INTRODUZIONE

L’utilizzo dei compositi fibrorinforzati sin dalla loro introduzione è cresciuto significativamente negli ultimi anni. I compositi hanno ampiamente dimostrato la loro funzionalità in campi sempre più diversificati. Un esempio significativo è il progressivo uso che si sta facendo di questi materiali in campo edilizio, sia come materiale per rinforzo e ripristino di strutture che come materiale da costruzione. I motivi della loro espansione sono da attribuire alle eccellenti proprietà meccaniche rapportate al loro peso specifico, alla durabilità ed alla versatilità. L’uso dei compositi avanzati è stato a lungo limitato alle applicazioni ad elevato valore aggiunto, dal costo delle materie prime, quali fibre di carbonio e Kevlar_®, e dal costo della tecnologia di produzione. Il recente lo sviluppo e la messa a punto di nuove tecnologie hanno permesso ai compositi di competere con i metalli in applicazioni a più basso valore aggiunto. In questo articolo tuttavia presenteremo le caratteristiche principali dei materiali compositi nei campi per i quali sono stati concepiti quali l’aerospaziale e l’aeronautico, ed inoltre illustreremo il loro uso in campo automobilistico.

I MATERIALI COMPOSITI

Tra i materiali strutturali, i compositi fibro-rinforzati risalgono ad appena quattro decenni. Tuttavia, in questo breve lasso di tempo, questa nuova classe di materiali ha avuto un enorme sviluppo scientifico e tecnologico. La bassa densità, l’alta resistenza, l’elevata rigidezza rispetto al peso, l’eccellente durabilità e la versatilità nell’ assumere le forme più svariate sono le ragioni principali del loro successo come componenti strutturali negli aerei, nelle automobili, nei moduli spaziali, nelle imbarcazioni ed in molti altri campi.

Un composito fibro-rinforzato si ottiene dalla combinazione di due o più componenti: fibra e matrice, nella maggior parte dei casi un polimero. Le fibre occupano la frazione in volume maggiore in un laminato composito, esse forniscono rigidezza e resistenza al composito stesso. E’ molto importante una selezione accurata del tipo, della quantità e dell’orientamento delle fibre in quanto tutto ciò influenza le seguenti caratteristiche di un laminato composito:

1. Densità relativa.
2. Resistenza meccanica e modulo elastico.
3. Meccanismi di resistenza e rottura a fatica.
4. Conduttività termica ed elettrica.
5. Costo.

Il ruolo della matrice in un composito fibro–rinforzato è quello di:

1. trasferire le tensioni tra le fibre;
2. proteggere le fibre dall’azione corrosiva ambientale;
3. proteggere la superficie delle fibre da abrasioni meccaniche;
4. ricreare delle tensioni interne che compattino le fibre e ne impediscano il buckling provocato da un carico a compressione;
5. trasmettere gli sforzi di taglio interlaminari (carichi flessionali) e nel piano (carichi torsionali).

La processabilità e i difetti di un materiale composito, inoltre, dipendono fortemente dalle caratteristiche fisiche e termiche della matrice come la viscosità, il punto di fusione e la temperatura alla quale vengono formati.
La diffusione relativamente povera delle competenze progettuali nel calcolo strutturale, insieme ai costi di produzione elevati è sicuramente uno dei fattori limitanti per un più esteso impiego dei materiali compositi come diretti sostituti di quelli tradizionali come l’acciaio o le leghe leggere. Ciononostante questi materiali sono sempre di più utilizzati per le caratteristiche sopraelencate in un’ampia gamma di settori: aeronautico, aerospaziale, automobilistico, navale-marino, chimico, edile, elettrico, agricolo e sportivo.


SETTORE AERONAUTICO

In campo aeronautico i materiali compositi sono molto utilizzati soprattutto grazie al risparmio in peso unito all’alta resistenza a fatica e alla corrosione. Basta pensare che risparmiando un chilogrammo su un aero medio-piccolo come l’Airbus A320, in un anno si risparmiano circa 300 kg di carburante. Con l’impiego di CFRP (fibre di carbonio in resina polimerica) si arriva ad una riduzione in peso del 20% rispetto all’alluminio. In Fig. 1 sono messe in evidenza le parti di un aeromobile in cui si utilizzano maggiormente i materiali compositi: parti di ali e code, fusoliere, antenne, carrelli di atterraggio, sedili pavimenti, pannelli interni, serbatoi, pale di elicottero (Fig. 2).

In particolare per la realizzazione di pannelli e pavimenti vengono utilizzate strutture sandwich con anima a nido d’ape d’alluminio (Nomex) e pelli in carbonio o Kevlar; per le pelli dell’aereo si impiegano strutture ibride in alluminio e fibre di vetro (Glare, Fig. 3) oppure laminati in fibra di carbonio con resina epossidica.

Lo svantaggio maggiore di tali materiali è legato soprattutto agli elevati costi di produzione. Infatti i processi utilizzati per la produzione degli elementi di un aereo sono caratterizzati da bassa automazione e uso di tecniche manuali che richiedono tempi di produzione lunghi ed un elevato impiego di risorse umane.

Il processo più diffuso e quello della laminazione in autoclave con sacco a vuoto (bag molding) in cui si impiegano preimpregnati di fibra di carbonio in resina epossidica curati in autoclave (vengono anche utilizzati rinforzi in fibra di vetro o kevlar). Dopo aver sovrapposto manualmente i preimpregnati secondo una precisa sequenza di laminazione, legata alle caratteristiche di progetto del pezzo finito, si sottopone il manufatto, tenuto sotto vuoto in un sacco, ad un particolare ciclo di pressione e temperatura in autoclave (Fig. 4). I bassi volumi di produzione e le elevate prestazioni richieste giustificano l’utilizzo di tecniche di produzione manuali e di materiali pregiati.

I compositi sono particolarmente adatti per applicazioni in cui la sollecitazione principale è una pressione interna. In questi casi la tecnica di fabbricazione adottata è la formatura per avvolgimento di fibre (filament winding) particolarmente adatta per riprodurre forme assialsimmetriche come serbatoi per carburante, involucri esterni e coni motori a combustibile solido per razzi (Arianne 6) e missili, tubi di lancio e persino l’intera fusoliera di un aereo (Beech Starship).

Fig. 1 - Applicazione di compositi in un Airbus.

Fig. 2 - Pala rotorica di un elicottero.

Fig. 3 - Strati che costituiscono il Glare.

Fig. 4 - Tipico ciclo di cura a due stadi per un preimpregnato in resina epossidica e fibra di carbonio.

SETTORE AEROSPAZIALE

In termini di utilizzo di materiali innovativi, le applicazioni aerospaziali rappresentano sicuramente il settore più importante anche rispetto all’industria aeronautica. In questo settore, in molti casi, non è adatto nessun altro tipo di materiale, sia per motivi di peso che di variazioni termiche. La riduzione di peso rappresenta il motivo principale per l’impiego di compositi fibro-rinforzati in molti veicoli aerospaziali. Nello Space Shuttle, ad esempio, il risparmio totale in peso grazie al composito fibro-rinforzato è di 1200 kg.

I requisiti di progettazione meccanica per i componenti di un satellite (Fig. 5) di solito vengono determinate dalle condizioni di lancio. Tipicamente per il lancio di razzi convenzionali, l’accelerazione dovrebbe essere di 7 g in direzione assiali e di 1 g in direzione laterale, laddove per il lancio di uno shuttle spaziale l’accelerazione è più uniforme essendo approssimativamente di 5 g in entrambe le direzioni. La frequenza naturale della struttura, e quindi la sua rigidezza, influirà sugli aspetti meccanici del progetto. Il potenziale di accoppiamento causato dalle vibrazioni durante il lancio ha un peso significativo durante la fase di lancio. Una volta in orbita, i carichi meccanici sono relativamente bassi. Le condizioni ambientali possono essere, in alcuni casi, molto severe per i forti cicli termici (la temperatura nello spazio può variare tra -100 e 100 °C), per gli effetti del vuoto, dell’erosione da ossigeno atomico o per l’impatto con micrometeoriti.

Per esigenze di isolamento termico vengono utilizzati i GRP, plastiche rinforzate con fibra di vetro. Questo materiale viene impiegato anche per alcune parabole, ma per tali strutture c’è bisogno di griglie metalliche che forniscono una superficie conduttiva di frequenze radio. Tuttavia, i sistemi a fibra di carbonio sono quei materiali che più spesso vengono associati alle applicazioni aerospaziali. L’elevata rigidezza e l’eccellente stabilità termica su un ampio raggio di temperature li rende ideali in ambiente spaziale: molti laminati in resina epossidica rinforzata con fibra di carbonio possono essere progettati per ottenere un coefficiente di espansione termica vicino allo zero. Carenature, bracci di manipolazione, parabole, pannelli solari di allineamento, piattaforme e banchi ottici, complementari per le quali la rigidezza è una caratteristica indispensabile, soltanto negli ultimi anni essi stanno trovando applicazione nelle strutture principali. In passato l’esigenza di combinare rigidezza e resistenza, conducibilità termica ed elettrica ha favorito l’impiego dei metalli. Tuttavia, le richieste per la riduzione dei pesi sono state decisive per lo sviluppo di nuovi materiali e ci sono ad oggi dei satelliti (Fig. 6) costituiti in predominanza da sotto sistemi di strutture in composito.

Fig. 5 - Satellite artificiale .

Fig. 6 - Tpica struttura in resina epossidica e fibra di carbonio di un satellite per comunicazioni.

SETTORE AUTOMOBILISTICO

Sebbene vi sia un ampio utilizzo di materiali plastici nell’industria automobilistica, essi vengono usati per lo più nei componenti non strutturali ovvero non soggetti a sicurezza critica. Tuttavia vi è un interesse crescente per quanto riguarda l’uso di materie plastiche fibro-rinforzate che trovano applicazione anche in componenti tipicamente strutturali come le molle per sospensioni e gli organi di trasmissione. Gli elementi non strutturali in materiale composito tipicamente presenti sono: parti di carrozzeria, cabine per camion, spoilers, quadri comandi, pannelli porta-strumenti, alloggiamenti per luci, paraurti (Fig. 7). La possibilità di ottenere materiali leggeri che incrementassero il risparmio di carburante, è stato uno dei punti forza per lo sviluppo dei compositi nelle auto. La sostituzione di componenti più leggeri non solo contribuisce al risparmio energetico ma si ripercuote anche nelle dimensioni del sistema frenante, del motore, dei serbatoi di carburante che potranno essere ridotte. Le applicazioni strutturali dei compositi nelle auto possono essere distinte in due categorie:

- la sostituzione diretta di componenti esistenti o
- l’integrazione di una molteplicità di parti in acciaio in un’unica struttura in composito.

La seconda categoria di compositi permette di ridurre in modo significativo il numero delle singole operazioni di produzione.

Vi sono differenze notevoli per quanto riguarda l’applicazione dei compositi in campo aeronautico rispetto all’industria automobilistica. La differenza più evidente è legata alle richieste produttive dei due settori: in aeronautica il progetto strutturale viene ottimizzato per raggiungere determinate prestazioni richieste e di conseguenza viene selezionato il processo produttivo più adatto. Al contrario, l’industria dell’auto richiede una velocità di produzione in grado di fornire i componenti che rientrino in un determinato costo unitario. Quindi, per prima cosa vengono selezionati i processi produttivi in base ai volumi richiesti e la progettazione del componente dovrà adattarsi al processo di fabbricazione individuato. La fibra maggiormente impiegata nelle applicazioni strutturali automobilistiche, che fornisce un ottimo rapporto prestazione – costo, è la fibra di vetro (E-glass fibre). Per quanto riguardo le resine in questo campo dominano le poliestere e le acriliche essendo le più economiche. I materiali ad alta prestazione come le fibre di carbonio e le resine epossidiche, vengono impiegati solo per applicazioni strutturali.

Il processo che meglio si adatta alle condizioni dell’industria dell’auto (bassi costi ed alti volumi) è lo stampaggio per trasferimento di resina (resin transfer molding, RTM) che produce elementi con superfici finite su entrambi i lati. Esso consiste nell’inserimento di un preformato in fibra di vetro in uno stampo chiuso all’interno del quale viene pompata la resina catalizzata con una pressione compresa tra 69 e 690 KPa (Fig. 8). La resina viene fatta successivamente polimerizzare a temperatura ambiente. Per accelerare il processo di indurimento si può preriscaldare sia la resina che lo stampo. Il RTM viene utilizzato per volumi di produzione che vanno dai 5000 ai 50000 pezzi all’anno.

Un altro processo utilizzato in questo settore è lo stampaggio a compressione (compression molding) di preimpregnati SMC o Sheet Molding Compound. Si tratta di una tecnologia molto diffusa per la produzione di componenti di tipo e dimensioni molto diverse. In questo processo la carica è costituita da una mistura premiscelata di resina e rinforzo (preimpregnato SMC). La carica viene posizionata, in quantità predeterminata, all’interno di uno stampo costituito da due sagome attivabili termicamente (Fig. 9). Lo stampo viene chiuso sotto pressione in modo che la carica si distribuisca nelle cavità dello stesso. Il preimpregnato è proporzionato per scorrere nello stampo , a caldo, sotto l’azione della pressione di chiusura, in modo da riempire completamente lo spazio tra stampo e controstampo. Durante lo scorrimento le fibre assumono una disposizione e una orientazione che può essere prevista solo approssimativamente. Tutto ciò dà luogo a un materiale dalle proprietà medio-basse rispetto alle massime attendibili. Le fibre devono essere del tipo “fibre corte”, per permettere lo scorrimento delle stesse.

Sviluppi notevoli sono stati ottenuti sia in termini di dimensione e aspetto superficiale delle parti (molto apprezzate in ambito automobilistico) che in ambito impiantistico nella ottimizzazione dei cicli di produzione in serie. Le pressioni di lavorazione sono rilevanti e richiedono macchine dotate di sistemi di regolazione e di controllo. Con tale processo vengono prodotte parti non strutturali con una velocità accettabile per le produzioni di serie.

Il discorso cambia drasticamente quando si passa alle vetture sportive ed alle Supercar. In Formula 1 i compositi a fibra di carbonio vengono utilizzati per tutte le strutture, anche per particolari piccoli e non strutturali quali lo sterzo o i condotti di ventilazione dei freni. In questo caso vengono utilizzate le tecnologie aeronautiche.

L’ultimo modello Ferrari, la “Enzo”, vostra per la modica cifra di 600.000 € tempo di consegna un anno, ha il telaio la carrozzeria e altre parti, strutturali e non, in materiale composito a base fibra di carbonio. Ad ogni modo a prescindere da queste applicazioni esoteriche, le case automobilistiche più importanti prevedono nel prossimo futuro un utilizzo sempre crescente anche delle fibre di carbonio, ciò sarà realizzabile abbattendo i prezzi delle materie prime sfruttando i maggiori volumi di produzione, e utilizzando nuove e migliorate tecnologie. Consorzi di ricerca Europei stanno affrontando attivamente questo problema.

Concludiamo quest’articolo indicando la più importante mostra congresso sui materiali compositi, che negli ultimi anni è diventata il JEC, Journals and Exhibitions on Composites, ogni anno, circa 10000 visitatori e 800 espositori si riuniscono a Parigi per mostrare vedere e discutere delle ultime applicazioni, apparecchiature, e materiali nel campo dei Compositi. Contemporaneamente si svolge la SAMPE (Society for Advancement of Materials and Processing European Conference) con una media di quattrocento iscritti, ed una centinaia di lavori che rappresentano la punta di diamante della ricerca nei compositi avanzati. Durante il JEC sono previsti vari forum e tutorials che ogni anno approfondiscono un aspetto delle applicazioni dei compositi. Negli anni passati tali forum anno avuto come argomento i compositi nelle applicazioni marine, i compositi per la costruzione e la ristrutturazione degli edifici, ed i compositi per applicazioni nei trasporti. A tali forum partecipano le principali industrie ed i più importanti esperti del settore. Quest’anno l’attenzione e stata concentrata sull’aerospaziale, e per saperne di più si può consultare www.jeccomposites.com.

Fig. 7 - Schema delle parti in composito di un automobile .

Fig. 8 - Schematizzazione del processo RTM.

Fig. 9 - Schematizzazione del processo di stampaggio di stampaggio per compressione (SMC).

BIBLIOGRAFIA

[1] P. K. Mallick, Fiber-Reinforced Composites, Marcel Dekker, 1993.

[2] Geoff Eckold, Design and manufacture of composite structures, Leonard Hollaway, Woodehead publishing limited.