2. Costi e difficoltà dei metodi di ispezione.
3. Basse proprietà meccaniche nella direzione trasversale alle fibre.