Enco Journal n.11 on Web

La tecnologia è oggi fortemente condizionata dalla possibilità di disporre di nuovi materiali in grado di soddisfare le richieste da parte dei progettisti in termini di caratteristiche meccaniche sempre più elevate, di una tenuta nel tempo in condizioni sempre più gravose ed, a volte, di caratteristiche funzionali esaltate sul piano quantitativo. In pratica, l’insieme di queste proprietà, da cui dipende l'applicabilità strutturale o funzionale del materiale stesso in funzione degli impieghi specifici a cui é destinato, vengono definite in fase di progetto. In questo contesto si é fatta strada la tendenza allo sviluppo di materiali sempre più nuovi ed avanzati. Tra questi i compositi occupano un posto di particolare rilievo in virtù sia delle forti caratteristiche innovative da loro possedute che della possibilità di progettare il materiale in base alle specifiche funzionali e strutturali della struttura da realizzare.
La disomogeneità e l’anisotropia sono le caratteristiche peculiari dei materiali compositi. In effetti, la tecnologia é partita da materiali organici naturali disomogenei ed anisotropi quali il legno, l'osso, la pelle; anzi uno dei più antichi materiali da costruzione, l'impasto di paglia ed argilla, è un composito la cui idea di fondo é esattamente quella dei compositi avanzati: sfruttare la resistenza a tensione delle fibre, lasciando ad una matrice di qualità meccanica inferiore il compito di tenerle nella forma voluta. Gli uomini hanno avuto a che fare con materiali compositi lungo l'intero arco della storia della tecnologia: per secoli l'artigiano ha misurato la sua abilità sulla capacità di operare con pezzi di materiale di cui caso per caso occorreva riconoscere la struttura, assecondarla o sfruttarne le peculiarità. Anche nell'intervallo dominato dall'omogeneità e dall'isotropia (dall’epoca preindustriale ad oggi), hanno continuato ad esistere materiali con le caratteristiche dei materiali compositi: sono stati via via introdotti materiali come il cemento armato, l'amianto-cemento ed il fibro-cemento, in sostituzione del precedente, tutti altamente disomogenei ed anisotropi. Tuttavia essi non hanno seriamente incrinato la cultura dell'omogeneo e dell'isotropo: il cemento armato ha avuto una storia a sé con suoi specialisti ed i suoi strumenti di calcolo confinati nel loro specifico campo applicativo. D’altra parte, gestire la complessità del materiale significa anche "pensare complesso", staccarsi dai modelli di riferimento più semplici. In conclusione, l'evoluzione dei materiali verso i compositi comporta una nuova forma di interazione tra discipline tecniche complementari in grado di fornire gli strumenti necessari all’applicazione dei materiali compositi in tutti i campi industriali.

DEFINIZIONE DI MATERIALE COMPOSITO

Il materiale composito è una miscela di due o più componenti che, pur conservando ciascuno la propria identità chimica e fisica, contribuiscono mutuamente a fornire proprietà meccaniche e fisiche complessivamente molto superiori, o comunque più idonee all’uso che si prefigge, rispetto ai singoli elementi come entità separate. In ogni tipo di materiale composito possiamo identificare due categorie di componenti, indipendentemente dalla percentuale volumetrica in cui sono presenti singolarmente, e cioè:
• matrice: è quella parte di miscela identificabile come un “continuo” cioè un elemento senza soluzione di continuità che generalmente definisce forme e volume della struttura in cui è inserita;
• rinforzo: è generalmente costituito da entità multiple distribuite più o meno uniformemente nella matrice.
Tali componenti possono essere dosate a piacimento dal progettista per modulare le proprietà del materiale finale.

LO SVILUPPO DEI MATERIALI COMPOSITI

I materiali compositi si sono rivelati particolarmente adatti nelle applicazioni strutturali. Il loro sviluppo è stato legato essenzialmente alle industrie aerospaziali ed aeronautiche, dove la possibilità di utilizzare materiali ad elevate proprietà meccaniche con un peso specifico contenuto ne ha decretato un successo straordinario. A partire dagli anni '70 elementi strutturali in materiali compositi sono stati utilizzati in veicoli militari, per i quali gli elevati costi di produzione non erano considerati deterrenti per applicazione. Infatti l’altissimo valore aggiunto metteva in secondo piano le considerazioni economiche relative agli elevati costi di produzione. In questa fase di sviluppo l’interesse della ricerca nel settore è stato concentrato sull’ottimizzazione delle proprietà meccaniche della struttura in materiali compositi. Lo studio delle relazioni tra proprietà meccaniche (essenzialmente quelle elastiche) dei costituenti e quelle della struttura ha portato allo sviluppo di teorie sulla meccanica dei materiali compositi. Essenzialmente, si è lavorato su due livelli: la micromeccanica, nella quale le interazioni tra i costituenti sono state analizzate su scala microscopica, e la macromeccanica, nella quale la risposta ai carichi dell’elemento strutturale in composito è stata analizzata a livello macroscopico.
Con lo sviluppo delle tecnologie e la riduzione dei costi i materiali compositi hanno trovato sempre maggiori spazi di applicazione anche nell’aviazione civile (Fig. 1).
Tuttavia le caratteristiche di processabilità con operazioni energeticamente efficienti rendono questa classe di materiali interessante per un'applicazione più diffusa (industria automobilistica, elettrotececnica, edilizia). La Fig. 2 mostra un tipico esempio di vettura per la quale si impiegano materiali compositi.
Nel campo edilizio un esempio storico delle potenzialità dei compositi è il ponte pedonale di Aberfeldy (Fig. 3). Il ponte è interamente costruito in materiale composito, in particolare profili pultrusi in fibra di vetro con matrice poliestere. La parte sospesa ha una lunghezza complessiva di 113m, una campata centrale di 63m tra due laterali di 17,5m. La struttura è sostenuta da due torri ad “A” in composito. La struttura è stata installata senza l’utilizzo di gru nell’arco di sei settimane. La carreggiata è sospesa da tiranti realizzati in composito con fibre di Kevlar. Le prestazione del ponte di Aberfeldy sono continuamente controllate per la creazione di una banca dati sugli elementi strutturali utilizzati.

La progettazione e lo sviluppo integrati di prodotto e di processo sono essenziali nella riduzione dei costi. Tali attività necessitano di una visione tecnica ampliata e di team di lavoro multidisciplinari coadiuvati dalle moderne tecnologie di condivisione del lavoro. Il miglioramento della gestione del processo è legato allo sviluppo dell’automazione e del controllo in tempo reale. Infine, le proprietà finali di tali materiali sono collegate non solo alla composizione chimica ed alla struttura, ma anche alla tecnologia di produzione. La complessità delle trasformazioni chimico-fisiche coinvolte nel processo produttivo rendono strettissimo il legame tra proprietà del materiale e tecnologia di produzione. Risulta pertanto cruciale non solo la conoscenza delle caratteristiche fondamentali del processo ma anche la possibilità di un controllo efficiente della produzione. Emerge, quindi, la necessità di affrontare i problemi connessi alla produzione dei materiali compositi integrando conoscenze che appartengono ad aree disciplinari diverse.
INGEGNERIA SIMULTANEA L’ingegneria simultanea è una metodologia sviluppata principalmente per l’ottimizzazione del progetto e della produzione di elementi in materiali innovativi. Essa si basa sulla specifica contemporanea dei requisiti di progetto di un prodotto e del suo ciclo di produzione. Le tecniche di ingegneria simultanea comprendono l’uso integrato di modelli numerici, di sensori e di tecniche di intelligenza artificiale.		Fig. 3 - Ponte pedonale in composito (Aberfeldy pedestrian bridge).
Un enorme sforzo è stato fatto per caratterizzare e capire le principali unità di processo che costituiscono la base delle operazioni di produzione di materiali compositi. Oggigiorno sono disponibili numerosi modelli, ma è necessario trasferirli in una applicazione industriale. Si rende necessario, pertanto, integrare ad ogni livello le capacità di modellazione e simulazione. Attualmente è possibile simulare un elemento strutturale tridimensionale (CAD–FEM), passare dall’ideazione al progetto dello stampo e proseguire nella descrizione del processo di formatura dell’elemento. La produzione virtuale di elementi in composito consente di controllare e gestire le cause di variabilità delle materie prime, dei processi di produzione e delle attività di manifattura responsabili degli elevati costi di tali tecnologie. L’integrazione delle potenzialità di simulazione a tutti i livelli (progetto, verifica strutturale, manifattura) e l’utilizzo di sensori avanzati definiscono le metodologie di un Processo Intelligente. PROCESSO INTELLIGENTE Il progetto e lo sviluppo dei processi intelligenti richiedono meno stadi e sono inoltre più veloci della progettazione e sviluppo dei processi convenzionali, fornendo un soddisfacente compro-messo tra le caratteristiche del processo e del prodotto (Fig. 5). Nodo centrale dell’ottimizzazione intelligente di prodotto e processo è la capacità di simulazione totale dell’intero procedimento industriale dall’idea di un prodotto alla sua produzione. Il laboratorio virtuale è il luogo dove si determinano il progetto e lo sviluppo off-line di processo e prodotto. Attualmente è possibile simulare il progetto di una struttura tridimensionale (CAD), verificarne la validità strutturale mediante codici agli elementi finiti e realizzare un prototipo (stereolitografia, stampanti tridimensionali) del prodotto al fine di verificare le specifiche funzionali. D'altra parte il processo di manifattura può essere ottimizzato in laboratorio utilizzando accurati modelli delle unità di processo. Nel laboratorio virtuale può essere effettuato il progetto e lo sviluppo concorrente di prodotto e processo e individuare le condizioni operative utili nell’ottimizzazione del processo reale. Mediante sensori avanzati è possibile monitorare in tempo reale la variabilità delle condizioni di processo e il controllo adattativo può essere in grado di valutare le opportune correzioni. CONTROLLO ADATTATIVO ED OTTIMIZZAZIONE Il controllo adattativo di processo deve essere in grado di riconoscere lo stato del processo ed avere la capacità di decidere l’azione correttiva. L'ottimizzazione delle condizioni di processo è un ulteriore compito critico del sistema di controllo. Essa può essere realizzata mediante la specifica iniziale dei parametri di processo realizzata off-line. Tali parametri vengono poi modificati durante il processo stesso. In definitiva, procedure di apprendimento fuori linea e in linea possono essere applicate in combinazione nell'ottimizzazione e nel controllo del sistema.
Fig. 4 - Diagramma di flusso delle attività connesse alla produzione.
Fig. 5 - Progetto e sviluppo dei processi convenzionale e intelligente.		STRUTTURE INTELLIGENTI La sfida più recente dell’ingegneria dei materiali sono i materiali e le strutture intelligenti. Essi vengono definiti come una nuova classe di materiali e strutture con elevate capacità adattive e di autoispezione. Una struttura intelligente è composta da un materiale strutturale, da una rete di sensori, da una rete di attuatori e da capacità di controllo in tempo reale. I materiali piezoelettrici ed i metalli a memoria di forma offrono le capacità di attuazione e sono, in genere, combinate con le caratteristiche sensoriali offerte dai sistemi in fibra ottica.
Le strutture ed i materiali intelligenti hanno la capacità di adattarsi agli stimoli esterni e, dal momento che la maggior parte dei materiali e delle strutture operano in condizioni di servizio variabile, la potenziale domanda sul mercato di sistemi strutturali e meccanici intelligenti è enorme. PROCESSI DI FABBRICAZIONE La chiave principale nella riduzione dei costi è la caratterizzazione e la comprensione dei processi fondamentali che stanno alla base della fabbricazione dei prodotti in materiale composito. Un esempio rilevante del ruolo della modellazione di processo è quello della produzione di compositi a matrice termoindurente. La sfida scientifica e tecnologica sta nel descrivere processi complessi che coinvolgono trasferimenti di calore, massa, quantità di moto, con reazioni chimiche simultanee in sistemi multifase e proprietà dei materiali che dipendono dal tempo, e nel rendere tale descrizione disponibile per una fabbricazione più efficiente ed economica.
APPROCCIO UNIFICATO ALLA MODELLAZIONE DEL PROCESSO DEI MATERIALI COMPOSITI La modellazione dei processi di produzione dei materiali compositi polimerici è un’attività complessa, in considerazione della variazione delle proprietà chimico-fisiche connesse alla lavorazione stessa. La realizzazione di compositi ad elevate prestazioni dipende fortemente dalla fase di lavorazione. Per questi materiali il legame struttura-proprietà-tecnologia è strettissimo e le problematiche connesse alla comprensione ed alla		Fig. 6 - Approccio unificato alla modellazione di processo.
previsione dei fenomeni che si verificano durante il processo costituisce la maggiore difficoltà nella realizzazione di componenti in composito dalle proprietà desiderate. E’ possibile affrontare il problema della modellazione delle differenti tecnologie di processo con una filosofia comune, cioè è possibile separare i fenomeni fondamentali (trasformazioni chimiche e trasformazioni fisiche) da quelli dovuti alla particolare tecnologia di processo (Fig. 6). Tra i modelli fondamentali va considerata anche la descrizione delle proprietà del composito finale che dipende dalla struttura del materiale, dalla distribuzione dei vuoti, delle tensioni residue, dal contenuto di resina e dallo stato dell’interfaccia fibra-matrice. Il modello globale può essere, quindi, scomposto in due sottomodelli l’uno che descrive i processi fondamentali coinvolti nella fabbricazione e nella definizione del prodotto, l’altro peculiare del processo di produzione (essenzialmente la geometria e le condizioni tecnologiche) nel quale si particolarizzano le equazioni di trasporto di energia, di massa e di quantità di moto. L’integrazione di questi sottomodelli permette la realizzazione di codici di simulazione delle varie tecnologie. RUOLO DELLA MODELLAZIONE DI PROCESSO Il modello di processo può essere utilizzato con successo sia nella ottimizzazione fuori linea del processo (individuando, ad esempio, una configurazione che ricada nella regione di affidabilità dei parametri di processo), sia nel controllo in linea. Nel caso, invece, del controllo di processo in tempo reale, i modelli di simulazione devono necessariamente essere combinati con tecniche sensoriali. Una volta combinati con algoritmi decisionali basati su metodi di intelligenza artificiale, i codici di simulazione di processo giocheranno un ruolo fondamentale nello sviluppo dei processi di fabbricazione dei materiali compositi e dei relativi sistemi intelligenti di processo.