Compositi Magazine 34 Dicembre 2014 by Tecnedit Edizioni

www.compositimagazine.it Poste Italiane spa . Spedizione in abbonamento Postale - D.L. 353/2003 (conv. In L.27/02/2004 n.46) art. 1, comma1, DCB Milano

Seguici su: Gruppo Compositi Magazine |

magazine

@Compositi_mag

Organo ufficiale di Assocompositi

anno IX - numero 34 dicembre 2014

il nostro team Vi augura BUON NATALE e FELICE ANNO NUOVO MERRY CHRISTMAS and HAPPY NEW YEAR JOYEUX NOEL et BONNE ANNﾃ右 FROHE WEIHNACHTEN und EIN GUTES NEUES JAHR FELIZ NAVIDAD y FELICES Aﾃ前 NUEVO

Prova Femap gratis! Software FEA Avanzato

Editoriale

Prof. Roberto Frassine, Presidente Assocompositi

Positive trends

Segnali positivi

The European market is starting to show some signs of recovery. With the exception of France - in severe recession - and Germany where the market is stable although ever at impressive levels, our Country shows a positive trend particularly in the marine industry and Spain also follows. Very well the UK, also thanks to government incentives.

Il mercato europeo comincia a dare qualche timido segnale di ripresa. Con l’eccezione della Francia - in severa recessione - e della Germania dove il mercato è stabile anche se sugli impressionanti livelli di sempre, il nostro Paese mostra segnali positivi soprattutto nel settore nautico e anche la Spagna fa la sua parte. Molto bene il Regno Unito, anche grazie agli incentivi pubblici.

The recent exhibition and conference in Birmingham, with more than 700 exhibitors and about 13 000 visitors during the two days of opening, is further confirmation that our industry, despite the objective economic difficulties, is dynamic, innovative and always looking for new industrial applications. Functional materials, production technologies additive (the so-called 3D), printable circuits on flexible support and applications of graphene were on display, but a special attention has also been paid to the optimization of production and environmental impact. The impression has been that of a dynamic and very well organized market, also thanks to the government direction.

La recente mostra convegno di Birmingham, con più di 700 espositori e circa 13 000 visitatori nei due giorni di apertura, è l’ulteriore conferma che il nostro settore nonostante le oggettive difficoltà economiche è dinamico, innovativo e coinvolge sempre nuovi settori industriali. Sono stati presentati materiali funzionali, tecnologie di produzione additive (il cosiddetto 3D), circuiti stampabili su supporto flessibile e applicazioni del grafene ma anche molta attenzione è stata dedicata all’ottimizzazione della produzione e all’impatto ambientale. L’impressione è stata quella di un mercato dinamico e molto ben organizzato, grazie anche alla regia statale.

Next year we will see the new classification of styrene coming into force in June. Although we await precise indication from the European Community regarding its implementation, the results are already known, and our Country should be sufficiently well positioned compared to other European partners, thanks to the low level of maximum allowed emissions (20 ppm) when compared to France (50 ) and the UK (100). We then look with confidence to this new challenge to make working in our industry safer than ever. So, the overall situation appears very dynamic and our Country plays its role. Very indicative, in my opinion, is the strong demand for training: in the UK, for example, the doubling of the National Composites Center in Bristol (+ 4000 m2 ) will be largely devoted to training areas. Even in Italy there has been a strong increase in demand. Our Association is - as always - alongside our Members to help them satisfy their needs.

L’anno prossimo ci aspetta la novità della nuova classificazione dello stirene, che entrerà in vigore a giugno. Nonostante si attendano precise indicazione dalla Comunità Europea riguardo alla sua attuazione, i risultati sono già noti e il nostro Paese dovrebbe essere sufficientemente ben posizionato rispetto agli altri partner europei, grazie al basso livello di emissioni massime consentite (20 ppm) se confrontato con Francia (50) e Regno Unito (100). Guardiamo quindi con fiducia a questa nuova sfida per rendere più sicuro il lavoro nella nostra industria. Il panorama è quindi dinamico e il nostro Paese può fare la sua parte. Molto indicativa, a mio giudizio, la forte richiesta di formazione da parte delle imprese: nel Regno Unito, ad esempio, il raddoppio del National Composites Center di Bristol (+ 4 000 m2 ) sarà in gran parte dedicato a spazi per la formazione. Anche in Italia si assiste ad un forte incremento della domanda. La nostra Associazione è, come sempre, a fianco dei nostri Soci per aiutarli a soddisfare anche questa esigenza.

Compositi

PARTNER EVERYWHERE

G S I

M O D U L E

C E N T E R

GSI Module Center, our new plant concept, aims to meet today’s challenging customer needs, and offers a top quality service, logistically efﬁcient and low-cost.

GLOBAL - OUR VISION To increase production capacity establishing plants close to the most important customers: this is our vision, based on the key concept “think global, be local”. To be a global supplier, offering turnkey products and granting a global service.

SYSTEM - OUR PRODUCTS To supply turnkey assembled systems, increasing the product added value, going way further the manufacturing and sale of components moulded in composite materials. INTERNATIONAL - OUR MISSION To operate worldwide

art work: www.genuine.it

as a global supplier able to exceed customer expectations delivering top quality products and services, on time and on budget, gathering advanced technologies, devoted people and excellence in everything we do on an international basis.

Global System International S.p.A. via Enrico Fermi, 57 - 24020 Scanzorosciate (BG) - Italy phone: +39 035 655524 - 667219 - 668143 fax: +39 035 667159 - e-mail: info@gsigroup.net

www.gsigroup.net

Sommario Anno IX – Numero 34 Year IX – Issue 34 Dicembre 2014 December 2014 Periodicità trimestrale Quarterly review

EDITORIALE

VITA ASSOCIAZIONE

6 7

Tecnica tabicada e FRCM per il rinforzo di volte in folio Tabicada technique and FRCM for the reinforcement of thin vaults Antonio Borri, Giulio Castori, Marco Corradi Nanotecnologie e nanomateriali

Dagli edifici sostenibili alle città intelligenti

Nanotechnology and Nanomaterials

From sustainable buildings to smart cities

Andrea Sorrentino, Claudia Altavilla, Salvatore Iannace Simulazioni numeriche per ottimizzare i compositi a base di grafene Numerical simulations for the optimization of Graphene-based composite Federico Bosia e Nicola M. Pugno

Piscine in composito polimerico per navi da crociera Polymer composite swimming pools for cruise ships A. Pullara

Il primo skiff in fibra di bamboo The first bamboo fiber skiff

La ricerca a supporto dell’innovazione Andrea Ratti e Arianna Bionda

VETRINA NAUTICA

VETRINA RESINE, MATERIE PRIME, ADDITIVI

La tomografia per la qualifica di componenti aeronautici Computed tomography for qualification of aircraft components Claudio Cappabianca

VETRINA CARATTERIZZAZIONE DEI MATERIALI, QUALITÀ, PROVE NON DISTRUTTIVE

Registrazione al tribunale di Milano n. 189 del 20/03/2006 Pubblicità e Marketing via Delle Foppette, 6 20144 Milano – Italy tel. +39 0236517115 fax. +39 0236517116 e-mail: marketing@tecneditedizioni.it Progetto grafico impaginazione e fotolito Photo type – setting Bonazzi grafica - Sondrio Stampa - Printed by Bonazzi grafica - Sondrio È vietata la riproduzione, anche parziale, senza l’autorizzazione della casa editrice Reproduction even partial is forbidden, without the permission of the publisher Direttore responsabile Publishing manager Liliana Pedercini Coordinamento di redazione Editing Co-ordination Anna Schwarz Ufficio Commerciale Sales office Ramona Foddis

VETRINA

APPUNTAMENTI

abbonamento Italia € 25,00 abbonamento Estero € 50,00 una copia € 7,00

Comitato Tecnico – Scientifico Technical Scientific Committee Luigi Ascione Andrea Benedetti Roberto Frassine Alfonso Maffezzoli Orazio Manni Mario Marchetti Claudio Migliaresi Carlo Poggi Marino Quaresimin Andrea Ratti Giuseppe Sala Antonino Valenza Maurizio Vedani A questo numero hanno collaborato Contributors Claudia Altavilla Roberto Baraccani Arianna Bionda Antonio Borri Federico Bosia Claudio Cappabianca Giulio Castori Marco Corradi Roberto Frassine Salvatore Iannace A. Pullara Nicola M. Pugno Andrea Ratti Andrea Sorrentino

Compositi

Terza Scuola estiva compositi 2014

Rinvio Assemblea Straordinaria

Informiamo che l’Assemblea Straordinaria dei Soci Assocompositi è stata rinviata al 31 gennaio 2015. La riunione si terrà presso uno studio notarile di Bergamo con lo scopo di deliberare in materia di Statuto. Poiché la partecipazione del maggior numero possibile di Soci è di fondamentale importanza, per ulteriori informazioni si prega di contattare al più presto la nostra Segreteria.

Workshop e seminari Assocompositi a Compotec 2015

Nell’ambito di Compotec 2015 (Carrara 4-6 febbraio) Assocompositi organizzerà un workshop pratico di tre giorni dedicato alla tecnologia dello RTM (coordinato dal Prof. Andrea Ratti del Politecnico di Milano). Nel corso delle diverse fasi delle dimostrazioni ci saranno interventi tecnici dedicati a tecnologie per le membrane riutilizzabili, soluzioni per il settore dei compositi (cicli distaccanti, preforme, resine, rinforzi, incollaggi, software) e processi produttivi razionalizzati basati sulla tecnica RTM. Al workshop si aggiungerà, il 4 febbraio alle ore 10:30, anche un seminario tecnico sui seguenti temi: applicazioni dei compositi nei settori automotive a aerospazio (materiali e tecnologie), riciclo e impatto ambientale dei materiali compositi, testing e analisi non distruttive e progettazione. I programmi di entrambi gli eventi sono online nel nostro sito. La partecipazione è gratuita.

Ultima chiamata per il Padiglione Italia a JEC Europe 2015

Nel padiglione italiano all’interno di JEC Europe 2015 (Parigi, 10-12 marzo) è ancora disponibile uno stand ad un prezzo scontato. L’area collettiva italiana coordinata da Assocompositi occuperà 81 mq e sarà situata in un corridoio centrale nella hall 7.3 con una piccola lounge interna e tavoli per b2b. Per ulteriori informazioni e il layout contattateci al più presto: info@assocompositi.it.

Ottimo risultato per il seminario sui compositi al Proplast Lo scorso 20 novembre Assocompositi ha organizzato in collaborazione con CS Academy e Proplast il seminario gratuito “Compositi termoindurenti e termoplastici: stato dell’arte e trasformazione”. Il seminario si è tenuto presso il Consorzio Proplast a Rivalta Scrivia (AL) e ha registrato una cinquantina di presenze. Il programma e gli atti sono disponibili online nel nostro sito.

Report Composites Europe 2014

Ottimo risultato riconfermato anche quest’anno per il Padiglione italiano a Composites Europe, organizzato da Assocompositi in collaborazione con Reed Exhibition, dal 7 al 9 ottobre a Düsseldorf. Ringraziamo tutti i Soci che hanno partecipato al nostro padiglione: Elantas Italia, Gavazzi, HP Composites, Marte resine, Maroso, Mates Italiana, Tecnedit e Vaber. Sul portale www.compositimagazine.it sono disponibili le interviste realizzate con i Soci durante l’evento. L’appuntamento per il 2015 sarà a Stoccarda dal 22 al 24 settembre.

Compositi

Assocompositi, in collaborazione con AIMAT, CETMA, Università del Salento e SAMPE, ha organizzato la Terza Scuola estiva Compositi che si è tenuta tra Lecce e Brindisi dal 24 al 26 settembre scorsi. Tra le aziende partecipanti Alenia, Agusta, Cannon, CETMA, Chem-Trend, Cytec, Delta-Tech, Dow, Huntsman e Semat. Si sono tenute anche lezioni a cura del Politecnico di Milano, Università del Salento, Università di Bath e Università di Perugia. La Scuola ha incluso anche una visita aziendale presso Agusta Westland, mentre l’ultima giornata si è svolta a Brindisi presso il CETMA con lezioni ed esperienze pratiche presso il laboratorio tecnologie del Centro di ricerca. I partecipanti sono stati circa 50. Gli atti della Scuola sono disponibili nel sito www.assocompositi.it

Nuovi Soci Siamo molto lieti di dare il benvenuto al nuovo Socio Ordinario Marte Resine (www.marteresine.com), azienda con sede a Brugherio (MB), produttrice di resine poliestere insature destinate al mercato dei manufatti compositi.

CAMPAGNA ASSOCIATIVA 2015

Assocompositi riserva ai nuovi Soci che decidano di aderire per il biennio 2015/16 uno speciale sconto di 500 euro sulla quota associativa del primo anno. Ricordiamo che le quote associative standard sono le seguenti: - Soci Sponsor - quota annuale € 3.500 - Soci Industriali - quota annuale € 1.400 - Soci Tecnici/Consulenti - quota annuale € 150 - Soci Docenti - quota annuale € 100 - Soci Studenti - quota annuale € 25. Per ricevere la scheda di iscrizione si prega di contattare la Segreteria all’indirizzo: info@assocompositi.it

CALENDARIO PROSSIMI EVENTI Fiere

Convegni

Wind Turbine Blade Manufacture 1-3 dicembre 2014, Germania

International injection moulding conference 2-3 dicembre 2014, Germania

Plast Eurasia Istanbul 4-7 dicembre 2014, Turchia

5th International Conference Automotive Composites 2014 2- 4 dicembre 2014, Germania

India Composites Show 2014 10-12 dicembre 2014, India Compotec 2015 4-6 febbraio 2015, Italia Composite-Expo 2015 25-27 febbraio 2015, Russia

9th European Bioplastics Conference 2-3 dicembre 2014, Belgio ICCM 2015 30-31 gennaio 2015, Emirati Arabi CompIC 2015 3 febbraio 2015, Paesi Bassi

Antonio Borri, Giulio Castori, Marco Corradi – Dipartimento di Ingegneria, Università di Perugia

Tecnica tabicada e FRCM per il rinforzo di volte in folio Una campagna sperimentale, condotta su 17 modelli di archi murari in folio rinforzati estradossalmente utilizzando la tecnica costruttiva catalana tabicada, ha dimostrato come questa antica tecnica di intervento possa essere riproposta, mediante l’impiego di materiali compositi, all’interno di alcune specificità della tradizione costruttiva italiana.

e strutture ad arco sono caratterizzate, in generale, da una buona capacità di adattamento alle variazioni della configurazione geometrica, potendo distribuire le deformazioni sui giunti di malta senza determinare, entro certi limiti, la formazione di lesioni significative. Risulta evidente come l’innesco dei cinematismi di dissesto non sia condizionato tanto dal superamento dei limiti di resistenza dei materiali, quanto dall’incapacità dei vincoli di contrastare le azioni trasmesse dalla volta, ovvero dall’incapacità della struttura di adattarsi a quegli spostamenti orizzontali e verticali delle imposte, che, benché responsabili dell’insorgere di fessurazioni, consentono alla struttura stessa di ritrovare sufficienti condizioni di equilibrio per la configurazione variata [10]. Una simile possibilità di movimento deve essere considerata in sede progettuale in modo adeguato, evitando di introdurre dispositivi diversi da quelli di semplice presidio: obiettivo dell’intervento dovrebbe essere inserire elementi di rinforzo che si manifestano solo nel caso di eventi straordinari (quali un sisma), senza alterare l’assetto statico ordinario, onde conservare, inalterati, i caratteri costruttivi della struttura originaria [11]. Un’attenta analisi delle soluzioni di tipo tradizionale (archi di rinforzo intradossali, tiranti, catene, ecc.), quando supportata da una conoscenza approfondita dei materiali messi a disposizione dalla moderna tecnologia, può fornire spunti per soluzioni alternative, la cui efficacia va dimostrata attraverso un’opportuna sperimentazione. In quest’ottica il carattere peculiare e le sorprendenti capacità espresse dalla tecnica costruttiva catalana tabicada (sviluppatasi nel corso dell’ottocento in Catalogna ma di origini risalenti al XV secolo, fig.1) rendono un tale sistema costruttivo interessante nell’ipotesi di una sua attualizzazione (“tabicada armata”, fig.1), mediante l’impiego di materiali compositi, come tecnica di intervento

mirata, in particolare, al rinforzo di una tipologia muraria presente nel patrimonio edilizio storico italiano: la volta in folio. Per verificare l’adeguatezza di tale tecnica, sono state avviate prove sperimentali che hanno fornito interessanti risultati sia sul piano progettuale e della pratica cantieristica, sia sul versante dell’analisi del funzionamento strutturale. LA TECNICA DI RINFORZO La tecnica proposta rappresenta un’evoluzione di una tecnica muraria tradizionale di origine catalana, denominata costruzione tabicada (fig.1).

2° strato di laterizi malta di calce 3° strato di laterizi muretto di contenimento

arcone

volta in foglio

la realizzazione di strutture portanti di chiusura orizzontale [7]. Esempi sono rintracciabili a partire dalle antiche esperienze costruttive degli Assiri e dei Sumeri, attraverso gli Egiziani, fino al periodo romano; le volte catalane furono poi impiegate nel periodo rinascimentale (esempi due-trecenteschi confermano la sua persistenza anche nel periodo medioevale) e, in forma persistente soprattutto nell’Italia centrale, nel Seicento, Settecento e tutto Ottocento [8]. La peculiarità di ordine costruttivo riguarda la capacità di tali strutture a resistere a stati tensionali di trazione di entità non trascurabile [12] [9]. Si introduce il concetto di coesività (monolicità strutturale) come caratteristica unica della costruzione tabicada. In sostanza viene affermato che una struttura voltata realizzata con un’unica fila di laterizi posti di piano deve essere considerata come una “struttura gravitativa”, poiché l’esistenza di soli giunti verticali induce una discontinuità strutturale, con zone localizzate a resistenza variabile, nelle quali la malta deve rendere possibile l’esecuzione della curvatura desiderata mediante la graduale variazione

pilastro

Fig.1: Spaccato assonometrico di una volta realizzata con la tecnica tabicada [9] Il termine bóveda tabicada significa “tramezzo voltato” o “volta a tavola” ed indica un elemento costruttivo ad andamento curvilineo, costituito da una successione di strati (massimo quattro) di pianelle di laterizio delle dimensioni ordinarie di 150×300×15 mm, poste di piatto e murate con pasta di gesso o cemento rapido lungo il primo strato e con malta di cemento e calce nei successivi. Si può definire la volta tabicada come una volta eseguita con laterizi disposti di piatto [1]. È una prima caratterizzazione che permette di orientare l’indagine all’interno di un più ampio campo di esperienze costruttive storiche nelle quali tali volte vennero impiegate per

Fig.2: Prove di carico su modelli sperimentali di volta tabicada

Compositi

- Tecnica tabicada e FRCM per il rinforzo di volte in folio dell’angolo di inclinazione dei giunti stessi, senza però fornire un contributo statico importante all’equilibrio globale della struttura stessa (fig.2a). Diversamente, sovrapponendo al primo corso di laterizi un secondo (o un terzo) con giunti sfalsati nelle due direzioni e frapponendo fra i due uno strato di malta di cemento e calce, l’ipotesi di un comportamento resistente a trazione diventa conseguente (fig.2b). L’importanza di questo sistema costruttivo non è solo riconducibile ad un interesse storiografico sulle tecniche e sui modi di costruire della tradizione. Vi è anche una finalità pratica riguardante la sua riproposizione come tecnica di intervento mirata, in particolare, a rinfor-

zare una tipologia costruttiva, quella delle volte in folio portanti, diffusamente presente in tutto il contesto italiano e, in particolar modo, nelle regioni dell’Italia centrale. In questo ambito di interesse, un orientamento seguito nella pratica professionale ed attestato anche dalla manualistica di riferimento nella definizione delle modalità tecniche di intervento sulle volte murarie, si basa sull’uso di sistemi intesi a sollevare da ogni apporto statico la configurazione voltata originaria con l’inserimento di nuovi elementi resistenti svincolati o in sostituzione dalla struttura oggetto dell’intervento. In alternativa a questo approccio, nell’ipotesi teorica posta alla base dell’im-

piego della tecnica tabicada, viene riaffermata l’importanza assunta dalla trasformazione della volta in folio originaria in un elemento collaborante ed attivo del meccanismo di resistenza complessiva dell’organismo statico. Quindi, invece di escludere da ogni contributo strutturale la volta in folio esistente, come previsto ad esempio dall’impiego estradossale di solette in cemento armato, viene perseguita la strada di renderla collaborante con la nuova configurazione voltata multistrato. In questa ottica l’impiego aggiuntivo di materiali compositi rappresenta una naturale evoluzione del suddetto sistema costruttivo (“tabicada armata”, fig.3). Sovrapponendo al primo corso di laterizi un secondo (o un terzo) con giunti sfalsati nelle due direzioni e frapponendo fra i due una rete in fibra di vetro immersa in una matrice di malta idraulica o cementizia, si ottiene un comportamento differente dove si evidenzia una collaborazione attiva e decisiva del rinforzo stesso. CARATTERIZZAZIONE DEI MATERIALI Malta Gli archi sono stati costruiti con due diverse tipologie di malta idraulica, di cui una confezionata in loco (tipo 1) ed un’altra premiscelata (tipo 2). Per la prima tipologia è stata realizzata una malta povera, simile a quella utilizzata nella realizzazione di edifici monumentali, avente la seguente composizione: 1 parte di calce idrata; 0,15 parti di cemento; 2 parti di sabbia fine, diametro massimo 0,5 mm. La malta è stata caratterizzata attraverso prove di flessione e di compressione su prismi seguendo le indicazioni contenute nelle ASTM C348 e ASTM C349. Per quanto riguarda le prove di flessione, i risultati dei test, calcolati con l’equazione:

Rf =

6M 6 Pl Pl = 3 = 1.5 3  b3 b 4 b

dove P è il carico massimo, l l’interasse tra gli appoggi e b il lato della sezione quadrata, hanno fornito un valore medio della resistenza pari a 0.16 ± 0.07 MPa. I 12 rimanenti semiprismi ricavati dalle prove a flessione sono stati sottoposti a prove di compressione. Dai risultati dei test, secondo l’espressione: Fig.3: Ipotesi di attualizzazione della tecnica tabicada (“tabicada armata”) con materiali compositi FRCM: a tipo UT, tecnica tabicada tradizionale; b tipo IT, rinforzo solo nei giunti di malta; c tipo OT, rinforzo nei giunti di malta e lungo la superficie estradossale (disegni Ing. Riccardo Vetturini)

Compositi

Rc =

P  b2

Superabrasives Diamond and Borazon® tools production Torino Italy www.leomadiamant.it info@leomadiamant.it

si è ottenuta una resistenza media a compressione di 0.58 ± 0.06 MPa. La seconda tipologia di malta impiegata è la “Rinzaffo Storico terra gialla” prodotta dalla CVR le cui caratteristiche meccaniche sono riportate in tabella 1.

Proprietà meccaniche

RINZAFFO STORICO

Peso specifico (kg/m3 )

1650

Granulometria aggregati (mm)

≤ 1.5

Res. flessione 28 giorni (MPa)

1.96

Res. compress. 28 giorni (MPa)

5.25

Tab.1: Proprietà meccaniche della malta premiscelata

DIAMOND GRINDER FOR GRP PIPES Leoma Diamant produces since 25 years diamond chamfer wheel, cut-off saws and grinding drums for all the major pipe manufacturers in the middle east and world-wide.

Laterizi Le principali caratteristiche pianelle di laterizio (250×120×35 mm) impiegate per la realizzazione dei pilastri sono state determinate tramite prove di compressione uniassiale e prove a trazione per flessione (ASTM C1314 e ASTM C1006), che hanno fornito una tensione media di rottura pari rispettivamente a 20.99 e 6.75 MPa. Rete in fibra di vetro Per il rinforzo è stata impiegata una rete in fibra di vetro, con maglia di dimensione 66x66 mm, prodotta da Fibre Net s.r.l. (fig.4).

Fig.4: Rete in fibra di vetro Le caratteristiche meccaniche sono state desunte attraverso l’esecuzione di prove di trazione meccanica, eseguite seguendo le indicazioni contenute nelle norme ACI 440 (tab.2).

Proprietà meccaniche

“FB MESH66X66”

Spessore (mm)

2.8

Resistenza a trazione (N/mm2 )

680

Modulo Elastico (MPa)

39800

Allungamento a rottura (%)

1.9

Tab.2: Proprietà meccaniche del rinforzo

nces a m r o f r e nal p tools ...exceptio

mond tions... a i d N A I L ca ITA ied appli ost var

for the m

Leoma Diamant’s PRODUCTION: » Cutting discs » Milling cutters » Band saws » Machine files » Hand files » Needle files » Wheels on shank » Special wheels » Grinding wheels » Hole saws » Custom’s tools

Compositi

- Tecnica tabicada e FRCM per il rinforzo di volte in folio LA SPERIMENTAZIONE Test matrix Per determinare il comportamento a rottura della struttura rinforzata, sono stati confezionati 17 archi a sesto ribassato (luce di 2000 mm, freccia 700 mm) costituiti da due (spessore 80 mm, fig.5a) o tre strati (spessore 130 mm, fig.5b) di pianelle di mattoni. La tabella 3 riporta il programma di prova. Ciascun provino è identificato da un codice alfanumerico costituito da tre indici, in cui il primo identifica il numero di strati di laterizio (DR = 2 strati, TR = 3 strati), il secondo il sistema costruttivo adottato (UT = Tabicada; IT = “Tabicada armata” con rinforzo nei giunti di malta; OT = “Tabicada armata” con rinforzo nei giunti di malta e all’estradosso dell’arco), mentre il terzo il numero del campione di prova. Test Setup Si sono effettuate prove monotoniche con carico concentrato applicato in chiave (fig.6). Il carico, impartito gradualmente mediante un martinetto idraulico montato su un telaio a portale sufficientemente rigido, è stato trasferito al concio di chiave attraverso l’interposizione di un coltello di carico, costituito da una piastra in acciaio (190×250 mm). Gli archi sono stati posizionati su una struttura di contrasto, costituita da due elementi piatti 50×4×2250 mm collegati con ferri a L alle estremità, per impedire spostamenti orizzontali sul piano dell’arco. Inoltre per monitorare gli spostamenti della struttura sono stati impiegati dei trasduttori di spostamento (LVDT).

Fig.5: Geometria dei campioni di prova (dimensioni in mm):

Campione

Numero di strati

archi con due strati;

Mortar type

DR.UT.01

Tipo 1

DR.UT.02

Tipo 2

DR.IT.01

Tipo 1

DR.IT.02 DR.OT.01

Tipo 2

Doppio strato

Tipo 2

DR.OT.02

Tipo 2

DR.OT.03

Tipo 2

DR.OT.04

Tipo 2

TR.UT.01

Tipo 1

TR.UT.02

Tipo 2

TR.UT.03

Tipo 2

TR.IT.01

Tipo 1

TR.IT.02

Tipo 2

TR.IT.03

Triplo strato

Tipo 2

TR.OT.01

Tipo 2

TR.OT.02

Tipo 2

TR.OT.03

Tipo 2

archi con tre strati

Strengthening schemes Tabicada Tabicada armata (rinforzo nei giunti di malta) Tabicada armata (rinforzo nei giunti di malta e all’estradosso dell’arco) Tabicada

Tabicada armata (rinforzo nei giunti di malta) Tabicada armata (rinforzo nei giunti di malta e all’estradosso dell’arco)

Tab.3: Test matrix

Carico crisi (kN)

Abbassamento (mm)

Modalità rottura

DR.UT.01

0.15

Meccanismo

DR.UT.02

1.57

2.46

Meccanismo

Arco

Fig.6: Layout della prova RISULTATI SPERIMENTALI Archi a due strati Per quanto concerne gli archi consolidati con la tecnica tabicada (serie DR-UT), benché, in accordo ai dati riportati in letteratura [10], entrambi i campioni di prova abbiano mostrato la medesima modalità di crisi (collasso per meccanismo a quattro cerniere, fig.7), i valori del carico di rottura sono stati diversi. Mentre l’arco realizzato con la malta 1 ha registrato un carico ultimo molto modesto (0.15 kN), l’arco realizzato con la mal-

Compositi

DR.IT.01

0.82

4.88

Crisi matrice + instabilizzazione pianelle

DR.IT.02

3.52

26.53

Crisi matrice + instabilizzazione pianelle

DR.OT.01

8.32

27.13

Crisi matrice + instabilizzazione pianelle

DR.OT.02

10.54

3.21

Crisi matrice + instabilizzazione pianelle

DR.OT.03

8.50

13.93

Crisi matrice + instabilizzazione pianelle

DR.OT.04

7.49

8.64

Crisi matrice + instabilizzazione pianelle

Tab.4: Archi a due strati: risultati sperimentali

- Tecnica tabicada e FRCM per il rinforzo di volte in folio ta premiscelata (tipo 2) è andato in crisi per un valore del carico ultimo maggiore (1.57 kN). Nel caso della presenza della rete in fibra di vetro, si è osservata una diversa modalità di collasso. In ciascun campione di prova si è osservata la formazione di una fessura nel giunto tra i due strati costituenti l’arco (crisi della matrice per scorrimento all’interfaccia malta-mattone), cui è seguita la crisi dell’arco più esterno causata da fenomeni di instabilizzazione delle pianelle situate in prossi-

mità della zona di carico (fig.8). La posizione del rinforzo ha influenzato i valori del carico di rottura. Mentre per gli archi IT (rinforzati con la rete in fibra di vetro posizionata nei soli giunti di malta) si è avuto un incremento del carico ultimo pari al 448% per l’arco realizzato con la malta 1 e del 123%, per l’arco realizzato con la malta premiscelata, nel caso degli archi OT (rinforzati con la rete in fibra di vetro posizionata sia nei giunti di malta che all’estradosso) si sono ottenuti incrementi variabili tra 376% e 569%.

Fig.8: Archi consolidati con la tecnica tabicada e la rete in fibra di vetro: crisi della matrice e successiva instabilizzazione delle pianelle

Fig.7: Archi consolidati con la tecnica tabicada: crisi per meccanismo

Possible where is impossible

Specialinsert saprà indicarti la soluzione migliore nel fissaggio dei materiali compositi. Specialinsert, leader nel settore del fissaggio meccanico, ha le risorse e competenze tecnologiche per offrire consulenza a tutte le aziende che necessitano di sistemi di fissaggio su materiali compositi e propone soluzioni personalizzate per ogni tipo di necessità.

www.specialinsert.it RISORSE

•

KNOW HOW

•

SVILUPPO

•

AFFIDABILITÀ

• Compositi

QUALITÀ

Contatta il nostro SETTORE COMPOSITI per una consulenza di qualità: +39 011.700.301

- Tecnica tabicada e FRCM per il rinforzo di volte in folio Archi a tre strati Anche in questo caso, negli archi consolidati con la tecnica tabicada (archi UT) la crisi è avvenuta per formazione di un meccanismo a quattro cerniere (fig.9), caratterizzato da un valore del carico di rottura pari a 1.07 kN nell’arco realizzato con la malta 1 e pari a 5.96 kN negli archi realizzati con la malta premiscelata (tipo 2). Al contrario per quanto riguarda gli archi rinforzati con la rete in fibra di ve-

tro si sono osservate due differenti modalità di crisi. Mentre nell’arco TR.IT.01 il collasso è avvenuto per scorrimento tra mattone e malta (sliding) in corrispondenza di una delle due imposte (fig.10a), in tutti gli altri casi il collasso è stato causato ancora dalla crisi della matrice e dalla successiva instabilizzazione delle pianelle in prossimità della zona di carico (fig.10b). In termini di carico ultimo, l’incremento di resistenza ottenuto negli archi IT

Arco

Carico crisi (kN)

Abbassamento (mm)

Modalità rottura

TR.UT.01

1.07

1.34

Meccanismo

TR.UT.02

6.83

4.93

Meccanismo

TR.UT.03

4.10

7.69

Scorrimento

TR.IT.01

2.71

2.23

Crisi matrice + instabilizzazione pianelle

TR.IT.02

8.46

17.60

Crisi matrice + instabilizzazione pianelle

TR.IT.03

12.99

24.79

Crisi matrice + instabilizzazione pianelle

TR.OT.01

16.66

14.04

Crisi matrice + instabilizzazione pianelle

TR.OT.02

17.83

13.06

Crisi matrice + instabilizzazione pianelle

TR.OT.03

13.19

9.90

Crisi matrice + instabilizzazione pianelle

Tab.5: Archi a tre strati: risultati sperimentali

Fig.9: Arco consolidato con la tecnica tabicada: crisi per meccanismo

Fig.10: Archi consolidati con la tecnica tabicada e la rete in fibra di vetro: e successiva instabilizzazione delle pianelle

Compositi

crisi per sliding;

crisi della matrice

è stato pari al 153% per l’arco TR.IT.01 (realizzato con la malta 1) e compreso tra il 55% e il 138% per i due archi realizzati con la malta premiscelata (archi TR.IT.02 e TR.IT.03), mentre negli archi OT si sono ottenuti incrementi ben maggiori con valori compresi tra il 141% e il 226%.

RINGRAZIAMENTI/ACKNOWLEDGEMENTS Tests were performed with the contribution of the ReLUIS Consortium. We thanks Fibre Net s.r.l. for providing the glass fiber meshes used for the reinforcement and Riccardo Vetturini, P. E. for his suggestions.

BIBLIOGRAFIA/REFERENCES

[1] Bayò, J., 1910. La bóveda tabicada, Anuario para 1910, Asociación de Arquitectos de Cataluña, 157-184. [2] Borri, A., Castori, G., 2004. Influence of bonding defects in masonry vaults and arches strengthened at their intrados with FRP. 2nd National Conference on Mechanics of masonry structures strengthened with FRP. December 8-10, Venice, Italy. [3] Borri, A., Casadei, P., Castori, G., Hammond, J., 2009. Strengthening of brick masonry arches with externally bonded steel reinforced composites. Journal of Composites for Construction, 13(6), 468-475. [4] Borri, A., Castori, G.,Corradi, M., 2011. Intrados strengthening of brick masonry arches with composite materials. Composites: Part B,42, 1164–1172. [5] Foraboschi, P., 2004. Strengthening of masonry arches with fiber-reinforced polymer strips. Journal of Composites for Construction; 8(3), 96-104. [6] Guastavino, R., 1893. Essay on the theory and history of cohesive construction applied especially to the timbrel vault. Ticknor. [7] Gulli, R., 1993. Il ruolo della tecnica tabicada nell’architettura di Gaudì, Parametro, 197. [8] Gulli, R., Mochi, G., 1995. Bóvedas tabicadas, Architettura e costruzione. Edilstampa. [9] Gulli, R., Mochi, G., 2001. Il recupero delle volte in folio attraverso la costruzione tabicada, Costruire in laterizio, 82, 66-73. [10] Heyman, J., 1982. The masonry arch. West Sussex: Ellis Horwood-Wiley. [11] ICOMOS, 2003. International Scientific Committee for Analysis and Restoration of Structures of Architectural Heritage. Recommendations for the analysis, conservation and structural restoration of architectural heritage. Guidelines of ICOMOS 14th General Assembly. Victoria Falls, US. [12] Josep, G., 1934. Estudi històric i mètodes de càlcul de les voltes de maó de pla. Sessiò publica della Acadèmia catalana de Belles Arts de Sant Jordi. [13] Valluzzi, M.R., Valdemarca, M., Modena, C., 2001. Behaviour of brick masonry vaults strengthened by FRP laminates. Journal of Composites for Construction, 5(3), 163-169.

Antonio Borri, Giulio Castori, Marco Corradi – Department of Engineering, University of Perugia

Tabicada technique and FRCM for the reinforcement of thin vaults An experimental campaign performed on 17 thin masonry arch types reinforced on the extrados using the Catalan tabicada building technique showed that this ancient technique can be recovered and reused in some of specific examples of the Italian building tradition through the use of composite materials.

rch structure are generally characterized by a good ability to adapt to the variations in the geometry configuration, as they can distribute the deformations on mortar joints avoiding (up to a certain limit) the formation of significant damage. It is evident that the occurrence of instability mechanisms is not determined by exceeding the materials’ strength limits but rather by the inability of the structural constraints to counteract the stresses transferred from the vault, i.e. the inability of the structure to adapt to the vertical and horizontal displacements in the abutments, which are responsible for crack initiation but at the same time allow the structure to set to a new equilibrium condition in the altered configuration [10]. Such room for displacement must be properly considered in the design stage by avoiding the introduction of elements with functionalities other than the pure support: The aim of any action should be the insertion of reinforcement elements acting only at the occurrence of exceptional events (e.g. a seismic event) without modifications to the usual static equilibrium, so that the construction features of the original structure are conserved with no alterations. A careful analysis of conventional solutions (intrados reinforcement arches, tie-beams, etc.), combined with an indepth knowledge of the materials provided by modern technologies, can offer ideas for alternative solutions, whose efficiency must be demonstrated by means of suitable experimental tests. In this context, the peculiar features and the amazing potential showed by the Catalan tabicada building technique (developed during the XIX century in Catalonia, but whose origins date back to the XV century, fig. 1) make such a building method interesting when considering its modernization (“reinforced tabicada”) through the use of composite materials and the application as a targeted reinforcement action of masonry structures typical of the Italian historical building tradition, i.e. thin vaults.

In order to test the suitability of this technique, an experimental campaign was launched and yielded interesting results in terms of design and building practices as well as in terms of the analysis of structural behaviours. THE REINFORCEMENT TECHNIQUE The proposed technique represents an evolution of a traditional masonry technique of Catalan origin called tabicada construction (fig. 1). The term bóveda tabicada means “vaulted partition” or “timbrel vault” and indicates a curved construction element made up of a series of layers (four at most) of brick tiles with typical size 150×300×15 mm, laid flat and sealed with gypsum paste or quick cement in the first layer and then with cement and lime mortar in the subsequent layers. We can define a tabicada vault as a vault built by laying bricks lengthwise [1]. This is a first type of classification that allows one to identify and investigate a very wide range of historical building traditions where this type of vaults were exploited to build flat-top structural systems [7]. Examples can be found going back to Assyrian and Sumerian building traditions, and then through Egyptians up to the Roman period. Catalan vaults were then used in the Renaissance (XIII-XIV century examples confirm its persistence throughout the medieval period) and their presence was significantly diffused especially in central Italy in the XVII, XVIII century and during the whole XIX century [8]. In structural terms, the particular character of such structures is the resistance to significant tensile stresses [12] [9]. The concept of cohesiveness (monolithic structure) is defined as a unique feature of the tabicada construction. Briefly, one can say that a vaulted structure made up of a single layer of flatplaced bricks must be considered as a “gravity-dominated” structure, since the presence of vertical joints only induces a structural discontinuity with

variable-strength regions where mortar must allow for the realization of the desired curvature without contributing to the global static equilibrium of the structure (fig. 2a). On the contrary, a tensile behavior follows from the implementation of a second (or third) layer of bricks with staggered joints in the two directions and the interposition of a layer of cement and lime mortar (fig. 2b). The importance of this building method goes beyond the historiographical interest in traditional building techniques and approaches. There is also a practical purpose concerning its recovery as a technique for targeted actions, in particular in the reinforcement of a specific structure, that is the in folio vault, a building element widespread in Italy and especially in the regions of central Italy. In this area of interest, both in the professional practice and in reference manuals that identify the technical methods of intervention on masonry vaults an approach is often followed based on the use of the systems designed to relieve the original vault structural configuration from any static equilibrium contribution by including new elements not constrained to the original structure or completely replacing it. As an alternative, in the hypothesis at the basis of the tabicada technique the original thin vault recovers a fundamental importance as an element contributing to the static equilibrium of the global structural system. Therefore, instead of excluding the structural functionality of the pre-existing thin vault (as foreseen for instance when reinforced concrete slabs are applied on the extrados), the latter becomes a structural part of the new, multi-layered vaulted configuration. Under this point of view the addition of composite materials represents a natural evolution of the aforementioned construction technique (“reinforced tabicada”, fig. 3). When a second (or third) layer of bricks is placed upon the thirst one with staggered joints in the two directions and interposing a glass fiber mesh immersed in a hydraulic lime or cement mortar, a

Compositi

- Tabicada technique and FRCM for the reinforcement of thin vaults different mechanical behaviour is obtained where the reinforcement plays an active and decisive role. CHARACTERIZATION OF THE MATERIALS Mortar The arches were built using two different types of mortar, one of which was prepared in-situ (type 1) while the other one had been pre-mixed (type 2). For the first type a mortar similar to the one used in the construction of monumental buildings was created with the following ingredients: 1 part slaked lime, 0.15 parts cement, 2 parts sand (maximum diameter 0.5 mm). The mortar was characterized by means of flexural and compression tests of prisms according to the indications contained in the ASTM C348 and ASTM C349 standards. Concerning the flexural tests, results calculated with the equation:

Rf =

6M 6 Pl Pl = 3 = 1.5 3  b3 b 4 b

where P is the maximum load, l the distance between the supports and b the side of the square cross section, yielded an average strength value equal to 0.16 ± 0.07 MPa. The 12 remaining semi-prisms were subjected to compression tests. Test results, according to the equation:

Rc =

P  b2

yielded an average compression strength of 0.58 ± 0.06 MPa. The second mortar type is the “Rinzaffo Storico terra gialla” produced by CVR and whose features are reported in table 1. Bricks The main characteristics of the brick tiles (250×120×35 mm) used for the manufacturing of pillars were determined by means of uniaxial compression tests and bending tests (ASTM C1314 e ASTM C1006) which yielded average breaking loads of 20.99 e 6.75 MPa, respectively. Glass fiber mesh For the reinforcement has been used a network of glass fiber, with mesh size of 66x66 mm, produced by Fibre Net s.r.l. (fig.4). The mechanical properties were inferred performing tensile test following the instructions reported in the ACI 440 standards (table 2).

Compositi

THE EXPERIMENTAL TEST Test matrix In order to determine the fracture behaviour of the reinforced structure, 17 segmental arches were built (2000 mm clear span, 700 mm rise), made up of two (80 mm thickness, fig. 5a) or three (130 mm thickness, fig. 5b) layers of brick tiles. Table 3 reports on the testing program. Each specimen is identified with an alphanumeric code consisting of three indices, where the first index identifies the number of brick layers (DR = 2 layers, TR = 3 layers), the second one indicates the building method (UT = Tabicada; IT = “Reinforced Tabicada” with a reinforcements in the mortar joints, OT = “Reinforced Tabicada” with reinforcements in the mortar joints and on the extrados), while the third one identifies the number of the test specimen. Test Setup Monotonic tests were performed with a point load applied to the keystone (fig. 6). The load was applied gradually by mean of a hydraulic jack set on a stiff portal frame and was transferred to the keystone through an intermediate steel plate (190x250 mm). The arches were placed on a bracing structure made up of two flat elements (50x4x2250 mm) connected to the extremities with L-shaped steel elements in order to prevent horizontal movements in the arch plane. Moreover, displacement transducers (LVDT) were adopted to monitor the displacements in the structure. EXPERIMENTAL RESULTS Two-layer arches Concerning the arches reinforced with the tabicada technique (DR-UT series), while both test specimens showed the same fracture behaviour (four-hinge mechanism failure, fig. 7) in agreement with the data reported in the literature [10], the ultimate strength values were different. While the arch built with the mortar type 1 showed a very modest ultimate load (0.15 kN), the arch built with the pre-mixed mortar (type 2) had a failure at a much higher ultimate load (1.57 kN). When the glass fiber mesh was used we observed a different failure mechanism. The formation of a crack in the joint between the two layers was observed (matrix failure by shear sliding at the mortar-brick interface) in each test specimen, followed by the failure of the outermost arc due to destabilization of the bricks closest to the loading region (fig. 8). While in IT arches (reinforced with the glass fiber mesh only in the mortar joints) the ultimate load increase obtained was equal to 448%,

enhancements in the range 376% to 569% were obtained in OT arches (reinforced with glass fiber mesh both in the mortar bricks and at the extrados) built with pre-mixed mortar. Three-layer arches Once again arches reinforced with the tabicada technique (UT arches) experienced a failure by four-hinge mechanism (fig. 9) characterized by an ultimate load value equal to 1.07 kN in the arch adopting the mortar type 1 and 5.96 kN in the arches made with premixed mortar (type 2). Conversely, two different failure behaviours were observed in arches reinforced with a glass fiber mesh. While in the TR.IT.01arch the failure occurred due to shear between bricks and mortar (sliding failure) at one of the two abutments (fig. 10a), in the remaining cases the collapse was again due to matrix failure followed by destabilization of brick tiles in the loading region (fig. 10b). In terms of ultimate load, the increase in strength obtained in IT arches was equal to 153% for the TR.IT.01 arch (made with the mortar type 1) and between 55% ans 138% for the two arches built with the pre-mixed mortar (TR.IT.02 and TR.IT.03 arches), while much larger increments were obtained in OT arches, with values between 141% and 226%.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Axonometric cross section of a vault built with the tabicada technique [9] Fig.2: Loading tests on experimental models of tabicada vaults Fig.3: Modernization hypotesis of tabicada technique (“reinforced tabicada”) with FRCM composite materials: a) UT type, traditional tabicada technique; b) IT type, reinforcements in the mortar joints only; c) OT type, reinforcements in the mortar joints and on the extrados surface (drawings by Riccardo Vetturini) Tab.1: Mechanical properties of the pre-mixed mortar Fig.4: Glass fiber mesh Tab.2: Mechanical properties of the reinforcement Fig.5: Geometry of the test specimens (dimensions in mm): a) two-layer arches; b) three-layer arches Tab.3: Test matrix Fig.6: Test layout Tab.4: Two-layer arches: experimental results Fig.7: Arches reinforced with the tabicada technique: four-hinge mechanism failure Fig.8: Arches reinforced with the tabicada technique and glass fiber net: matrix failure and successive destabilization of brick tiles Tab.5: Three-layer arches: experimental results Fig.9: Arch reinforced with the tabicada technique: fourhinge mechanism failure Fig.10: Arches reinforced with the tabicada techniqueand glass fiber mesh: a) sliding failure; b) matrix failure and successive destabilization of brick tiles

Progettiamo e costruiamo autoclavi per il trattamento dei materiali in compositi e termoplastici, per tutti i settori industriali come l’aeronautica, l’aerospaziale, l’automotive, il nautico ecc. , con dimensioni strutturali e soluzioni tecniche personalizzate secondo le esigenze del Cliente. Equipaggiamo le nostre autoclavi con i più avanzati ed affidabili sistemi di controllo SCADA (SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION), o DCS (DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM), in configurazione standard o ridondante, per soddisfare le sempre più restrittive richieste di gestione dinamica dei cicli e completa rintracciabilità dei dati di processo. La ricerca, lo sviluppo e l’esperienza acquisita negli anni, ci hanno permesso di mettere a punto una nuova generazione di autoclavi con un rapporto qualità/prezzo competitivo, una tecnologia all’avanguardia, elevate performance, e con costi di esercizio e manutenzione molto ridotti rispetto alle autoclavi tradizionali.

We design and build autoclaves for thermoplastic and composite materials treatment, for all industrial fields like aeronautical, aerospace, automotive, naval, etc., with structural sizes and technical solutions personalized according to the requirements of the Customer. We equip our autoclaves with the most advanced and reliable control systems SCADA (SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION), or DCS (DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM), in standard or redundant configuration, to satisfy the more and more restrictive requests of dynamic running of cycles and complete traceability of the process data. The research, development and experience gained in the years, allowed us to create a new generation of autoclaves with a competitive quality/ price ratio, a van technology, high performances and with working and maintenance costs much reduced compared to traditional autoclaves.

Italmatic Presse Stampi s.r.l.

Via Tazio Nuvolari s.n. - 55061 Fraz. Carraia - Capannori (Lu) - Italy Tel. +39.02.95300545 • Fax +39.02.95300199 E-mail: mail@italmatic.net • www.italmatic.net

Andrea Sorrentino, Claudia Altavilla, Salvatore Iannace Istituto per i Polimeri i Compositi e i Biomateriali (IPCB) Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR)

Nanotecnologie e nanomateriali Dagli edifici sostenibili alle città intelligenti Dalla loro comparsa le nanotecnologie hanno aperto la strada all’impiego di materiali intelligenti, strutture ultra-leggere e nuovi sistemi di monitoraggio e di manutenzione per gli edifici. Una panoramica delle applicazioni già realizzate e dei futuri sviluppi nel settore delle costruzioni.

ubito dopo che negli Stati Uniti, nel 2000, fu lanciato il primo programma nazionale al mondo sulle nanotecnologie, il termine “nanotecnologia” è diventato oggetto di incredibile fascino e speculazione. Nell’opinione pubblica si è formata l’immagine di una tecnologia futuristica, basata su immaginari sciami di minuscoli e minacciosi mini robot. Questa immagine distorta ha aiutato molto i primi ricercatori in questo settore, i quali da allora hanno avuto ben pochi interessi a spiegare la differenza tra i nanomateriali e la mitologia dei nano-robot. Probabilmente, anche per questo motivo la nanotecnologia ha potuto contare su grandi investimenti da parte dei governi e delle aziende di tutto il mondo. È un dato di fatto che, dopo un decennio di false promesse e cattiva pubblicità, queste nuove tecnologie sono in gran parte fraintese, e normalmente respinte dall’opinione pubblica. Comunque, nonostante questa confusione, i nanomateriali hanno saputo trovare applicazioni pratiche ovunque, dalle pentole antiaderenti agli antibiotici, dai dispositivi ad alta tecnologia, fino ai cosmetici, ai prodotti alimentari e ai giocattoli per bambini. La ragione di tutto questo successo è dovuta essenzialmente alla possibilità di pensare e di produrre prodotti e processi con straordinari miglioramenti in termini di costo, proprietà e prestazioni. La

nanotecnologia ha aperto la strada verso nuovi, più efficienti e più performanti materiali intelligenti, strutture ultra-leggere e nuovi sistemi di monitoraggio e di manutenzione. Anche in settori molto conservativi, come l’edilizia, in cui i materiali e le tecnologie tradizionali sono difficili da sostituire con nuove soluzioni, i nanomateriali hanno trovato numerose applicazioni. In questo settore, le nanotecnologie contribuiscono a soddisfare la pressione da parte dei governi verso il continuo miglioramento della sicurezza, della sostenibilità e delle prestazioni di edifici e infrastrutture. IL SETTORE DELLE COSTRUZIONI La nanotecnologia è attualmente utilizzata per migliorare tutti i materiali strutturali, compresi l’acciaio, i polimeri ed il cemento. Nuovi materiali cementizi modificati con nanoparticelle di SiO2 e nanotubi di carbonio hanno mostrato un’altissima resistenza a compressione, una buona resistenza alla trazione, una più efficiente idratazione del cemento e un miglioramento del legame tra gli inerti e la pasta cementizia. Nel caso dei materiali refrattari, l’applicazione delle nanotecnologie permette di ottenere un’elevata resistenza agli shock termici, all’abrasione ed alla corrosione chimica. Nuovi acciai con una maggiore resistenza alla corrosione e una migliore salda-

bilità sono stati sviluppati introducendo nella microstruttura delle nanoparticelle di rame. È stato, inoltre, dimostrato come le nanoparticelle di vanadio o di molibdeno possono migliorare i problemi di frattura connessi con i bulloni ad alta resistenza. La manipolazione della microstruttura dell’acciaio permette di ottenere dei componenti ancora più sottili e più leggeri di quelli in alluminio o in titanio. Nonostante il costo elevato di questi nuovi materiali, la buona resistenza alla corrosione e all’usura contribuisce a mantenere i costi di esercizio delle strutture risultanti notevolmente più bassi. Ad esempio, l’aggiunta di nanoparticelle ignifughe nel rivestimento dei materiali da costruzione e dei prodotti per la casa ha contribuito ad aumentare notevolmente la resistenza al fuoco delle strutture. Per proteggere le strutture e i componenti da abrasione, attacchi chimici e variazioni idro-termali vengono regolarmente utilizzati i rivestimenti chimici. In questo caso, le nanotecnologie hanno permesso di produrre prodotti organo-siliconici ed eco-compatibili in grado di rendere impermeabile praticamente ogni tipo di materiale da costruzione. I tradizionali prodotti filmogeni hanno una granulometria superiore ai 100 nanometri, che non gli permettere di

Fig. 1: FibreC è un calcestruzzo alleggerito, ad alte prestazioni, che non richiede rinforzo in acciaio. Uno speciale processo di estrusione incorpora strati di fibra di vetro nella matrice cementizia. L’omissione di rinforzo in acciaio permette la costruzione di elementi in calcestruzzo sottili che sono altamente stressabili pur essendo estremamente sottili. Fonte: http://www.rieder.cc/at/en/home/

Compositi

- Nanotecnologie e nanomateriali penetrare bene all’interno dei pori dei materiali da costruzione. Inoltre, questi film polimerici tendono a fratturarsi in 2-5 anni quando sono esposti ai raggi UV, il che porta al progressivo deterioramento dell’idrofobicità e dell’idrorepellenza della superficie trattata. Negli ultimi anni, sono stati sviluppati nuovi prodotti a base di silani e silossani con una dimensione delle particelle inferiore ai 6 nanometri. Essi penetrano facilmente all’interno dei pori e reagiscono chimicamente con il substrato fornendo la necessaria idrofobicità e resistenza agli agenti atmosferici (radiazioni UV). La rugosità su scala nanometrica di questi nuovi rivestimenti nanocompositi ha la proprietà di respingere l’acqua e mantenere la superficie trattata totalmente libera da sporco e polvere. L’applicazione di materiali da costruzione autopulenti offre un’ottima soluzione al problema della manutenzione delle facciate degli edifici. Prodotti autopulenti basati sul biossido di titanio (TiO2) sono ampiamente applicati con questo obiettivo. Le nanoparticelle di TiO2 sottoposte ai raggi ultravioletti (UV) inducono l’assorbimento di molecole d’acqua (fenomeno di super-idrofilia) e la degradazione delle molecole organiche depositate sulla superficie. Per le piastrelle utilizzate in cucina o in bagno, gli acidi grassi contenuti nei saponi possono formare legami chimici con il calcio e il magnesio contenuti nelle acque dure e

aderire stabilmente alle superfici. In tal caso, la pellicola superficiale contenente TiO2 aiuta a rompere il legame tra i composti organici e le piastrelle ceramiche, e rende più facile il processo di lavaggio. Il TiO2 è stato aggiunto anche al vetro delle finestre per ottenere prodotti commerciali autopulenti. In tal caso, la funzione autopulente è rafforzata dalla proprietà di “anti-appannamento” indotta dalla luce. Lo strato di TiO2 super-idrofilo, infatti, rende il vetro otticamente trasparente evitando la formazione delle gocce d’acqua durante la pioggia o la condensazione del vapore. L’attività foto-catalitica mostrata da alcune nanoparticelle può essere utilizzata contro gli inquinanti dell’aria normalmente emessi dalla combustione e dai materiali da costruzione. Superfici antimicrobiche hanno applicazioni in una serie di infrastrutture tra cui ospedali, asili e case di cura, per aiutare a ridurre al minimo la diffusione delle malattie e ridurre i disagi creati dallo sviluppo di muffe o funghi. Ci sono molti tipi di nanoparticelle antimicrobiche che possono essere utilizzate come agenti attivi nei rivestimenti antimicrobici. Tra queste, quelle più interessanti includono Ag, Cu, CuO, ZnO, MgO, TiO2. Oggigiorno, Ag e TiO2 sono diventati i materiali antimicrobici più comuni in commercio. Sono disponibili molti tessuti e numerose vernici per interni contenenti nanoparticelle di Ag. Molti altri

prodotti antimicrobici utilizzano ioni d’argento o altre forme dell’argento. Nelle ceramiche, c’è un particolare interesse verso l’effetto battericida foto-indotto del TiO2. Anche se l’efficacia degli agenti antimicrobici varia molto a seconda del tipo di applicazione, molti di questi prodotti hanno dimostrato di essere efficaci contro una vasta gamma di batteri, virus, funghi e alghe. A differenza degli agenti antimicrobici convenzionali, i nanomateriali antimicrobici presentano una bassa tossicità per l’uomo, e quando inseriti in un substrato, hanno dimostrato una buona stabilità e un’attività a lungo termine. RISPARMIO ENERGETICO L’uso della nanotecnologia nel settore delle costruzioni può essere considerata non solo per migliorare le proprietà funzionali dei vari materiali, ma anche nel contesto del risparmio energetico. Questa è una prospettiva particolarmente interessante in quanto, negli ultimi decenni, il consumo di energia negli edifici è aumentato a punto tale da aver superato il settore dell’industria e quello dei trasporti. La commissione degli esperti delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici ha attestato che quasi un quarto del totale di anidride carbonica prodotta ogni anno nel mondo deriva dal settore edilizio. Per questo motivo si sta dedicando molta attenzione all’efficienza energetica Fig. 2: Fritting è un sistema innovativo, integrato nel vetro, che utilizza un motivo grafico ispirato alla natura. Con esso si riesce a controllare automaticamente il calore e la luce che entra nell’edificio, pur consentendo una sufficiente trasparenza per la visualizzazione. Vincitore del Premio per l’Architettura Wyss Bioinspired Adaptive 2009. Fonte: http://www.adaptivebuildings.com/adaptive-fritting-surface.html

Fig. 3: Il vetro GlassX integra quattro funzioni in una singola unità: isolamento trasparente, protezione al surriscaldamento, conversione di energia termica e stoccaggio. Il componente principale è rappresentato da un sistema di immagazzinamento del calore basato sul concetto di materiali con transizione di fase (PCM). Il calore solare immagazzinato di giorno nello strato PCM viene rilasciato di notte verso l’interno dell’edificio. Fonte: http://www.glassx.ch

Compositi

- Nanotecnologie e nanomateriali e alla riduzione delle emissioni prodotte in questo settore. Due approcci diversi sono stati sviluppati per ridurre la domanda di energia, e mantenere buoni livelli di comfort nelle costruzioni moderne. Un approccio di tipo passivo che propone edifici progettati in un modo tale da catturare, stoccare e distribuire l’energia dell’ambiente. Questi obiettivi, generalmente, si perseguono aumentando il livello di isolamento, bilanciando la ventilazione degli ambienti e introducendo il recupero di calore. Con la manipolazione della nano-struttura è possibile realizzare nuovi materiali otticamente trasparenti con eccezionali proprietà isolanti. Questi nuovi isolanti vengono ottenuti confinando l’aria presente all’interno del materiale in pori estremamente piccoli. Ciò al fine di abbassare la conducibilità termica complessiva del materiale attraverso l’effetto Knudsen. Il materiale isolante che si ottiene può essere applicato in spessori nettamente inferiori rispetto ai materiali isolanti convenzionali. Partendo da questo approccio, diversi prodotti come aerogel di silice e pannelli isolanti sottovuoto sono già sul mercato.

Compositi

Allo stesso modo, i moderni impianti fotovoltaici, migliorati dall’introduzione di materiali multifunzionali nanometrici, sono in grado di coprire le superfici orizzontali e verticali delle costruzioni, catturare la luce e trasformarla in energia elettrica per gli edifici e le infrastrutture urbane in modo estremamente efficiente. Nell’approccio attivo, invece, gli edifici possono adattare attivamente il loro comportamento nel tempo, in risposta alle mutevoli condizioni ambientali e alle prestazioni richieste dall’edificio stesso. Di conseguenza, essi hanno la capacità di sfruttare l’energia naturale disponibile nell’ambiente in modo molto più efficiente. Questi nuovi involucri edilizi adattativi non solo offrono un elevato potenziale per ridurre la domanda di energia necessaria all’illuminazione e al condizionamento, ma sono in grado anche di aumentare la qualità dell’aria interna e i livelli di comfort termico e visivo. Gli smart energy glass rappresentano un interessante esempio di questa tecnologia innovativa. Il meccanismo di funzionamento di questi vetri si basa su diverse nanoparticelle incorporate in un rivestimento polimerico posto a sandwich tra due strati di vetro. Cambiando

la tensione esterna applicata al rivestimento, è possibile controllare le proprietà ottiche della finestra in meno di un secondo. Il rivestimento polimerico agisce anche come guida d’onda planare allo stesso modo di un concentratore solare. Attraverso questo meccanismo, parte della luce in entrata viene catturata e reindirizzata i bordi della finestra in cui sono situate delle celle fotovoltaiche per convertire la radiazione solare in elettricità. L’energia elettrica prodotta viene utilizzata dalla stessa finestra per commutare il suo stato, mentre l’eccedenza può essere alimentata alla rete elettrica. In alcuni casi, questi dispositivi contengono anche delle speciali nanoparticelle (materiali up-converting) in grado di assorbire parte della luce solare in entrata e ri-emettere fotoni ad una lunghezza d’onda più lunga. In questo modo è possibile sfruttare tutta la radiazione incidente (anche l’infrarosso) per produrre energia elettrica. L’aspetto più importante di poter cambiare in modo dinamico la trasparenza della finestra è comunque legato al fatto di poter controllare attivamente il flusso di energia solare che entra nell’edificio. In questo modo, la finestra fornisce il riscal-

- Nanotecnologie e nanomateriali damento passivo in inverno e riduce il rischio di surriscaldamento in estate. NANOTECNOLOGIA E SMART CITY I grossi sviluppi ottenuti nel campo delle nanotecnologie stanno migliorando anche l’accuratezza e la validità commerciale del concetto di monitoraggio strutturale basato su sensori. Il notevole abbassamento dei costi e l’aumento delle prestazioni dei nuovi sensori wireless ne permettono l’incorporamento nel calcestruzzo durante la costruzione stessa. Durante la normale vita della struttura, tali sensori ne possono monitorare con precisione le condizioni di esercizio e l’eventuale deterioramento e potenzialmente aiutare a prevenire pericolosi collassi strutturali. Sensori wireless intelligenti sono già utilizzati in ogni aspetto degli edifici, dal condizionamento degli ambienti al controllo degli elettrodomestici. Nel prossimo futuro, il proprietario del singolo edificio così come il city manager potranno usare questa enorme mole dati per aumentare la qualità della vita, la sicurezza e ridurre l’impatto ambientale dei sistemi urbani. ERRE_TI_banner.pdf

18/12/13

Il legame tra ICT, nanotecnologie e lo sviluppo urbano promette di influenzare profondamente le esperienze degli abitanti delle città, per tutto quanto riguarda le loro abitazioni, la mobilità, le comunicazione ed il consumo. I nanomateriali permetteranno costruzioni più resistenti allo stress e capaci di restituire meno calore all’ambiente, mitigando così l’effetto isola di calore. Il fotovoltaico nanometrico fornirà l’energia solare senza trasmissione su larga scala, riducendo così l’effetto serra dovuto alle emissioni di gas. Applicazioni foto-catalitiche nanometriche verranno utilizzate per ridurre gli inquinanti dagli impianti di acqua potabile. Materiali cementizi modificati con TiO2 saranno applicati sul rivestimento esterno degli edifici e saranno in grado di catturare le emissioni gassose dei veicoli, riducendo così gli effetti negativi sulla salute. Questi sono solo alcuni esempi delle soluzioni che la scienza e l’ingegneria su scala nanometrica ci stanno mettendo a disposizione per uno sviluppo più intelligente delle città del futuro. Soluzioni che consentiranno di risolvere molti dei problemi urbani legati agli edifici, alle infrastrutture, all’energia, all’acqua, ai trasporti e alla sicurezza.

RINGRAZIAMENTI/ACKNOWLEDGEMENTS This work was carried out in the project PON Ricerca e Competitività 2007-2013 - OR.C.HE.S.T.R.A (ORganization of Cultural HEritage for Smart Tourism and Real-time Accesibility) Asse II “Azioni integrate per lo sviluppo sostenibile”. BIBLIOGRAFIA/REFERENCES

- Forster SP, Olveira S, Seeger S. Nanotechnology in the market: promises and realities. Int J Nanotechnol 2011; 8:592-613 - Monica J. Hanus, Andrew T. Harris; Nanotechnology innovations for the construction industry. Progress in Materials Science 58 (2013) 1056-1102 - van Broekhuizen F, van Broekhuizen P. Nano-products in the European construction industry; 2009. http://hesa.etuirehs.org/uk/newsevents/files/ Nano_Executive_%20summary.pdf - F. Pacheco-Torgal. Eco-efficient construction and building materials research under the EU Framework Programme Horizon 2020. Construction and Building Materials 51 (2014) 151-162 - Dragan S. Markovic, Dejan Zivkovic, Dragan Cvetkovic, Ranko Popovic; Impact of nanotechnology advances in ICT on sustainability and energy efficiency.Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012) 2966- 2972 Kartman G, Sandnes A, Smit G, Creating Municipal ICT Architectures - A reference guide from Smart Cities; 2011, - http://www.smartcities.info/ictarchitecture

08.50

Member of CISQ Federation

ISO 9001

ISO/ IEC 27001

Certified Information Security System

Certified Quality System

Compositi

Andrea Sorrentino, Claudia Altavilla, Salvatore Iannace Institute for Polymers, Composites and Biomaterials (IPCB) National Research Council (CNR)

Nanotechnology and Nanomaterials From sustainable buildings to smart cities From their appearance nanotechnology opened the way for the use of smart materials, ultra-light structures and new systems of monitoring and maintenance for buildings. An overview of the applications already realized and future developments in the construction industry.

oon after that in 2000, the United States launched the world’s first national nanotechnology program, the term “nanotechnology” became the object of incredible fascination and speculation. In the public opinion grew the vision of a futuristic technology based on imaginary swarms of tiny, threatening, mini robots. This confusion served to help the first researchers in this sector who then had little incentive to explain the difference between nanoparticles and nanoscale robot mythology. Probably, also for that reason nanotechnology has led to large investments by governments and companies around the world. As a matter that, after a decade of promises and bad advertising, these new technologies are largely misunderstood, and normally rejected by the public opinion. Despite this confusion, the nanomaterials have found practical applications in everything from non-stick cookware to antibiotic, high-tech devices, up to cosmetics, food products and baby toys. The reason for this success is essentially due to the possibility of thinking and producing product and processes with extraordinary improvements in the cost, properties, and performance. Nanotechnology have opened the way towards new, more efficient, better performing intelligent materials, ultra-light structures and new monitoring and maintenance systems. Also in very conservative sectors, such as the construction industry, in which traditional materials and technologies are difficult to be substitute with new solutions, nanomaterials have found several applications. In this sector, nanotechnologies solutions help to satisfy the continued drive by governments towards the improved safety, sustainability, and performance of buildings and infrastructure. CONSTRUCTION INDUSTRY Nanotechnology is now applied to im-

Compositi

prove all structural materials, including steel, polymer and concrete. New cementitious materials added with nanoparticles of SiO2 and carbon nanotubes have showed ultra-high compressive strength, relatively high tensile strength, more efficient cement hydration, and an increased aggregate-paste bond strength. In the case of refractory materials, the application of nanotechnologies allows to obtain high resistance to thermal shock, abrasion and chemical corrosion. New steels were developed with higher corrosion-resistance and weld ability by introducing copper nanoparticles in the microstructure. Further, it has been found that vanadium and molybdenum nanoparticles can improve the fracture problems associated with high strength bolts. The modification of the microstructure of steel at nano-level provides components even thinner and lighter than that made from aluminium or titanium. Despite the high cost, its good corrosion and wear resistance can keep life-cycle costs low. For example, the addition of fire retardant nanoparticles into coatings of building materials and household products has notably increased the fire resistance of the resulting structures. To protect the structures/components from abrasion, chemical attack and hydro-thermal variations chemical coatings are routinely used. In this case, the nanotechnologies have allowed to produce eco-friendly organo-silicon products to waterproof practically all kinds of building materials. Traditional film formers products have particle size greater than 100 nanometers, which will not allow them to penetrate inside the pores of the building materials. In addition, these polymer films tend to break down under UV-light in 2-5 years, which leads to failure in terms of hydrophobicity and water repellence. New products based silanes and siloxanes with a particles size less than 6 nanometers size were developed.

They easily penetrate inside the pores and chemically react with the substrate providing the necessary hydrophobicity and weathering (UV radiation) resistance to the treated surface. Nanoscale roughness of these new nanocomposites coatings has the property to repel water and keep the treated surface totally free of dirt and dust. The applications of self-cleaning building materials provide an excellent solution to the necessary maintenance of the buildings external surfaces. Titanium dioxide (TiO2 )-based self-cleaning have been widely applied to this scope. TiO2 nanoparticles subjected to UV irradiation can induce the adsorption of water molecules (super-hydrophilicity phenomenon) and degrade the organic molecules deposited. For interior tiles used in kitchen or bathroom, the fatty acids from soap can form chemical bonds with calcium and magnesium in hard water and strongly adhere to the surface. In that case, TiO2 film surface can break the binding between the organic compounds and the ceramic tiles, and makes the washing process easier. The TiO2 was also added to the window glass to obtain self-cleaning commercial products. In that case, the self-cleaning function is strengthened by the light-induced “anti-fogging” property. The super-hydrophilic of the TiO2 layer, in fact, makes the glass optically transparent by avoiding the formation of the water droplet during the rain or the steam cooling. The photocatalytic activity showed by some nanoparticles can be used against air pollutants normally emitted from combustion and construction materials. Antimicrobial surfaces have applications in a range of infrastructure including hospitals, childcare centres and nursing homes to assist in minimising the spread of disease and reducing the discomfort produced by yeasts and fungus. There are many types of antimicro-

- Nanotechnology and Nanomaterials bial nanoparticles that can be used as the active agent in antimicrobial coatings. Between this, the most interesting include Ag, Cu, CuO, ZnO, MgO, TiO2. Nowadays, Ag and TiO2 in particular are the must commercially used antimicrobial materials. There are many Ag nanoparticle-containing fabrics and antimicrobial Ag nanoparticle-containing interior paints. Many other commercial silver-based antimicrobial products utilise silver ions or other forms of silver. In the ceramic, there is a special interest for the photo-induced bactericidal effect of TiO2. The relative effectiveness of antimicrobial agents varies, but many have proven to be effective against a broad range of bacteria, viruses, fungi and algae. Unlike some conventional antimicrobial agents, antimicrobial nanomaterials exhibit low toxicity to humans, and when supported in a substrate, some nanoparticles have demonstrated good stability and long-term activity. ENERGY CONSERVATION The use of nanomaterials in the construction industry should be considered not only for enhancing material properties and functions but also in the context of energy conservation. This is a particularly important prospect since, in the last decades, the energy consumption in buildings has increased in such a way that it now dominates over the industrial and transportation sectors. The United Nations Intergovernmental Panel on Climate Change is reporting that close to a quarter of the global total production of carbon dioxide emissions are stemming from the building sector. For that reason, much attention is therefore focused on energy efficiency and emission abatements in this sector. Two different approaches have been developed to reduce the energy demand while maintain good comfort levels in the modern buildings. A passive approach that refers to buildings designed in a way to capture, storage and distribute natural energy. These results are generally achieved by increasing the insulation standard, balancing the ambient ventilation and introducing the heat recovery. By nanostructure manipulation, new transparent materials can be fabricated with very good insulating properties. The new nano insulations are obtained by confining the air present within the material in extremely small pores. This is in order to lower the overall thermal conductivity of the material through the Knudsen effect. The resulting insulation material can therefore be applied in considerable smaller thicknesses than conventional insulation materials. Starting from this approach, several products such as silica aerogels and vacuum in-

sulation panels are already on the market. In addition, the modern photovoltaic systems enhanced by multifunctional nano-scale materials, are able to cover horizontal and vertical building surfaces, efficiently capture light and convert it into electric power for buildings and the urban infrastructure. In the active approach, the buildings can actively adapt their behaviour over time in response to changing environmental conditions and performance requirements. Therefore, they have the ability to harness the natural energy available in the environment much more effectively. These adaptive building shells not only offer a high potential to reduce the energy demand for lighting and space conditioning, but are also capable of increase the indoor air quality and the thermal and visual comfort levels. Smart energy glass represents an interesting example of this innovative technology. The working mechanism of this glass is based on several nanoparticles embedded in a polymer coating sandwiched between two layers of glass. By changing an external voltage applied to the coating, it is possible to control the optical properties of the window within less than a second. The polymer coating in smart energy glass also acts as planar waveguide in the same way as a solar concentrator. Via this mechanism, part of the incoming light is captured and redirected to the edges of the window where photovoltaic cells are situated to convert the collected radiation into electricity. The generated electricity is used for switching the state of the window, the surplus can be fed back to the grid. In some cases, these windows contain special nanoparticles (up-converting materials) able to absorb part of the incoming sunlight and re-emit photons at a longer wavelength. In this way, it is possible to utilize also the natural IR radiation for producing electric energy. A more important aspect of changing the window state is that the flow of solar gains and admission of daylight can be actively modulated. In this way, the window can provide passive heating in the winter while reducing overheating risk in the summer. NANOTECHNOLOGY AND SMART CITY Developments in nanotechnology are also improving the accuracy and commercial viability of sensor-based structural health monitoring. The price lowering and the increase in performance of the new wireless sensors allow their introduction in concrete during construction itself. During the service life of a structure, these sensors can accurately monitor the structure conditions and

its deterioration, and potentially help to prevent structural collapses. Smart wireless sensors are already used in every aspect of the buildings, from the indoor ambient conditions to the control of the home appliances. In the next future, the building owner as well as the city manager will use all this big data for increase the quality of life, the safety and reduce the environmental impact of the urban systems. The link between ICTs, nanotechnologies and urban development promise to influence the experiences of city dwellers, with respect to their housing, mobility, communication, consumption, and other activities. Nanomaterials will enable constructions more resilient to stress and that will returns less heat to the environment, thus mitigating the urban heat-island effect. Nano-photovoltaics will provide solar energy without large-scale transmission, thus reducing greenhouse gas emissions. Nano-based photo-catalytic applications will be applied for reduce pollutants from drinking water systems. The TiO2 modified cementitious materials onto the external covering of buildings can capture the gaseous emission by the vehicles, thus reducing adverse health effects. These are only some examples of the solutions that nanoscale science and engineering are expected to create for the developing the smart cities of the future. They will allow to solve the actual urban problems related to the buildings, infrastructure, energy, water, transportation and security.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: FibreC is a light-weight, high performance concrete that requires no steel reinforcement. A special extrusion process incorporates layers of fiber glass into a concrete matrix. The omission of steel reinforcement allows the construction of slim concrete elements that are highly stressable despite being extremely thin-walled. Fonte: http://www.rieder.cc/at/en/home/ Fig.2: Fritting is an innovative system integrated glass units that utilizes a graphic pattern inspired by nature. It can automatically control heat gain and modulate light, while allowing sufficient transparency for viewing. Vincitore del Premio per lâ&#x20AC;&#x2122;Architettura Wyss Bioinspired Adaptive 2009. Fonte: http://www.adaptivebuildings. com/adaptive-fritting-surface.html Fig.3: GlassX crystal integrates four functionalities into a single unit: transparent insulation, overheating protection, energy conversion and thermal storage. The key component is the slim transparent phase change material (PCM) heat storage module. At night, solar heat daily stored in the PCM is delivered to the interior. Fonte: http://www.glassx.ch

Compositi

PARlS MARCH l0, ll, l2, 20l5 PARlS, MARCH 10, 11, 12, 2015

The World’s largest composites event Get your access badge online at: www.jeceurope-badges.com

The N°1 Composites Network in the World

Federico Bosia - Dipartimento di Fisica, Università di Torino Nicola M. Pugno - Laboratorio di Nanomeccanica Bio-Ispirata e del Grafene, Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica, Università di Trento; Centro per i Materiali e i Microsistemi, Fondazione Bruno Kessler, Trento; School of Engineering and Materials Science, Queen Mary University of London

Simulazioni numeriche per ottimizzare i compositi a base di grafene Il grafene per le sue proprietà può rivelarsi una valida alternativa a fibre o nanotubi di carbonio come rinforzo in materiali compositi. Il gruppo di Trento ha ideato un codice numerico gerarchico per il progetto industriale di nanocompositi dalle proprietà ottimizzate, irraggiungibili col solo metodo sperimentale trial and error.

n anni recenti, enormi sforzi sono stati dedicati allo studio del grafene per le sue eccezionali proprietà elettroniche, termiche, ottiche e meccaniche [1], con la prospettiva di sfruttarle per applicazioni in vari campi [2]. Il grafene è alla base di tutte le forme grafitiche di carbonio e consiste di un singolo strato di atomi di carbonio ibridizzati sp2 disposti in una struttura a “nido d’ape” (fig.1). Dal punto di vista delle proprità meccaniche, la resistenza del grafene è la più elevata misurata sperimentalmente, in seguito allo studio di Lee et al., i quali sono riusciti a determinare le proprietà elasto-plastiche e la resistenza intrinseca di membrane sospese di grafene monostrato tramite nanoindentazione in un microscopio a forza atomica, trovando un modulo di Young di 1 TPa e una resistenza intrinseca di 130 GPa [3]. Una delle applicazioni più interessanti del grafene è nel campo dei nanocompositi, dove potrebbe potenzialmente sostituire le fibre e i nanotubi di carbonio o le nanoargille, migliorando le proprietà termiche o meccaniche ottenibili [4]. Come i nanotubi, il grafene presenta, oltre a proprietà meccaniche ideali eccezionali e una ridotta densità di massa, anche un’elevatissima area specifica, che lo rende efficace anche a basse concentrazioni, riducendo così i costi di produzione dei relativi compositi. Tuttavia, rimangono ancora molti aspetti da studiare. Ad esempio, in passato è stato studiato il drastico impatto della difettosità dei nanotubi di carbonio sulle proprietà meccaniche delle strutture macroscopiche derivate [5-7]. Come per i nanotubi, in un materiale a bassa dimensionalità come grafene, l’introduzione di singoli difetti può determinare una riduzione di modulo di Young sino al 20% [8-10]. Allo stesso modo, rimangono da studiare gli effetti della sua funzionalizzazione e le proprietà di suoi materiali derivati di sintesi più agevole, come

l’ossido di grafene [11]. Per le applicazioni legate ai compositi, occorre studiare le proprietà di interfaccia con diversi tipi di polimeri, gli effetti della geometria ondulata (“crumpling”) del grafene (fig.1), e vari altri effetti che possono incidere sulle loro proprietà meccaniche macroscopiche. Occorre studiare in dettaglio come ottimizzare le prestazioni meccaniche dei compositi (modulo, resistenza, tenacità...) variando le proprietà dei materiali costituenti, le densità volumetriche, eventuale struttura gerarchica (ad esempio nel caso di compositi rinforza-

ti sia con nanomateriali che con fibre tradizionali), allineamento dei rinforzi, e altri parametri di fabbricazione. Un’indagine sperimentale su questi aspetti risulterebbe onerosa, quindi è importante sviluppare modelli numerici affidabili per la simulazione multiscala del comportamento meccanico di strutture composite di grafene in funzione dei numerosi parametri di fabbricazione. Per fare questo, sono stati sviluppati vari approcci teorici e numerici al Laboratorio di Nanomeccanica Bioispirata e del Grafene dell’Università di Trento.

Fig.1: Struttura a “nido d’ape” del grafene e ondulazione (“crumpling”) del monostrato

Compositi

Nel 2013, l’Unione Europea, nell’ambito del progetto Future Emerging Technologies Flagship ICT, ha approvato i due più grandi progetti di ricerca mai finanziati. Tra questi il progetto “Grafene” che, coordinato dall’Università di Chalmers, coinvolge oltre 100 gruppi di ricerca da circa 20 Stati Europei e distribuirà nei prossimi anni 1 G€, principalmente su progetti a bando, per lo sviluppo di tecnologie a base grafene [12]. Il gruppo di Trento con la fondazione Bruno Kessler si occupa del progetto di compositi a base di grafene, all’interno del relativo Work Package, e per applicazioni industriali high-tech. L’esperienza del gruppo è testimoniata dal progetto e realizzazione del materiale più tenace del mondo, 10 volte più del Kevlar [13]. Uno degli obietti prefissati è svolgere simulazioni per permettere di determinare come ottimizzare le diverse proprietà meccaniche di tali materiali in funzione delle specifiche applicazioni. Di seguito vengono citati alcuni esempi dei sistemi considerati, adottando un approccio molto semplice di modellizzazione, precedentemente utilizzato per effettuare simulazioni multiscala sulla rigidezza e la resistenza di mega-strutture a base di nanotubi [7], o per la progettazione di nanofibre tenaci ispirate alla tela di ragno, basate su compositi di PVA rinforzati con nanotubi [14]. MODELLO NUMERICO UTILIZZATO Il modello utilizzato è descritto in [7] e, nella sua versione più semplice, si basa su un approccio denominato “Hierarchical Fibre Bundle Model” (HFBM), in cui un campione è discretizzato in un insieme di molle (o “fibre”) disposti in serie e parallelo. Alle singole fibre sono assegnate delle resistenze statisticamente distribuite secondo una distribuzione di Weibull del tipo:

mσ    p (σ ) = σ 0  σ 0 

m −1

 − σ   σ0 



dove s0 e m sono parametri di scala e di forma, rispettivamente. Per modellizzare materiali eterogenei, come nei compositi, le fibre di ogni fascio possono assumere diverse proprietà meccaniche. La k-sima fibra è caratterizzata da moulo di Young Ek , lunghezza lk , sezione trasversale A k e resistenza distribuita secondo l’equazione (1). I vari tipi di fibre si combinano per formare “fasci” (bundles), con comportamento meccanico complesso che emerge dalle proprietà meccaniche e la disposizione delle fibre costitutive. Il comportamento sforzo-deformazione del provino è determinato imponendo una deformazione crescente e la rottura delle singole fibre individuali avviene quando la loro resistenza statisticamente assegnata viene superata. Dopo ogni evento di rottura, il carico viene ridistribuito in modo uniforme tra le fibre nello stesso fascio di quella fratturata (ripartizione uniforme del carico). La resistenza del fascio è ottenuta come il valore di tensione massimo raggiunto nella simulazione prima della rottura, cioè quando tutte le fibre parallele del fascio hanno ceduto. Dal momento che le resistenze delle fibre vengono assegnate in modo casuale, i risultati sono diversi per ogni simulazione, e i valori medi possono essere derivati da simulazioni ripetute. Il modello è replicato in uno schema gerarchico a varie scale di lunghezza (“livelli”) per prevedere il comportamento meccanico multiscala. Questo è implementato come descritto in [7], cioè il comportamento meccanico di input di una “fibra” al livello i = h-1 è statisticamente ricavato dall’output derivante dalle simulazioni al livello h, quello al livello i = h-2 da simulazioni al livello i = h-1, e così via, fino al livello gerarchico più basso i = 1. Questa procedura è illustrata in figura 2a. Laddove necessario, il modello può essere esteso a 2 dimensioni adottando una griglia bidimensionale, per modellizzare anche effetti di taglio o prove di flessione [15].

Compositi

- Simulazioni numeriche per ottimizzare i compositi a base di grafene SIMULAZIONI “Nanoribbons” di grafene I Nanoribbons (nano-nastri) di grafene sono prodotti attraverso l’apertura (o “unzipping”) di nanotubi di carbonio, attraverso un trattamento ossidante in soluzione [16]. Utilizzando il modello presentato precedentemente, è stato caratterizzato teoricamente numericamente il comportamento meccanico di nanoribbon per valutare la possibile influenza di difetti sul comportamento meccanico alla microscala e alla macroscala. Per fare questo, sono stati utilizzati i parametri ottenuti sperimentalmente da Lee et al. [3] per il grafene monostrato modellizzato al livello 1 nell’approccio HFBM. La distribuzione di Weibull risultante per la resistenza per i nastri di grafene nel bundle corrisponde ai parametri s0 = 131 GPa e m = 14. I campioni sono discretizzati ad ogni livello con Nx x Ny = 10 3x102 fibre, e le simulazioni vengono ripetute tipicamente 10 3 volte per calcolare i valori medi. Alcune tipiche curve sforzo-deformazione per queste strutture sono mostrate in figura 3a. Le diverse curve corrispondono a simulazioni separate, che si differenziano a causa della variazione statistica in parametri di livello 1. La legge costitutiva elastica non lineare utilizzata si riflette nel comportamento non lineare osservato fino a frattura. La resistenza media ottenuta è di 91 GPa, il che mostra come un aumento di scala porti ad una notevole diminuzione di resistenza, anche senza considerare l’effetto dei difetti. Questo è dovuto alla variazione statistica delle resistenze a livello nanoscopico, che favorisce la nucleazione ed evoluzione del danno. Oltre a questo effetto, il ruolo dei difetti (come vacanze singole o multiple, interstiziali, impurità sostitutive, ecc [17]), è decisivo nel determinare la resistenza complessiva di un fascio di nanoribbon. Questo può essere verificato introducendo delle vacanze distribuite casualmente nella matrice di fibre ad un singolo livello nel modello, con un determinato rapporto volumetrico (ossia percentuale). Data la bassa dimensionalità del grafene, la presenza anche di piccole percentuali di difetti nei nanoribbon riduce drasticamente la resistenza. I risultati sono illustrati in figura 3b in scala logaritmica: si ottiene una riduzione di resistenza sino a 100 volte per una percentuale di difetti del solo 10%. Per confrontare queste previsioni con dei valori sperimentali, sono stati considerati i dati tratti da Xu et al. [18] su fibre di grafene. Le dimensioni delle fibre sono di lunghezza 1 m e raggio r = 20 mm. I risultati sperimentali per prove di trazione su queste fibre generano valori di resistenza di circa 140 MPa. Per mo-

dellare questo sistema sono stati utilizzati 3 livelli gerarchici con Nx = Ny = 100 ad ogni livello, per estendersi sul range complessivo da considerare. Le simula-

zioni sono effettuate per varie percentuali di difetti (uniformemente distribuiti a tutti i livelli). Si ottiene un accordo con i valori sperimentali per una percentua-

Fig.2: Rappresentazione schematica della procedura gerarchica multiscala utilizzata nel modello HFBM

Fig.3: a Tipiche curve simulate di stress-strain per nanoribbon di grafene; nanoribbon di grafene al variare della difettosità

variazione della resistenza di

Compositi

- Simulazioni numeriche per ottimizzare i compositi a base di grafene le di difetti di circa il 20%. In tal modo, è possibile dedurre la percentuale reale di difetti del materiale, in base alle proprietà meccaniche misurate, tramite il modello numerico. Questo risultato di un elevato contenuto di difetti è in linea con l’analisi [18] in cui le “proprietà meccaniche delle fibre possono essere migliorate con l’ottimizzazione del processo di filatura e post annealing per ridurre i vuoti”. Compositi di grafene e ossido di grafene Il grafene è comunemente incorporato in una matrice polimerica, come polipropilene (PP) o polietilene (PE), due dei materiali plastici più utilizzati al mondo. Il punto chiave nello sviluppo dei nanocompositi è la dispersione dei rinforzi nella matrice. Infatti, il grafene tende a formare agglomerati irreversibili a cau-

sa della sua elevata superficie specifica. Forma, dimensioni e dispersione del grafene impattano sulle proprietà meccaniche complessive, come modulo di Young, resistenza alla frattura o energia dissipata, e quindi la modellazione numerica è necessaria per accompagnare i risultati sperimentali nel prevedere le caratteristiche dei compositi finali. Un altro sistema considerato nelle simulazioni è un composito a matrice PVC rinforzato con grafene. Esistono dati sperimentali in letteratura su questo sistema, che è di interesse per la sua flessibilità, conduttività, elevata resistenza meccanica e stabilità termica [19]. In particolare è stato trovato un miglioramento significativo delle proprietà meccaniche rispetto a film in PVC puro con un carico 2 % wt. di grafene, come ad esempio un aumento del 58% nel modulo di Young e un miglioramento di

Fig.4: Aumento del modulo di Young per frazioni crescenti di grafene in compositi grafene-PVC (dati sperimentali da [20])

Fig.5: Comportamento stress-strain simulato di tre nanocompositi con densità diverse di rinforzi (le gradazioni di colore indicano l’intensità degli stress Von Mises attorno ai rinforzi nei diversi compositi)

Compositi

quasi 130% della resistenza. Simulazioni HFBM sono state effettuate su questo sistema utilizzando per il PVC una resistenza a trazione di 25 MPa e modulo di Young di 0.8 GPa, e considerando varie percentuali di fibre di grafene nella matrice. Anche in questo caso, tre livelli gerarchici sono utilizzati per le simulazioni. I risultati numerici sono confrontati con i dati sperimentali in figura 4, trovando un ottimo accordo. Si trova un aumento lineare nel modulo di Young per percentuali crescenti di grafene, almeno per piccoli valori, che è l’intervallo di valori che può essere realizzato sperimentalmente. Per maggiori percentuali, sperimentalmente si trovano valori di modulo di Young che saturano, probabilmente a causa dei citati problemi di una dispersione imperfetta di grafene nella matrice polimerica, tuttavia questo effetto non può essere catturato da un modello 1D, e occorre passare ad una modellizzazione 2D (o 3D) come descritto sotto. I risultati sperimentali e numerici mostrano comunque che le proprietà meccaniche migliorano notevolmente anche a carichi di grafene molto bassi (solitamente <2%), con un aumento della resistenza alla trazione [20] ed una diminuzione dell’allungamento a rottura. Ciò è dovuto al conflitto tra resistenza e tenacità tipico dei materiali artificiali, che può essere risolto attraverso l’uso di architetture gerarchiche, come accade nei materiali biologici. Questo problema può essere studiato tramite codici numerici che possono suggerire strategie da seguire sperimentalmente. Un esempio è lo studio dell’effetto della densità e sovrapposizione spaziale dei rinforzi, che permette di evidenziare effetti di “crack-shileding” o di concentrazioni di stress, ricavando configurazioni che massimizzano la lunghezza media delle cricche che provocano la rottura, con conseguente aumento dell’energia dissipata, a costo di una riduzione limitata di resistenza (fig.5). Un altro nanomateriale, recentemente oggetto di molti studi per le proprietà meccaniche simili al grafene (ma leggermente inferiori: il modulo di Young è circa pari a 200 GPa) ma una maggiore facilità di sintesi e preparazione, è l’ossido di grafene (GO). Anche in questo caso è stata studiata l’efficacia del materiale come rinforzo per compositi, anche data la relativa facilità di dispersione nei polimeri. Sono quindi stati studiati alcuni casi specifici di compositi a base di GO. Come una matrice polimerica ideale è stata considerata la gelatina nella forma di fibre macroscopiche (fig.6) [15]. L’elevata affinità chimica dei due materiali ostacola la rinaturazione della gelatina in collagene e provoca un rimescolamento quasi ideale nel composito GO-gelatina. Aggiungendo solo 1% di GO si ottiene un aumento

- Simulazioni numeriche per ottimizzare i compositi a base di grafene del modulo di Young superiore al 50% ed un aumento di resistenza alla frattura superiore al 60%. Le simulazioni numeriche in questo caso sono in buon accordo con i dati sperimentali e permettono di evidenziare il meccanismo di progressione del danno nei campioni compositi. Le simulazioni mostrano che le fratture si sviluppano alla nanoscala nelle regioni alle estremità dei rinforzi a causa delle concentrazioni di sforzi, ma la loro propagazione è parzialmente neutralizzata dal comportamento non lineare della matrice, in cui si concentrano le deformazioni e il danneggiamento presso il sito iniziale della fessura, limitando così ulteriore propagazione. Questo comportamento, mostrato in figura 6b, è coerente con le previsioni in letteratura [21]. Le risultanti curve sforzo-deformazione per le diverse percentuali di rinforzo

di GO nella matrice (M0.5, M1, M1.5) sono mostrate in fig.6c. Si ottiene un notevole accordo con le curve sperimentali (fig.6d), con solo una leggera discrepanza nel tratto di danneggiamento per il campione M1.5. Le simulazioni predicono correttamente un aumento del modulo elastico prima e dopo il punto di snervamento per percentuali crescenti di GO, nonché un aumento tensione di snervamento. Allo stesso tempo, le simulazioni predicono una fragilizzazione del composito all’aumentare della percentuale di GO, cosicché lo strain di frattura diminuisce. In sintesi, il gruppo di Trento ha ideato un codice numerico gerarchico per il progetto industriale di nanocompositi dalle proprietà ottimizzate, irraggiungibili col solo metodo sperimentale trial and error.

Fig.6: Risultati da [15]: a Immagine TEM di “fiocchi” di GO depositati sulla superficie o parzialmente annegati nella matrice delle fibre di gelatina; b evoluzione del danno simulata nel composito; c curve Stress-strain misurate per percentuali crescenti di GO (da 0 a 1.5%); d curve numeriche corrispondenti

BIBLIOGRAFIA/REFERENCES

[1] Geim, A.K. & Novoselov, K.S. 2007 The rise of graphene. Nature Materials 6, 183-191. [2] Novoselov, K.S. 2011 Nobel Lecture: Graphene: Materials in the Flatland. Rev Mod Phys 83, 837-849. [3] Lee, C., Wei, X.D., Kysar, J.W. & Hone, J. 2008 Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science 321, 385-388. [4] Singh, V., Joung, D., Zhai, L., Das, S., Khondaker, S.I. & Seal, S. 2011 Graphene based materials: Past, present and future. Progress in Materials Science 56, 1178-1271. [5] Pugno, N.M. 2007 The role of defects in the design of space elevator cable: From nanotube to megatube. Acta Mater 55, 5269-5279. [6] Pugno, N.M. 2007 Young’s modulus reduction of defective nanotubes. Applied Physics Letters 90. [7] Pugno, N.M., Bosia, F. & Carpinteri, A. 2008 Multiscale stochastic simulations for tensile testing of nanotube-based macroscopic cables. Small 4, 1044-1052. [8] Pugno, N. 2006 New quantized failure criteria: application to nanotubes and nanowires. International Journal of Fracture 141, 313-323. [9] Pugno, N.M. & Ruoff, R.S. 2004 Quantized fracture mechanics. Philosophical Magazine 84, 2829-2845. [10] Pugno, N.M. 2006 Dynamic quantized fracture mechanics. International Journal of Fracture 140, 159-168. [11] Zhu, Y., James, D.K. & Tour, J.M. 2012 New Routes to Graphene, Graphene Oxide and Their Related Applications. Advanced Materials 24, 4924-4955. [12] Saini, A. 2014 EU Graphene Flagship project aims for technological breakthroughs. Mrs Bull 39, 393-394. [13] Pugno, N.M. 2014 The “Egg of Columbus” for Making the World’s Toughest Fibres. Plos One 9, e93079. [14] Bosia, F., Buehler, M.J. & Pugno, N.M. 2010 Hierarchical simulations for the design of supertough nanofibers inspired by spider silk. Physical Review E 82 .[15] Panzavolta, S., Bracci, B., Gualandi, C., Focarete, M.L., Treossi, E., Kouroupis-Agalou, K., Rubini, K., Bosia, F., Brely, L., Pugno, N.M., et al. 2014 Structural reinforcement and failure analysis in composite nanofibers of graphene oxide and gelatin. Carbon 78, 566-577. [16] Kosynkin, D.V., Higginbotham, A.L., Sinitskii, A., Lomeda, J.R., Dimiev, A., Price, B.K. & Tour, J.M. 2009 Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons. Nature 458, 872-U875. [17] Banhart, F., Kotakoski, J. & Krasheninnikov, A.V. 2011 Structural Defects in Graphene. Acs Nano 5, 26-41. [18] Xu, Z. & Gao, C. 2011 Graphene chiral liquid crystals and macroscopic assembled fibres. Nat Commun 2, 571. [19] Vadukumpully, S., Paul, J., Mahanta, N. & Valiyaveettil, S. 2011 Flexible conductive graphene/poly(vinyl chloride) composite thin films with high mechanical strength and thermal stability. Carbon 49, 198-205. [20] Chen, G., Wu, D., Weng, W. & Wu, C. 2003 Exfoliation of graphite flake and its nanocomposites. Carbon 41, 619-621. [21] Gao, H., Ji, B., Jäger, I.L., Arzt, E. & Fratzl, P. 2003 Materials become insensitive to flaws at nanoscale: Lessons from nature. Proceedings of the National Academy of Sciences 100, 5597-5600.

Compositi

COMPOTEC www.compotec.it

EDITION EDITION

4 / 5 / 6 F E B . 2 0 1 5 C A R R A R A _ I TA LY

compotec

RASSEGNA INTERNAZIONALE COMPOSITI E TECNOLOGIE CORRELATE

INTERNATIONAL EXHIBITION COMPOSITES AND RELATED TECHNOLOGIES www.compotec.it

ORGANIZZATORE/ORGANIZER:

SPONSOR BANCARI/SPONSORING BANKS: GRUPPO BANCA CARIGE

Cassa di Risparmio di Carrara S.p.A.

La lista completa dei patrocini e degli sponsor è pubblicata sui rispettivi siti web Visit our websites to read the full list of sponsors and cooperators

Business on the Move

CarraraFiere, Viale Galileo Galilei, 133 - 54033 Marina di Carrara (MS) - Italy - Tel. +39 0585 787963 Fax +39 0585 787602 - e-mail: info@carrarafiere.com

Numerical simulations for the optimization of Graphene-based composites Due to its exceptional properties, graphene can be a viable alternative to carbon fibres and nanotubes as reinforcement in composite materials. The Trento’s group has developed a hierarchical code for the industrial design of nanocomposites with optimized properties, not achievable by experimental trial and error.

n recent years, tremendous efforts have been devoted to the study of graphene for its exceptional electronic, thermal, optical and mechanical properties [1], with the prospect of exploiting them for applications in various fields [2]. Graphene is the basis of all forms of graphitic carbon and consists of a single layer of sp2 hybridized carbon atoms arranged in a honeycomb structure (fig.1). From the point of view of mechanical properties, the resistance of graphene is the highest ever measured experimentally, following the study by Lee et al., who were able to determine the elasto-plastic behaviour and the intrinsic strength of suspended membranes of a graphene monolayer via nanoindentation in an Atomic force microscope, finding a Young’s modulus of 1 TPa and an intrinsic strength of 130 GPa [3]. One of the most interesting applications of graphene is in the field of nanocomposites, where it could potentially replace carbon nanotubes or fibres, improving the thermal and mechanical properties can be obtained [4]. As for nanotubes, graphene has, in addition to exceptional ideal mechanical properties and a reduced bulk density, a high specific surface area, which makes it effective even at low concentrations, thus reducing production costs of the related composites. However, there are still many aspects to be studied. For example, in the past studies were performed on the drastic impact of defects in carbon nanotubes on the mechanical properties of the related macrostructures [5-7]. As for carbon nanotubes, in a material of low dimensionality as graphene, the introduction of individual defects can lead to a reduction of the Young’s modulus of up to 20% [8-10]. Similarly, much remains to be studied on the effects of graphene functionalization and on the properties of its derived materials such as

Graphene Oxide, which can be synthesized more easily [11]. For applications related to composites, it is necessary to study the properties of the interface with different types of polymers, the effects of crumpling of graphene (fig.1), and various other effects which may affect the macroscopic mechanical properties. It is therefore necessary to study in detail how to optimize the mechanical performance of the composites (Young’s modulus, strength, toughness...) by varying the properties of the constituent materials, the volumetric percentage, possible hierarchical structure (in the case of composites reinforced with both nanomaterials and with traditional fibers), alignment of the reinforcements, and other manufacturing parameters. Clearly, an experimental investigation of these aspects would be excessively expensive, so it is important to develop reliable numerical models for the simulation of the multiscale mechanical behaviour of graphenebased composite structures as a function of several manufacturing parameters. To do this, various theoretical and numerical approaches have been developed at the Laboratory of Bioinspired and Graphene Nanomechanics of the University of Trento, led by Professor Nicola Pugno. In 2013, the European Union, as part of the ICT Future Emerging Technologies Flagship, approved the two largest research projects ever funded. These include the “Graphene” Flagship which, coordinated by Chalmers University, will involve in the coming years more than 100 research groups from 20 European countries and will distribute 1G€, mainly on competitive calls, for the development of graphene-based technologies [12]. The Trento group with the Fondazione Bruno Kessler is involved in the project, working on graphenebased composites in the corresponding Work Package, and for high-tech in-

dustrial applications. The experience of the group is highlighted by the conception and realization of the world’s toughest material, 10 times more than Kevlar [13]. One of the objectives is to perform simulations to allow the optimization of different mechanical properties of these materials, in view of to specific applications. In this contribution, we will discuss some examples of the considered systems, adopting a very simple approach, previously used to perform multiscale simulations on the stiffness and strength of mega-structures based on nanotubes [7], or for the design of extremely tough PVA-based composite nanofibers reinforced with carbon nanotubes, inspired by spider webs, [14]. NUMERICAL MODEL The model used is described in [7] and in its simplest version is based on an approach called “Hierarchical Fiber Bundle Model” (HFBM), in which a sample is discretized into a set of springs (or “fibers”) arranged in series and parallel. The individual fibers are assigned statistically distributed strengths according to a Weibull distribution of the type:

mσ    p (σ ) = σ 0  σ 0 

m −1

 − σ   σ0 



where s0 and m are scale and shape parameters, respectively. To model heterogeneous materials, such as composites, the fibers of each bundle can assume various mechanical properties. The k-th fiber is characterized by a Young’s modulus Ek, length lk, cross section Ak and strength distributed according to Eq. (1). The various types of fibers combine to form “bundles”, with complex mechanical behavior that emerges from the mechanical properties and the arrangement of the constituent fibers.

Compositi

- Numerical simulations for the optimization of Graphene-based composite The stress-strain behavior of the specimen is determined by imposing an increasing deformation and fracture of individual fibers occurs when their statistically assigned strength is exceeded. After each damage event, the load is redistributed uniformly among the fibers in the same bundle section (Equal Load Sharing). The strength of the bundle is obtained as the maximum stress value reached in the simulation before rupture, that is, when all the parallel fibers in a fibre section of the bundle have failed. Since the strengths of the fibers are randomly assigned, the results are different for each simulation, and the average values can be derived from repeated simulations. The model can be replicated in a hierarchical scheme at various length scales (“levels”) to predict the macroscopic mechanical behaviour of a micro- or nano- structured material. This is implemented as described in [7], i.e. the input mechanical behavior of a fiber at level i = h-1 is statistically derived from the output resulting from simulations at level h, that at level i = h-2 from simulations at level i = h-1, and so on, until the lowest hierarchical level i = 1 is reached. This procedure is schematically shown in fig.2a. Where necessary, the model can be extended to two dimensions by adopting a two-dimensional grid, to model the additional effects of shear or bending [15]. SIMULATIONS Graphene Nanoribbons The Graphene Nanoribbons are generally produced through the “unzipping” of carbon nanotubes, through an oxidising treatment in solution [16]. Using the model presented above, the mechanical behavior of nanoribbons has been characterized theoretically and numerically to assess the possible influence of defects at the microscale and at the macroscale. To do this, we used the parameters obtained experimentally by Lee et al. [3] for graphene monolayers at level 1 in the HFBM approach. The resulting Weibull strength distribution for graphene ribbons in the bundle are s0 = 131 GPa and m = 14. Samples are simulated at every level with Nx x Ny = 10 3x102 fibers, and the simulations are repeated typically 10 3 times to calculate the mean values. Some typical stress-strain curves for these structures are shown in fig.3a. The different curves correspond to separate simulations, which differ because of the statistical variation in level 1 parameters. The adopted non-linear elastic constitutive law is reflected in the observed non-linear behavior up to fracture. An average strength of 91 GPa is obtained, which shows that a scale in-

Compositi

crease leads to a considerable strength decrease, even without explicitly considering the effect of defects. This is due to the statistical variation of strength at the nanoscale, which favors the nucleation and evolution of the damage. In addition to this effect, the role of defects (such as single or multiple vacancies, interstitials, substitutional impurities, etc. [17]), is crucial in determining the overall strength of a nanoribbon bundle. This can be verified by introducing randomly distributed vacancies in the matrix of fibers at a single level in the model, with a given volume ratio (i.e. percentage). As expected, given the low dimensionality of graphene, the presence of even small percentages of defects drastically reduces the strength of the nanoribbons. Results are shown in fig.3b in logarithmic scale: a reduction of strength up to 100 times is obtained for a defect percentage of only 10%. To compare these predictions with experimental values, we considered the data from Xu et al. [18] on graphene fibers. The fibers are of length 1 m and radius 20 mm. Experimental tensile test results for these fibers generate strength values of about 140 MPa. To model this system, were used 3 hierarchical levels with Nx = Ny = 100 at each level, in order to extend the overall range to be considered. Simulations are carried out for various defects percentages (evenly distributed at all levels). An agreement with the experimental values is obtained for a defect percentage of about 20%. Thus, it is possible to deduce the actual percentage of defects of the material, according to the measured mechanical properties, using a numerical procedure. This result of a high content of defects is in line with the analysis in [18], in which the “mechanical properties of the fibers can be significantly improved optimization of the spinning and post annealing process to reduce the voids”. Graphene and graphene oxide composites Graphene is commonly incorporated in a polymer matrix, such as polypropylene (PP) or polyethylene (PE), two of the most commonly used plastic materials in the world. A key point in the development of nanocomposites is the dispersion of the reinforcement in the matrix. Indeed, graphene tends to form irreversible agglomerates because of its high specific area. The effect of shape, size and dispersion of graphene on the overall mechanical properties, such as Young’s modulus, fracture strength or dissipated energy is considerable, and

therefore numerical modeling is required to accompany experimental results in predicting the characteristics of the final composite. Another system considered in simulations is a PVC matrix composite reinforced with graphene. There are experimental data in the literature on this system, which is of interest for its flexibility, conductivity, high mechanical strength and thermal stability [19]. In particular a significant improvement of mechanical properties was found compared to a pure PVC film with a loading of 2% wt. graphene, such as a 58% increase in the Young’s modulus and an improvement of almost 130% in strength. HFBM simulations were carried out for this system using for PVC a tensile strength of 25 MPa and a Young’s modulus of 0.8 GPa, and considering various percentages of graphene fibers in the matrix. In this case too, three hierarchical levels are used for the simulations. Numerical results are compared with experimental data in figure 4, showing a good agreement. There is a linear increase in the Young’s modulus for increasing percentages of graphene, at least for small loading values, which is the range that can be achieved experimentally. For higher percentages, experimentally found values of Young’s modulus saturate, probably because of the aforementioned problems of an imperfect dispersion of graphene in the polymer matrix, however, but this effect cannot be captured by a 1D model, and 2D (or 3D) modelling is necessary, as described below. Experimental and numerical results thus show that mechanical properties improve significantly even at very low graphene loading (usually <2%), with an increase of the tensile strength [20] and a decrease in elongation at break. This is due to the conflict between strength and toughness typical of artificial materials, which may possibly be solved through the use of hierarchical architectures, as happens in biological materials. This kind of problem can be effectively studied by numerical codes that may suggest strategies to follow experimentally. An example is the study of the effect of density and spatial overlapping of the reinforcements, which can highlight the effects of crack shielding or stress concentrations, obtaining configurations that maximize the average length of the traversing cracks, resulting in increased dissipated energy, at the cost of a limited reduction of strength, as shown in fig.5. Another nanomaterial that has been the subject of many studies recently, due to its mechanical properties similar to graphene (but slightly lower: the

Young’s modulus is approximately equal to 200 GPa) and a greater ease of synthesis and preparation is Graphene oxide (GO). In this case too, the effectiveness of the material as a reinforcement for composites has been studied, especially due to the relative ease of dispersion in polymers. Some specific cases of composites based on GO were therefore studied. One example is a gelatin matrix the in the form of macroscopic fibers (fig.6). The high chemical affinity of the two materials hinders the renaturation of gelatin into collagen and gives a near ideal mixing in the GO-gelatin composite. With the addition of only 1% of GO an increase in Young’s modulus greater than 50% is obtained and an increase of the fracture strength greater than 60%. Numerical simulations in this case are in good agreement with the experimental data and highlight the mechanism of progression of damage in the composite samples. The simulations show that cracks develop at the nanoscale in the regions at the ends of the reinforcements due to stress concentrations, but their propagation is partially neutralized by the non-linear behavior of the matrix, which concentrates deformation and damage at the site of initial flaws, thus limiting further propagation. This type of behavior, shown in fig.6b, is consistent with the predictions in the literature [21]. The resulting stress-strain curves for different GO reinforcement percentages in the matrix (M0.5, M1, M1.5) are shown in fig.6c. A remarkable agreement is obtained with the experimental curves (fig.6d), with only a slight discrepancy in failure deformation in sample M1.5. The simulations correctly predict an increase in the elastic modulus before and after the yield point for increasing percentages of GO, as well as an increase in yield stress. At the same time, the simulations predict an increase in the embrittlement of the composite with increasing percentage of GO, as the strain to failure decreases. In synthesis, the Trento’s group has developed a hierarchical code for the industrial design of nanocomposites with optimized properties, not achievable by experimental trial and error. RINGRAZIAMENTI/ACKNOWLEDGEMENTS The authors acknowledge the support of the European Research Council, ERC Ideas Starting Grant n. 279985 “BIHSNAM” and the ERC Proof of Concept grant no. 619448 “Replica2”, and from the European Union Seventh Framework Programme under Grant Agreement No 604391 Graphene Flagship. FB is also funded by the project BIHSNAM.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Graphene honeycomb structure and monolayer crumpling Fig.2: Schematic representation of the procedure used in the hierarchical multiscale model (HFBM) Fig.3: a) Typical simulated stress-strain curves for graphene nanoribbons; b) strength variation of graphene nanoribbons at different defect percentages Fig.4: Increase in the Young’s modulus by increasing graphene fractions in composite graphene-PVC (experimental data from [20]) Fig.5: Simulated stress-strain behavior of three nanocomposites having different reinforcement densities (color scale indicates the intensity of the Von Mises stress around the reinforcements in the different composites) Fig.6: Results from [15]: a) TEM image of GO flakes deposited on the surface or partially embedded in the matrix of gelatin fibers; b) simulated damage evolution in the composite; c) experimental stress-strain curves for increasing percentages of GO (0 to 1.5%); d) corresponding numerical curves

NEWS - Abbiamo ampliato la gamma delle nostre proposte con Specialità per compositi avanzati di MARBOCOTE: SEALER HP 1000 N DISTACCANTE HP7 CLEANER Documentazione tecnica e campionature a richiesta. Tavole epossidiche di TRELLEBORG. Epoxy Board EP 678 Epoxy Board EP 700 Epoxy Board TB 650 adesivi e mastici dedicati

SOLUZIONI NELLA COSTRUZIONE DI MODELLI STAMPI E PROTOTIPI. ,

I nostri Clienti operano nel settore: Compositi, Modellerie, Fonderia, Prototipazione, Meccanica, Industrial Design, Scenografie, Arredamento, Automotive, Nautica, Sport, … A loro forniamo: Resine bicomponenti epossidiche, poliuretaniche, siliconiche. PU e Epoxy Board, adesivi, distaccanti, sealer, cariche, tessuti tecnici. Utensili, Filtri, Accessori, Strumenti, Attrezzature ... www.resipol.com – info@resipol.com

resipol s.r.l.

Via Terracini, 15 – 20089 Rozzano P. Sesto, MI Tel: (+39) 02 57 51 13 35 - 335 63 50 448 Telefax : 0039 02 89 200 283 Compositi

A. Pullara - CETENA S.p.A. e IMAST Scarl Technological District on Engineering of polymeric and composite Materials and Structures

Piscine in composito polimerico per navi da crociera Nell’ambito del progetto di ricerca di IMAST “Adesivi compositi Strutturali per Applicazioni nel settore dei trasPorti” ASAP (DM 29020) sono stati sviluppati adesivi innovativi e metodologie di progettazione per realizzare una piscina in composito polimerico per navi da crociera, in alternativa alle grandi piscine in acciaio adottate nella cantieristica navale, utilizzando collegamenti diversi dalle giunzioni meccaniche (saldatura e bullonatura).

er sostenere le sfide competitive poste dal mercato globale, occorre individuare scenari di sviluppo tecnologico di medio e lungo periodo e priorità tematiche da perseguire attraverso un’azione di coordinamento nazionale ed internazionale tra attori della ricerca, distretti ad alta tecnologia e poli di eccellenza sulle tematiche convergenti. L’interdisciplinarietà dell’approccio è elemento fondante dell’esperienza di IMAST, il Distretto Tecnologico sull’Ingegneria dei Materiali Compositi Polimerici e delle Strutture, che agisce da knowledge integrator tra le competenze scientifiche e tecnologiche dei propri soci: Imprese, Università, Enti e Centri di ricerca. In dieci anni di attività IMAST ha promosso collaborazioni su scala nazionale e internazionale, agendo come holding dei laboratori dei soci. Da questo approccio sono nate e continuano a nascere progettualità comuni.

Compositi

Tra queste figura anche il progetto di ricerca di IMAST sugli “Adesivi compositi Strutturali per Applicazioni nel settore dei trasPorti” ASAP (DM 29020), finanziato dal Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca, che ha visto come attori della ricerca congiunta Alenia Aermacchi, Ansaldobreda, Cetena, Elasis, Centro Ricerche Fiat, CNR, Università degli Studi di Napoli “Federico II”. Nell’ambito del progetto ASAP sono stati sviluppati nuovi sistemi adesivi per migliorare i processi di incollaggio e le performance dei prodotti per il settore dei trasporti. Le soluzioni tecnologiche proposte e sviluppate nel progetto sono trasversali a diversi ambiti industriali. In particolare, sono stati sviluppati sistemi adesivi con funzionalità innovative, per incrementare la resistenza alla fiamma, aumentare l’open time e la tack free time, parametri fondamentali nel processo di incollaggio di componenti di grosse dimensioni, aumen-

tare tenacità e proprietà meccaniche del giunto utilizzando agenti tenacizzanti, aumentare le caratteristiche a taglio con monomeri ad alta funzionalità, incrementare la reattività degli hot-melt. Inoltre, sono state messe a punto metodologie di progettazione di componenti integranti giunzioni strutturali incollate e tecniche di assemblaggio che sono risultate di particolare interesse soprattutto per quei settori in cui la giunzione strutturale è affidata totalmente alle giunzioni meccaniche. Nell’ambito di ASAP hanno operato diversi settori industriali: aeronautico, automotive, ferroviario e navale. Con riferimento al settore navale, nell’ambito del progetto ASAP, sono stati sviluppati adesivi innovativi e metodologie di progettazione che hanno permesso di realizzare una piscina in materiale composito polimerico per navi da crociera, in alternativa alle grandi piscine in acciaio convenzionalmente adottate nella cantieristica navale, utilizzando collegamenti diversi dalle giunzioni meccaniche (saldatura e bullonatura). Tale soluzione è stata conseguita grazie alle collaborazioni attivate nell’ambito del progetto tra il socio industriale CETENA - Centro per gli Studi di Tecnica Navale del Gruppo Fincantieri, IMAST ed imprese, Università e Centri di ricerca soci del Distretto. L’industria marittima è un settore economico chiave, che garantisce migliaia di posti di lavoro e mantiene ancora un buon potenziale di crescita. In un contesto di crisi economica globale e di crescente concorrenza dei paesi emergenti, la cantieristica navale e l’ingegneria marittima devono investire sulla diversificazione in chiave innovativa dei prodotti, incidendo anche sulla specializzazione produttiva dei cantieri. La ricerca è partita dall’esigenza di individuare soluzioni e materiali in grado di migliorare le prestazioni strutturali e funzionali dei mezzi di trasporto del settore navale, focalizzando l’attenzione sulle navi da crociera.

- Piscine in composito polimerico per navi da crociera -

Fig.1: ASTM D6135 Negli ultimi anni le navi da crociera sono diventate sempre più grandi, dotate di servizi alberghieri di alto livello e capaci di trasportare oltre tremila passeggeri in piena comodità; queste esigenze hanno determinato trasformazioni nella struttura delle navi e negli interni, sempre più funzionali e maestosi. Data l’importanza di questo mercato su scala globale, la capacità di progettare e realizzare navi dall’alto contenuto tecnologico diventa un fattore di successo sempre più rilevante, considerando il livello di competizione espresso dalla concorrenza che un grande gruppo industriale come Fincantieri deve affrontare. In quest’ottica, uno degli obiettivi principali da raggiungere nei prossimi anni è la riduzione del peso nave, conseguibile anche attraverso il ricorso a materiali non convenzionali per il settore della cantieristica navale, quali i materiali compositi. Lo studio è stato condotto ponendo particolare attenzione al collegamento tra l’invaso in composito e le strutture in acciaio della nave, realizzato mediante giunto adesivo. Quest’ultimo costituisce l’interfaccia tra due materiali differenti, quali l’acciaio e il materiale composito, e deve pertanto essere in grado sia di assorbire le differenze di comportamento meccanico e termo-meccanico tra i due materiali, sia di assicurare un collegamento stabile e duraturo nell’arco della vita operativa della nave, misurabile in 20 anni. In particolare, con il contributo del socio CNR IPCB è stato messo a punto un adesivo innovativo contenente agenti ritardanti di gelificazione per aumentare l’open time e la tack free time, parametri fondamentali nel processo di incollaggio di componenti di grosse dimensioni. Parallelamente, è stato messo a punto un modello elasto-plastico del materiale in grado di rappresentarne il comportamento meccanico; sono stati eseguiti dei test meccanici con la collaborazione dell’Università “Federico II” che hanno

Fig.2: ASTM D1062

Fig.3: Giunti lap-shear di sub componenti in scala reale

Fig.4: Pannello sandwich dell’invaso

Compositi

- Piscine in composito polimerico per navi da crociera -

Fig.5: Modello FE dell’invaso

confermato una buona correlazione tra i dati numerici e quelli sperimentali. Una volta completato il piano di test di caratterizzazione sperimentale del materiale adesivo, è stato definito il materiale costituente l’invaso della piscina. Si tratta di un pannello sandwich avente un core in schiuma di PVC a celle chiuse e skin in resina epossidica rinforzata con tessuti in fibra di vetro. Per la progettazione dell’invaso, in primo luogo è stato condotto il dimensionamento degli spessori del pannello sandwich, considerando la piscina piena d’acqua e soggetta alle accelerazioni della nave. Sono state individuate 5 macroaree in ciascuna delle quali il sandwich presenta spessori di skin e core costanti, determinati mediante un’ottimizzazione multi obiettivo (Multi-objective-optimization - MOO) basata sull’algoritmo di “ottimizzazione con sciami di particelle” (Particle Swarm Optimization). Si tratta di un metodo iterativo, stocastico ed euristico di ricerca e ottimizzazione, ispirato alle leggi che regolano il movimento degli sciami degli uccelli. Il carico considerato per l’analisi consiste nella pressione esercitata dall’acqua sulle pareti dell’invaso data dall’espressione:

P = k ρ g ( z − z0 ) 

Fig.6: Spostamenti lungo asse z

Fig.7: Tensioni equivalenti di Von Mises

Compositi

in cui il fattore k è posto pari a 1.5 per tenere conto delle accelerazioni verticali della nave, ρ è la densità dell’acqua, g l’accelerazione di gravità, e z0 la coordinata z del pelo libero dell’acqua. Le figure 6 e 7 mostrano i risultati di una simulazione non lineare (opzione large strain del codice MARC) con le prime ipotesi di spessori sulle varie zone della piscina. Mediante l’ottimizzazione eseguita attraverso 500 simulazioni FE, si è giunti all’individuazione di 64 configurazioni (set di spessori per le 5 macroaree) mostrate nel fronte di Pareto di seguito riportato, in cui è possibile scegliere una soluzione ottimale in grado di contenere la freccia del pannello costituente il fondo della piscina entro un limite prefissato, minimizzando nel contempo il peso totale dell’invaso in composito. Si è passati alla fase della modellazione FEM con il codice MARC MENTAT del sistema costituito dall’invaso in composito e dalle strutture della nave con cui è connesso mediante giunto adesivo acciaio/composito. Obiettivo di questa analisi è stato determinare l’entità dei carichi trasmessi dalle strutture in acciaio della nave alla piscina in composito attraverso la giunzione adesiva, quando la nave è soggetta ai carichi globali di progetto, ossia al massimo momento di hogging e al massimo momento di sagging.

- Piscine in composito polimerico per navi da crociera È stato verificato il progetto nel suo complesso, ponendo particolare attenzione alle sollecitazioni agenti nei singoli cordoni di materiale adesivo. Per la realizzazione del primo prototipo si è optato per processi in grado di minimizzare il costo di produzione, garantendo i requisiti di prodotto finali per l’applicazione industriale. Per il processo realizzativo dello stampo si è individuata la tecnica di lavorazione di pannelli in MDF (Medium Density Fiberboard - 700 kg/ m3 ) mediante fresa a portale a controllo numerico a cinque assi. Si tratta di un approccio di tipo Direct Moulding, in cui si prevede la realizzazione dello stampo senza passare da un modello positivo a perdere, consentendo di contenere i costi entro valori giustificabili anche per produzioni di qualche unità. Inoltre si è prevista una suddivisione dello stampo in moduli, che possono essere così riutilizzati più volte per piscine di diverse dimensioni e forme, in funzione delle richieste della Società Armatrice. Sempre nell’ottica del contenimento dei costi si è optato per una laminazione hand lay-up. Il manufatto così realizzato può essere preallestito con tutti gli impianti ausiliari richiesti dal committente, quali impianti di illuminazione integrati, scalette e tientibene in acciaio inox, impianti per il carico/scarico dell’acqua, bocchette per l’idromassaggio, etc.. La fase di installazione a bordo è rapida rispetto al processo convenzionale, in quanto si tratta di “imbarcare” la piscina con le facilities del cantiere navale direttamente nel vano dedicato e procedere all’incollaggio con le strutture in acciaio. Per la fase di erogazione dell’adesivo, si prevede l’impiego di pistole pneumatiche, che consentono grande maneggevolezza, indispensabile per l’uso a bordo. La figura 13 mostra il prototipo realizzato nell’ambito del progetto ASAP, che è stato testato meccanicamente per verificarne la risposta ai carichi esterni. CONCLUSIONI Rispetto alle convenzionali piscine in acciaio, la soluzione di piscina in composito consente di: • ottenere, per una grande piscina di nave da crociera (10 m x 4 m x (h) 2 m), un risparmio in peso di almeno 7 t sui ponti alti della nave, con un beneficio in termini di aumento di stabilità nave • eliminare i fenomeni di corrosione e migliorare l’aspetto estetico con possibilità di prevedere geometrie complesse (superfici a doppia curvatura, scale integrate, ecc.) • installare a bordo nave la piscina già preallestita con tutti gli impian-

Fig.8: Soluzioni analisi di ottimizzazione: fronte di Pareto

Fig.9: Carichi globali nave di Hogging inarcante e Sagging insellante

Fig.10: Mesh modello FE sistema globale: invaso collegato con strutture nave

Compositi

- Piscine in composito polimerico per navi da crociera -

Fig.11: Stampo ottenuto per Direct Moulding ti ausiliari necessari, con benefici in termini di tempi e costi rispetto al processo produttivo convenzionale. Partendo dal presupposto che le navi di oggi non sono unità standard, ma che piuttosto ognuna di esse è un prodotto su misura a elevato valore aggiunto e che rispecchia le specifiche esigenze e richieste del cliente, l’obiettivo di offrire un prodotto competitivo implica

Fig.12: Stratificazione hand lay-up un impegno rilevante nello sviluppo di soluzioni tecnologiche applicate e di innovazione, in grado di determinare ricadute rapide sulla realizzazione del prodotto. Di conseguenza, ogni nave può essere considerata un nuovo prodotto, che nasce dalla combinazione delle specifiche attività svolte nelle costruzioni precedenti in risposta alle necessità del cliente e dalle attività di ricerca e innovazione: un ottimo banco di prova per

GAZECHIM COMPOSITI ITALIA SPA info@gazechim.it

Fig.13: Prototipo realizzato applicare nuove tecnologie migliorando il prodotto finale. Le soluzioni sviluppate nel progetto ASAP per il settore navale e per tutti gli altri settori industriali hanno richiesto competenze multidisciplinari che si sono rese possibili proprio grazie alle forti sinergie attivate tra le Imprese, le Università ed i Centri di ricerca pubblici soci del Distretto IMAST e che hanno partecipato al progetto.

Sede Legale, Ufficio Amministrativo e Commerciale: Via Cassia, 1699 - 00123 Roma Tel. 06 90.73.607 r.a. - Fax 06 90.85.238 Piacenza - Ufficio e Deposito: Str. Malpaga, 10 ZI - 29010 Calendasco (Pc) Tel. 0523 763.078 r.a. - Fax 0523 763.038

www.gazechim.it

Catania - Ufficio e Deposito: Via S. Maria di Licodia, 93 - 95032 Belpasso (Ct) Tel. 095 912.300 r.a. - Fax 095 912.250

Distribuisce in Italia RESINE POLIESTERI E GEL COAT

FIBRE DI VETRO E MULTIASSIALI

RESINE POLIESTERI E VINILESTERI

BARRIER COAT E BONDER

OWENS CORNING

DISTACCANTI E CERE

FELTRI E RINFORZI NON VETROSI

Compositi 36 Saremo presenti al Compotec - 4/5/6 febbraio 2015 Carrara, Italy - pad. D stand 890 corsia 28-29

A. Pullara - CETENA S.p.A. and IMAST Scarl - Technological District on Engineering of polymeric and composite Materials and Structures

Polymer composite swimming pools for cruise ships As part of the IMAST research project “Composite structural adhesives for applications in the transport sector” ASAP (DM 29020), innovative adhesives and design methodologies have been developed to build a swimming pool in polymer composites for cruise ships as an alternative to large steel pools adopted in shipbuilding, and using connections other than mechanical joints (welding and bolting).

f we want to take on the competitive challenges posed by the global market we need to identify technological development scenarios over a medium and long term as well as priority topics to pursue by means of national and international coordination actions involving research players, high-technology districts and centers of excellence and focusing on converging interests. The interdisciplinary approach is a fundamental element of the experience of IMAST, the technological district on Engineering of Polymer Composite Materials and Structures, which acts as a knowledge integrator between the scientific and technological expertise of its members: Businesses, universities and research centers and organizations. In ten years of activity IMAST promoted partnerships at a national and international level, acting as a holding company of its members’ laboratories. Common projects have continuously stemmed from this approach. One of these projects is the IMAST research project “Composite structural adhesives for applications in the transport sector” ASAP (DM 29020), funded by the Ministry of Education, Universities and Research, which saw the joint participation in the research activities of Alenia Aermacchi, Ansaldobreda, Cetena, Elasis, Centro Ricerche Fiat, CNR, Università degli Studi di Napoli “Federico II”. In the framework of the ASAP project new adhesive systems were developed in order to improve the bonding processes and the performance of products aimed at the transport sector. The technological solutions proposed and developed in the project can be applied to a range of industrial fields. In particular, new adhesive systems with innovative functionalities were developed in order to increase flame resistance, open time and tack free time, that represent fundamental parameters in the bonding process of large-sized components, as well as

to upgrade toughness and mechanical properties of joints with the use of toughening agents, increase the shear strength properties with high functional monomers, enhance the reactivity of hot-melts. Moreover, methods have been developed for the design of components implementing glued structural joints and assembly techniques that proved to be of particular interest especially in the fields where the structural joint relies completely on mechanical joints. Several industrial fields operated within the ASAP project: aerospace, automotive, railway and marine industry. Concerning the marine industry, innovative adhesives and design methodologies were developed within the ASAP project leading to the realization of a polymer composite swimming pool for cruise ships which represents an alternative to the large steel pools commonly used in shipbuilding. These pool implements a jointing approach other than usual mechanical joints (welding and bolting). Such solution was achieved thanks to the partnerships started up in the framework of the project between the industrial partner CETENA – Centro per gli Studi di Tecnica Navale of the Fincantieri Group, IMAST and companies, universities and research centers of the district. The shipbuilding industry is a key economic sector, which provides thousands of jobs and still retains a good growth potential. In a context of global economic crisis and growing competition from emerging countries, shipbuilding and maritime engineering must invest on a diversification approach driven by innovative product concepts with an impact on the manufacturing specialization of the shipyards, too. The research activity started from the need to find solutions and materials that can improve the structural and functional performance of the means of transport of the marine sector, focusing in particular on cruise ships. In the recent years cruise ships have

been increasing in size, with high-level hotel services and a transportation capacity up to three thousand passengers in full comfort; these requirements have determined transformations in the structure of ships and their interiors, which have become more and more functional and majestic. Given the importance of this market on a global scale, the ability to design and build ships with a high technology content has become an increasingly important success factor, which relates to the level of competitiveness from business competitors that a large industrial group like Fincantieri has to face. With this in mind, one of the main objectives to be achieved in the coming years is the reduction of the ship weight, which can be obtained using non-conventional materials for shipbuilding, such as composite materials. The study was performed with special attention to the joint between the composite shell and the steel structures of the ship, realized by means of an adhesive joint. The latter constitutes the interface between two different materials such as steel and the composite material, and hence must be able to both absorb the differences in the mechanical and thermomechanical behaviour of the two materials and to ensure a stable and durable joint throughout the service life of the ship, which can estimated to be about 20 years. In particular, thanks to the contribution of the research partner CNR-IPCB an innovative adhesive has been developed that contains gel retarding agents in order to increase the open time and tack free time – key parameters in the bonding process for large-sized components. In parallel, an elasto-plastic model has been developed suitable to describe the material’s mechanical behavior. Mechanical tests were performed with the collaboration of the University “Federico II” which confirmed a good correlation between the numerical and the experimental data.

Compositi

- Polymer composite swimming pools for cruise ships After the completion of the testing campaign for the experimental characterization of the adhesive material, the proper material to be used for the pool reservoir was identified. This is made out of a sandwich panel with a PVC foam cell core and epoxy resin skin reinforced with glass fiber fabrics. The design of the pool shell started with the dimensioning of the sandwich panel thickness, considering the pool filled with water and subject to the ship’s accelerations. Five macroregions were identified where the sandwich features constant skin and core thickness, whose values were determined by means of a multi-objective optimization (MOO) based on a Particle Swarm optimization algorithm. This algorithm consists in an iterative, stochastic and heuristic research and optimization method inspired to the laws governing the motion of bird flocks. The load considered for the analysis is represented by the pressure exerted by water on the walls of the shell given by the formula:

P = k ρ g ( z − z0 )  where the factor k is set to 1.5 to take into account the ship’s vertical acceleration, ρ is the density of water, g the gravitational acceleration and z0 is the z coordinate of the free surface of water. Figures 6 and 7 show the results of a non-linear simulation (large strain option of the MARC code) with the first assumptions for the thicknesses of the different areas of the pool. By means of the optimization performed throughout 500 FE simulations, 64 configurations (sets of thickness values for the 5 macroregions) were identified and are shown in the Pareto chart reported in the following, where one can choose an optimal solution restricting below a set limit the maximum displacement of the panel that makes up the bottom of the pool, while the total weight of the composite shell is simultaneously minimized. The following step was the FEM modelling with the MARC MENTAT code of the system comprising the composite shell and the ship structures the shell is anchored to by means of the steel/composite adhesive joint. The goal of this analysis was the determination of the loads transferred from the ship’s steel structures to the composite pool through the adhesive joint when the ship is subject to the design overall loads, i.e. at maximum hogging and sagging. The whole design was tested with a special attention to the stresses acting on the single strips of the adhesive ma-

Compositi

terial. In the manufacture of the first prototype the choice fell on processes minimizing the production cost while guaranteeing the final product requirements wanted for the industrial application. The mould was manufactured by machining MDF (Medium Density Fiberboard - 700 kg/m3 ) panels with a 5-axes CNC milling machine. This is a Direct Moulding approach where the mould is created without a positive mould, which allows for a cost reduction within acceptable values even for production of few components. The mould was also split in modules, so that these can be re-used several times and in pools of different size and shape according to the requirements of the client shipowner. Cost reduction was also the basis for the choice of the hand lay-up technique. The product thus obtained can be pre-fitted with all auxiliary systems required by the customer, such as integrated lighting systems, stainless steel stairs and handrails, water intake/drain systems, whirlpool bathtub nozzles etc. The installation stage is fast when compared to the conventional process since it consists in taking on board the pool using the shipyard facilities, placing it directly in the dedicated location and proceeding with the bonding to the steel structures. Pneumatic glue gun are foreseen in the glue lay-up stage, as easy handling is fundamental when using tools on board. Figure 13 shows the prototype realized for the ASAP project, which was mechanically tested in order to check its response to external loadings. CONCLUSIONS Compared to conventional steel pools, the composite pool solution allows for: • the attainment of a large cruise ship swimming pool (10 m x 4 m x (h) 2 m), a weight reduction of 7 t at least in the upper decks of the ship, with the benefit of an increased ship stability • the elimination of corrosion phenomena and the improved appearance, while allowing for complicated geometries (double curvature surfaces, integrated stairs, etc.) • on-board installation of the pool pre-fitted with all necessary auxiliary systems, with time and cost benefits with respect to the conventional manufacturing process. Given the fact that nowadays ships are not standard units but each one is rather a customized product with high added value and which reflects the

specific needs and demands of the customer, the goal of offering a competitive product implies a significant commitment in the development of applied and innovative technological solutions that can quickly impact on the manufacturing process of the product. As a result, each ship shall be considered a new product born from a combination of the specific activities carried out in the previous manufacturing processes in response to the customer needs and of the research and innovation activities: An excellent test bench to apply new technologies improving the final product. The solutions developed in the ASAP project and aimed both at the marine field and all other industrial sectors requested a multidisciplinary expertise made possible by the strong synergies created between companies, universities and national research centers partnering in the IMAST District and participating in the project.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: ASTM D6135 Fig.2: ASTM D1062 Fig.3: Lap-shear joint of real-size subcomponents Fig.4: Sandwich panel of the shell Fig.5: FE model of the sell Fig.6: Displacements along the z axis Fig.7: Von Mises equivalent stresses Fig.8: Solutions of the optimization analysis: Pareto chart Fig.9: Overall ship Hogging and Sagging loads Fig.10: Mesh of the FE model of the overall system: shell joined to the ship structures Fig.11: Mould obtained through Direct Moulding Fig.12: Layer structure obtained through hand lay-up Fig.13: Manufactured prototype

Il primo skiff in fibra di bamboo Bamboolina è il primo skiff realizzato interamente in fibra di bamboo. L’idea è venuta a Roberto Baraccani che, dovendo progettare e costruire uno skiff con materiali naturali per partecipare alla regata universitaria 1001Vela Cup, si è rivolto a Fabio Soleri della “Soleri Composites” per poter utilizzare la fibra di bamboo nella realizzazione. Soleri è uno dei primi al mondo che ha testato e applicato questa fibra naturale al settore nautico. Tra i principali lavori tutt’ora in funzione (o meglio dire in navigazione), si segnala la realizzazione degli alberi e del tangone per la famosa goletta di 45 mt “ORION”: queste difficili realizzazioni (laminazione su stampi femmina, con variazioni di convessità e concavità continue), molto leggere nonostante le dimensioni ma anche molto resistenti (il tangone è lungo 14 mt, ha un diametro di 40 cm per un peso di soli 25 kg) hanno rappresentato la base sulla quale è stata progettata Bamboolina. Il bamboo è un materiale naturale che porta enormi benefici all’ecosistema globale: la pianta di bamboo cresce in aree paludose nelle fasce calde del pianeta, e un ettaro di piantagione di bamboo genera una quantità di ossigeno 20 volte maggiore rispetto a un bosco ceduo della stessa estensione. Inoltre, una volta raccolto il materiale grezzo per la produzione di fibre e semi lavorati, sono necessari solamente 3 anni perché possa rigenerarsi una pianta di 8/10 metri di altezza e 10 cm di diametro. Questo accade in quanto il bamboo genera una quantità di fogliame molto elevato, che dura tutto l’anno, e garantisce alla pianta un’alta velocità fisiologica di crescita. Tra le zone del pianeta in cui si produce bamboo di alta qualità, le più importanti si trovano in Colombia, dove cresce la qualità “Guadua”, e nella regione cinese dello Zhejiang, dove viene prodotta la qualità “Moso” utilizzata per la realizzazione di Bamboolina. La fibra viene lavorata commercialmente secondo il procedimento riportato in fig.3 [1,2] ed è disponibile sotto forma di lamina unidirezionale di 0.6 mm / 0,9 mm di spessore. Nel caso di Bamboolina è stata utilizzata la lamina da 0.6 mm, più facile da laminare sulle zone dello scafo e della coperta a più stretto raggio di curvatura. Fondamentale è valutare il costo ambientale del ciclo di vita (LCA, life cycle assesment) della fibra di bamboo.

Figg.1-2: Goletta ORION, la regina del Mediterraneo, ed estrazione dallo stampo del tangone in fibra di bamboo

Fig.3

Compositi

- Il primo skiff in fibra di bamboo -

Come riportato in [1], utilizzando i modelli di calcolo del’ LCA riportati nella ISO14040, e le banche dati internazionali sul costo ambientale di ogni singola attività inerente al laminato di bamboo, è stato possibile ottenere l’impatto ambientale di questa fibra: la CO2 emessa

per ottenere la fibra, lavorarla e smaltirla risulta notevolmente inferiore a qualsiasi altra fibra utilizzata comunemente nei materiali compositi attuali. Confrontando un’unità funzionale (FU) di laminato di bamboo pari a 1 Kg di laminato con una FU di vetroresina pari a 0.89 Kg, si

Figg.4-5: Realizzazione stampo Bamboolina

ottiene infatti un credito di C02 di circa 0.5 Kg per ogni FU. La fibra di bamboo assorbe meno resina rispetto altre fibre all’interno del laminato, e il volume di fibra di rinforzo arriva a quasi il 70/80%, notevolmente superiore rispetto ad esempio alla vetroresi-

Fig.6: Fibra di bamboo

The first bamboo fiber skiff Bamboolina is the first bamboo fiber skiff in the world. Roberto Baraccani had the idea to make this eco-skiff to take part at university regatta 1001 Vela Cup, and asked to Fabio Soleri from “Soleri Composites” how he could use bamboo fiber for construction. Soleri was the first that tested and applied bamboo fiber in nautical sector, and he made “ORION” masts and bowsprit with this material. Orion is a famous 45 mt yacht built in 1910, and bamboo applications made in the early 00’ are still in perfect conditions. These complicated creations, made with lamination on female mould with strict curvature, are extremely light, despite the huge dimensions, but also very strong and with high stiffness (bowsprit is 14mt long and have a 40cm diameter, weight is only 25 Kg). Thanks to these applications and results, Baraccani has been able to design Bamboolina. Bamboo is a natural fiber that bring huge improvement to global eco-system. Bamboo plant grows in warm areas of the earth, and three acre of

Compositi

bamboo plantation create 20 more times oxygen compared to a same area of copse wood. In addition, as soon as bamboo is harvested, it will take only 3 years to regenerate a 8/10 mt height plant with 10 cm diameter. This happen because bamboo generates a huge quantity of leafs that resist all the year long and permit high growing rates. In the world, principal areas for high quality bamboo production are located in Colombia (type “Guadua”) and in China, Zhejiang region, where is realized “Moso” type, used for Bamboolina construction. Semi-raw bamboo fiber is commercially realized as explain in fig.3 [1,2], and is possible to have a unidirectional layer of 0.6/0.9 mm thickness. For Bamboolina 0.6 mm type has been used, as it was more easy to laminate in hull and deck areas with small curvature radius. It is very important to calculate life-cycle environment cost of bamboo fiber (LCA, life cycle assessment). As reported in [1], using ISO 14040 LCA evaluation models and international standard data of every single acti-

vity about bamboo fiber laminates, it has been able to obtain the fiber environmental impact: CO2 emissions to obtain fibers, realize laminates and recycle them, is really lower than other fibers involved in composites materials. Comparing a 1Kg bamboo laminate functional unity (FU) with 0,89 Kg glass fiber laminate FU, is obtained a 0.5 Kg CO2 credit / every FU. As already tested by Soleri, bamboo fiber needs less resin than other fibers, and for every laminate it is possible to reach a fiber reinforcement volume of 70/80%, a really higher value compared to glass fiber laminate (max 50/55%). In addition, E-glass fiber has density equal to 2,5g/cm3, while bamboo fiber density is only 0,68 g/cm3. So it is clear that with bamboo fiber laminates is possible to obtain more strenght and stiffness with the same weight, resulting in more thickness (and inertia) of laminate. “Camattini Ec130” epoxy resin has been used for Bamboolina construction. This resin is well known and widely used in high performance com-

- Il primo skiff in fibra di bamboo -

na (max 50/55 %). Considerando inoltre che la densità della fibra di vetro E è di circa 2,5 g/cm3, mentre per il bamboo ci si limita a 0,68 g/cm3, si otterrà pertanto una maggiore resistenza e rigidezza a parità di peso, risultando anche in uno spessore maggiore del laminato.

La resina utilizzata per Bamboolina è l’epossidica “Camattini Ec130”, ampiamente nota e utilizzata in applicazioni nautiche e già testata con la fibra di bamboo. Definito il materiale e conoscendone in dettaglio le caratteristiche sia resisten-

ziali che di lavorabilità, è stata sviluppata un’idea di progetto che aveva come scopo quello di ottenere una barca al massimo della leggerezza con il massimo della rigidezza. Pertanto si è scelto di realizzare una struttura a sandwich con piano di laminazione simmetrico,

Figg.7-9: Laminazione sottovuoto dello scafo di Bamboolina

posites materials and nautical applications, and it is also already tested with bamboo fiber. Choosen the materials and knowing their strenght and technological data and details, a design concept was create to obtain a skiff with maximum stiffness and minimum weight (as usual, of course). So it has been decided to realize a sandwich structure with iso lamination plan, using local reinforcement on specific areas: 15 mm total thickness for the hull and 20 mm for the deck, glass fiber + bamboo fiber + glass fiber for outer and inner skins; for the hull, bamboo fiber has +45° outer orientation and -45° inner, and for the deck +30° outer orientation and -30° inner. Thanks to innovative convex shape of the deck and extremely low level of sheer line, Baraccani (in cooperation of Edoardo Bianchi) has been able to obtain maximum stiffness keeping the centre of gravity low, decreasing also internal structures, made up of only mast and daggerboard bulkheads. As soon as it has been realized mdf hull

female mould and foamdeck female mould, lamination has started with precious advices of Alberto Monaco (Telefonica Blue, +39, Team Plastique): vacuum bag lamination was realized in three different stop (outer skin - core bonding - inner skin) with adequate final post-cure. Final result is a only 50 Kg weight hull and a 80 Kg total weight skiff: it is an extraordinary result compared to other similar commercial skiff. Bamboolina was tested at university regatta “1001 Vela Cup” in Mondello last September. First impressions about materials and structures are excellent, and with light wind the performance is very good, thanks to low weight; from this test the team can work for season 2015, when they could make more tests to optimize global performance of the skiff. Next step? Use bamboo fiber with new epoxy eco-resin that have high performance and begin to be tested concretely, obtaining a final laminate with high quality, lower LCA cost and higher recycling percentage.

Special thanks to: Fabio Soleri, Alberto Monaco, Edoardo Bianchi, “Uniwood srl”, “Blacks Composites”, “Challenger Sails”, “Centro Nautico Adriatico”, “Bimare”. REFERENCES: 1- S. Corradi, T. Isidori, M. Corradi, F. Soleri, L. Olivari, Composite boat hulls with bamboo natural fibres, International Journal of Materials and Production Technology, vol. 36, num. 1-4, 2009 2- L. Battirossi, Analisi di materiali compositi con fibre naturali: applicazione su un componente nautico, 2010

All the mentioned figures refer to the italian version Figg.1-2: ORION yacht, the queen of Mediterran sea, and bamboo fiber bowsprit de-mould Fig.3: Bamboo layer production Figg.4-5: Bamboolina mould realization Fig.6: Bamboo fiber Figg.7-9: Bamboolina’s hull vacuum bag lamination Figg.10-14: Hull-deck join, fairing and final boat Fig.15: Bamboolina during sailing session

Compositi

- Il primo skiff in fibra di bamboo -

con rinforzi localizzati: 15 mm di spessore totale per lo scafo e 20 per la coperta, fibra di vetro + fibra di bamboo + fibra di vetro per le lamine, in cui il bamboo è stato steso a +45° esternamente e -45° internamente sullo scafo, mentre a +30° e -30° sulla coperta. Grazie all’idea dell’innovativa forma convessa della coperta, unita al bordo libero estremamente basso, Baraccani (con la collaborazione di Edoardo Bianchi) è riuscito a massimizzare la rigidezza strutturale dello scafo senza alzare il baricentro, riducendo al minimo le strutture interne dello scafo, limitate alla sola scassa di deriva e mastra di supporto dell’albero. Dopo aver realizzato lo stampo dello scafo in un pannello di fibra a media densità (MDF) e della coperta in espanso, si è proceduto, con la consulenza di Alberto Monaco (Telefonica Blue, +39, Team Plastique) alla laminazione sottovuoto in 3 fasi (strati esterni-incollaggio del core-strati interni) seguita da post cura idonea. Il risultato finale è uno scafo dal peso di soli 50 Kg e uno skiff dal peso totale di 80 Kg. La barca è stata testata durante le regate universitarie “1001 Vela Cup” a Mondello nello scorso settembre, dando ottime impressioni sul comportamento del materiale e della struttura, mostrando buone performance soprattutto con poco vento, grazie al peso ridotto, dati da cui ripartire nella stagione 2015 con altri test per ottimizzare il comportamento globale dell’intero skiff. Il prossimo step è utilizzare questa fibra con una delle nuove eco-resine epossidiche che iniziano a farsi largo sul mercato con caratteristiche ottimali (ad esempio EcoGreenResin), così da realizzare un laminato ad alte prestazioni con un costo ecologico ancor più ridotto e una percentuale di smaltimento a fine vita molto elevata.

Figg.10-14: Unione scafo-coperta, fairing e scafo terminato

RINGRAZIAMENTI Si ringraziano: Fabio Soleri, Alberto Monaco, Edoardo Bianchi, “Uniwood srl”, “Blacks Composites”, “Challenger Sails”, “Centro Nautico Adriatico”, “Bimare”. BIBLIOGRAFIA

[1] S. Corradi, T. Isidori, M. Corradi, F.Soleri, L. Olivari, Composite boat hulls with bamboo natural fibres, International Journal of Materials and Production Technology, vol. 36, num. 1-4, 2009 [2] L. Battirossi, Analisi di materiali compositi con fibre naturali: applicazione su un componente nautico, 2010

Compositi

Fig.15 Bamboolina in navigazione

La ricerca a supporto dell’innovazione Andrea Ratti e Arianna Bionda - Politecnico di Milano, Dipartimento di Design La sfida lanciata nel 2010 dal Politecnico di Milano attraverso l’aggiudicazione del bando Emblematico Maggiore di Fondazione Cariplo è ora una realtà operativa. Inaugurato il 14 novembre scorso Lecco Innovation Hub, infrastruttura di ricerca e innovazione che comprende SMaRT lab (Sostenible Marine Research and Technology Laboratory), incentrato su attività di sperimentazione in campo nautico e dei materiali compositi, e la Barca-Laboratorio, natante a vela di 10 m strumentato per consentire l’acquisizione di dati sul comportamento dello scafo e delle sue attrezzature in navigazione. Il progetto, nato dalla collaborazione tra i dipartimenti di Ingegneria Meccanica e Design del Politecnico di Milano, in questi anni è diventato, grazie al supporto fornito da Fondazione Cariplo e Univerlecco, un nodo del network di ricerca nazionale e internazionale sui temi legati alla nautica e allo sviluppo di materiali compositi. L’iniziativa è frutto, inoltre, dell’interazione con Istituzioni e Associazioni di Categoria e si colloca nell’ambito di azioni condivise per il rilancio dell’economia sul territorio con il fine di favorire il trasferimento tecnologico da e verso il settore nautico, così come la contaminazione fra professionalità e approcci produttivi

differenti; da qui il nome “Lecco Innovation Hub”. Il laboratorio, in occasione dell’inaugurazione degli spazi dedicati, ha presentato alle aziende e alle istituzioni territoriali sia gli strumenti e le attrezzature a disposizione che le attività didattiche e di ricerca portate a termine in questo ultimo anno. Due gli ambiti di intervento principali in cui SMaRT lab - Lecco Innovation Hub si colloca: progetto, ergonomia e allestimento per la nautica e innovazione di prodotto e processi per materiali compositi innovativi. Grazie alla fruizione di attrezzature specifiche quali fresa a controllo numerico a 5 assi, pressa oleodinamica con piani riscaldanti, cabina com-

positi con macchina a iniezione RTM e attrezzatura per processi infusivi, gelcottatrice, mixer per membrane siliconiche ed estrusore paste per modelleria, questo laboratorio del Politecnico di Milano è un vero e proprio centro di innovazione a supporto della ricerca applicata e del trasferimento tecnologico alle aziende del territorio e non che operano nel campo dei compositi. Scopo del progetto è perciò non solo quello di sviluppare ricerca di base a supporto dell’industria e svolgere attività di lavorazione conto terzi, ma soprattutto mettere in atto un processo di formazione continua e di scambio di know-how tra università e aziende per valorizzare il patrimonio di compe-

Analisi back wash dei fumi per motor-yacht in galleria del vento

Compositi

- La ricerca a supporto dell’innovazione tenze ed expertise. Così come le attrezzature a disposizione, anche i software adottati e disponibili, sia per le attività di formazione e aggiornamento professionale che per supportare la ricerca sono frutto della collaborazione con le aziende partecipanti all’iniziativa: Delcam Power Mill per generazione ottimizzata di percorsi utensile per fresa CNC nella realizzazione di modelli e stampi, Design-concept di Lectra per lo sviluppo in piano di superfici e nesting delle sagome di taglio tessuti, Poli-Worx per la simulazione fluidodinamica di processi infusivi e iniettivi RTM. L’intero ciclo di lavorazione può essere così supportato da software di simulazione, strumenti atti a gestire le fasi di ingegnerizzazione e innovazione di prodotto e processo, dalla creazione dei tools di produzione fino al controllo di tempi e metodi. Completa le dotazioni in uso del laboratorio una macchina di trazione biassiale strumentale per test meccanici su campioni di laminati o membrane. Gli specifici ambiti di ricerca su cui l’attività di Lecco Innovation Hub, e in particolare SMaRT lab, si è concentrata in questi anni riguardano l’impiego di bio-compositi per il settore nautico, la gestione dell’intero ciclo di vita del prodotto e dei fattori di rischio nelle fasi di lavorazione dei manufatti, il comportamento meccanico e di dilatazione termica di laminati e manufatti in composito, oltre allo sfruttamento di attrezzature già esistenti per l’acquisizione e l’ottimizzazione di matematiche di superficie. Inoltre, attraverso il dipartimento di Meccanica con il coordinamento scientifico del professor Fabio Fossati, sono state sviluppate ulteriori attività di ricerca nell’ambito dell’analisi fluidodinamica e della relazione con il comfort di bordo. Tutte queste attività sono frutto della collaborazione con numerose aziende nazionali quali Prometeo, Sessa Marine, Azimut Benetti, Damen, DB Marine, Nautivela, Ferretti Group, PowerPlast, Tack Sistem e Barbalab confermando così lo stretto rapporto con le imprese e la realtà produttiva nazionale. Ne è un esempio l’analisi del back wash dei fumi e la reingestion degli stessi negli impianti HVAC dei mega yacht Benetti. Dalla simulazione tramite modelli di calcolo CFD e dalle prove condotte su modelli in scala in galleria del vento, si è potuta verificare la direzionalità dei fumi di scarico per meglio indirizzare la progettazione delle sovrastrutture esterne con l’obiettivo di garantire il massimo comfort nelle aree di relax esterne. La ricerca si è concentrata nelle zone dei ponti superiori e fly-bridge laddove sono generalmente concentrate le griglie sia di immissione che di emissione degli scarichi della sala macchine. Per quanto riguarda il settore dei compositi, un esempio è rappresentato in-

Compositi

vece dalla simulazione del processo infusivo per la produzione di uno scafo in bio-composito realizzata per Ferretti Group. Questa ricerca ha permesso di valutare preliminarmente il passaggio alla produzione con tecniche di lavorazione in stampo chiuso e successivamente l’introduzione di nuovi materiali

compositi nel processo produttivo. L’utilizzo del software MathFem Poli-worx, incrociato con i dati provenienti dai campioni di laboratorio e dai test di caratterizzazione meccanica di piani di laminazione eseguiti presso SMaRT lab, ha consentito di ottenere una previsione del risultato estremamente accura-

Bicicletta da enduro Malacoda

Barca-Laboratorio nelle acque del lago di Lecco durante l’inaugurazione

- La ricerca a supporto dell’innovazione ta con conseguente abbattimento di costi e tempi per il cantiere stesso. Inoltre, l’impiego di tali tecniche di simulazione per valutare le implicazioni derivanti dall’introduzione di nuove fibre e materiali d’anima naturali e/o leganti derivanti da risorse rinnovabili, ha portato a un ulteriore passo in avanti nella ricerca di

soluzioni ecosostenibili sia per il mercato nautico che per settori affini. La sinergia con gli altri laboratori e dipartimenti del Politecnico di Milano ha inoltre consentito la costruzione di prototipi sia in campo nautico che in ambiti tematici trasversali che sottolineano l’importanza di SMaRT lab all’interno

Area compositi del laboratorio SMaRT lab e poli-foiler Crapabusa in esposizione per l’inaugurazione degli spazi laboratorio

Test a banco di cinetica di infusione per comparazione materiali tradizionali e bio-compositi

del panorama internazionale di ricerca applicata come centro efficace per mettere in atto meccanismi di trasferimento tecnologico. Ne sono un esempio la realizzazione dei modelli della monoposto PRC Formula SAE di Dynamis Polimi reparto corse, delle imbarcazioni poli-foiler Scarliga Merlüss e Crapabusa realizzate nell’ambito del Master in Yacht Design e del telaio della bicicletta Malacoda sviluppata nell’ambito del Progetto FARB del Dipartimento di Design. La monoposto PRC è una vettura progettata e costruita dal Team Dynamis Polimi reparto corse per il campionato internazionale Formula SAE. Il progetto delle scocche del telaio, realizzate in composito di carbonio pre-impreganto su modelli realizzati a controllo numerico tramite fresa CNC a 5 assi, è stato sviluppato con l’obiettivo delle più elevate performance e della massima leggerezza attraverso un modello multibody della vettura e alle relative analisi a elementi finiti. L’ottimizzazione delle forme aerodinamiche e l’ingegnerizzazione dei processi produttivi, hanno fatto sì che il peso totale del telaio completo risultasse di soli 50 kg. Progettata da Mauro Bergamaschi e Matteo Briccola, la bicicletta da enduro Malacoda rappresenta un’alternativa innovativa rispetto ai telai tubolari presenti sul mercato. La progettazione delle superfici della mountain bike è stata integrata con l’analisi a elementi finiti della struttura creando così delle forme che allo stesso tempo sono linee di stile, nervature strutturali e zone di incollaggio. L’ingegnerizzazione del prodotto tramite l’ottimizzazione delle geometrie di superficie in relazione al processo produttivo adottato ha apportato una miglior qualità del telaio finale con una riduzione significativa dei tempi e dei costi di produzione. Crapabusa, nata dallo sviluppo del precedente poli-foiler Scarliga Merlüss, è la prima imbarcazione al mondo a presentare il comune denim utilizzato come materiale di rinforzo per la costruzione dello scafo. Questa deriva a sostentamento idrodinamico concepita per un equipaggio doppio riassume in soli 4,60 m di lunghezza e 70 kg di peso più di cinque anni di sperimentazione applicativa nel campo dei biocompositi. Lo scafo è infatti interamente realizzato con una struttura sandwich in denim, anima in PET e impregnazione sotto vuoto tramite infusione di resina epossidica. La scelta di utilizzare questo tessuto, protagonista nel mondo della moda degli ultimi 50 anni, si pone in continuità con le precedenti sperimentazioni nell’uso di fibre naturali. Dimostrando una buona drappabilità e bagnabilità nei comuni processi applicativi di infusione, nonché compatibilità con le resine utilizzate, questa ricerca apre nuove possibilità di

Compositi

Imbarcazione Gullisara esposta nella sede di Lecco Innovation Hub durante l’evento inaugurale sviluppo sia nella caratterizzazione meccaniche della fibra sia nella possibilità di utilizzo in allestimento nautico. La Barca-laboratorio si configura invece come un vero e proprio laboratorio navigante concepito per funzionare come bilancia dinamometrica, consentendo l’acquisizione in scala reale di dati inediti relativi ai carichi aerodinamici e idrodinamici agenti sullo yacht al vero nonché la misura diretta dei carichi agenti nei diversi componenti dell’attrezzatura velica. Ciò permette, a differenza delle prove in scala attualmente a disposizione, di ricavare con una maggiore accuratezza informazioni preziose per l’approccio scientifico alla progettazione durante la quotidiana navigazione a vela. Ulteriore tipologia di dati che la Barca-laboratorio è in grado di produrre riguarda la forma geometrica assunta dalle vele nelle reali condizioni di utilizzo che, come noto, differisce in maniera considerevole dalla “design shape” ipotizzata dal velaio in fase di progetto e di realizzazione della vela. Accanto agli spazi di SMaRT lab e alla Barca-Laboratorio, completa il quadro delle dotazioni del Polo l’imbarcazione Gullisara, Minitonner IOR degli anni ’80 (progetto Fontana-Maletto-Navone, costruzione Cramar) oggetto di un’operazione di valorizzazione storica e che permetterà di supportare attività sperimentali non distruttive nell’ambito dei materiali, trattamenti di finitura e protezione, attrezzature veliche e motorizzazioni fuoribordo. In collaborazione con l’azienda Tack System è stato avviato per esempio un progetto per testare l’efficacia di soluzioni di wrapping per la protezione di imbarcazioni storiche e per la sostituzione di prodotti antivegetativi per il trattamento delle carene. Per quest’ultimo aspetto l’obiettivo è quello di agire sia su meccanismi di protezione passiva offerte da pellicole sacrificali, sia sull’interfaccia superficiale della pellicola agendo su parametri fisici al fine di ridurre o addirittura rendere impossibile il meccanismo di adesione e deposito sulla carena di organismi vegetali. Infine, a supporto delle aziende del territorio che operano nell’ambito del settore nautico e delle costruzioni in materiale composito Lecco Innovation Hub è riconoscito, grazie alla sinergia con Italcertifer, ente notificatorio per la certificazione. Ambiti di intervento del laboratorio saranno dunque in prospettiva la valutazione della conformità ai fini della Marcatura CE delle unità da diporto a motore e a vela, Post-Construction, dei componenti nautici e delle emissioni dei motori marini, oltre all’attività per il rilascio, rinnovo e convalida dei certificati di sicurezza e di servizi per la certificazione di componenti nautici al di fuori del campo di applicazione delle norme ISO. www.leccoinnovationhub.polimi.it

Compositi

Nautica 3A COMPOSITES - STRUCTEAM

Innovative sales support services reducing the cost and complexity of boat designs 3A Composites Core Materials and STRUCTeam have launched an innovative structural design solution that provides an instant preliminary study of motor and sail boats between 25ft and 70ft. The solution developed by the team provides a bill of materials and weight estimate compliant with both ISO 12215 Category A and ABS guidelines. This enables boat builders and designers to conduct rapid feasibility studies that reduce the cost and complexity of their new boat designs. The bill of materials solution enables 3A Composites and STRUCTeam to provide boat builders and designers with valuable information at an early stage of the boat design process. The solution is tailored to the marine industry’s needs and it incorporates the primary technologies used in boat building. Designers can choose composites technologies from 3A Compo-

ITALMATIC PRESSE STAMPI

Autoclavi di nuova generazione Italmatic Presse Stampi progetta e costruisce autoclavi per il trattamento dei materiali in compositi e termoplastici, per tutti i settori industriali come l’aeronautica, l’aerospaziale, l’automotive, il nautico, ecc. con dimensioni strutturali e soluzioni tecniche personalizzate secondo le esigenze del cliente. Equipaggia le sue autoclavi con avanzati ed affidabili sistemi di controllo SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), o DCS (Distributed Control System), in configurazione stan-

sites’ product range, such as glass or carbon using an infusion process, Balsa, PVC or PET foams. The solution incorporates the advanced composites expertise of the two partners. 3A Composites brings its leadership in the development and design of sandwich core materials. This includes the company’s wide portfolio of AIREX®, BALTEK® and BANOVA® products. STRUCTeam, a provider of management and technology solutions within the composites application markets, adds its advanced expertise of marine design and the capabilities of its powerful cloud-based engineering and data tools and services software, CompoSIDE. Their complementary expertise enables the partnership to offer an innovative and comprehensive preliminary design approach to support designers and boat builders.

dard o ridondante, per soddisfare le sempre più restrittive richieste di gestione dinamica dei cicli e completa rintracciabilità dei dati di processo. La ricerca, lo sviluppo e l’esperienza acquisita negli anni hanno permesso all’azienda di mettere a punto una nuova generazione di autoclavi con un rapporto qualità/prezzo competitivo, una tecnologia all’avanguardia, elevate performance, e con costi di esercizio e manutenzione molto ridotti rispetto alle autoclavi tradizionali.

SPECIALINSERT

Sistemi di fissaggio per la nautica Specialinsert, da 40 anni impegnata nel trovare le soluzioni più adatte ai problemi di fissaggio su qualsiasi materiale, propone una linea di prodotti indicata per il mondo della nautica. Due dei prodotti più apprezzati sono: DEFORM NUT INOX 316 L’inserto filettato a deformazione può essere montato su laminati e parti “cieche” come scatolati o tubi. Di facile e rapida installazione, risolve problemi di filettatura su spessori sottili. Utilizzare la serie Deform NUT INOX 316 offre i seguenti vantaggi: • alta compatibilità con manufatti in fibra di carbonio • resistenza alla corrosione in ambiente marino • resistenza superficiale a soluzioni acide • igienico, grazie alla compattezza superficiale priva di porosità • maggiore resistenza alla corrosione localizzata. Questa serie viene utilizzata in diverse applicazioni: nautica: a diretto contatto con acqua salata o installazioni esterne scafo e ponte; installazioni costiere - ambiente salmastro; piscine; arredo bagno; impianti idraulici, chimici, caldaie (fumi acidi); attrezzature sportive in fibra di carbonio. Deform-nut TC/SC/1 Spesso per gli interni degli yacht si utilizzano pannelli sandwich con diverse anime e pelli. Ultimamente la costruzione di

pannelli con materiali di ultima generazione ha permesso l’utilizzo anche per pareti esterne. Tra le varie tipologie di core: schiuma poliuretanica, alluminio, policarbonato, mentre tra quelle di pelli: il carbonio, la vetroresina, il policarbonato, il legno. Il più innovativo dei sistemi di fissaggio Specialinsert è il DEFORM-NUT TC/SC/1 inserto derivato dal DEFORM-NUT TC/SC con gli stessi sistemi di ancoraggio e le stesse qualità, ma con il vantaggio di poter lavorare su spessori minimi. Si tratta di un prodotto brevettato. Il DEFORM-NUT TC/SC è un inserto a deformazione con doppio ancoraggio, meccanico e chimico. Il primo è dato da un rivetto tubolare filettato accoppiato con una boccola di regolazione che permette di ottenere un ancoraggio filettato strutturale su pannelli a nido d’ape. Il secondo è assicurato dalla colla posta nel foro prima del montaggio dell’inserto stesso. Il sistema registrabile può essere utilizzato su di un ampio range di spessori e altezze dei pannelli sandwich, assicurando un ancoraggio immediatamente utilizzabile, semplice e veloce. Questo tipo di fissaggio garantisce la planarità dell’inserimento, evita il soffocamento della zona indebolita, fa lavorare su tutta la sua altezza il pannello sandwich e per finire da il vantaggio di utilizzarlo e movimentarlo immediatamente.

Compositi

Nautica MSC SOFTWARE

Tecnologia per la simulazione multiscala dei compositi Luca Sironi e Claudio Bruzzo – MSC Software I compositi offrono diversi vantaggi legati soprattutto al peso e alla performance. Sono però anche associati a sfide progettuali, essendo caratterizzati da fattori quali la delaminazione, la rottura a fatica, la propagazione di microfratture e altri fenomeni. A differenza di quanto succede con i metalli, i progettisti non sono sempre in grado di prevedere il loro comportamento. Devono riuscire ad utilizzarli in modo ottimale per garantire i propri progetti, assicurando il rispetto dei requisiti imposti. A causa dei costi elevati della prototipazione fisica, la validazione del progetto può ricorrere al software di simulazione per mantenere i costi a livelli adeguati. La simulazione sta diventando un’esigenza crescente nello sviluppo di un progetto con materiali innovativi. Proprio come il progetto di uno scafo deve adeguarsi ai tempi, così deve fare la tecnologia di simulazione e analisi. Plastica e compositi non si comportano come i metalli, hanno caratteristiche diverse e quindi la tecnologia di simulazione deve rappresentarne in modo accurato proprietà e comportamento fisico. Le soluzioni che MSC Software ha messo a punto per la progettazione di compositi integrano funzionalità che aiutano i propri utenti ad analizzare e migliorare i prodotti in materiali innovativi. A differenza dei metalli, le proprietà dei compositi possono cambiare in modo rilevante in relazione al processo produttivo nel quale sono coinvolti. Un componente metallico stampato si comporta sempre nello stesso modo, a prescindere dal processo con il quale viene realizzato. Viceversa, il processo produttivo può cambiare in modo significativo il comportamento di un componente in materiale plastico rinforzato con fibra, influendo sull’orientamento delle fibre nella matrice di resina epossidica del composito. Le proprietà indicate nella scheda tecnica del fornitore di materiale non tengono spesso conto dell’influenza che il processo produttivo ha sul materiale stesso. I progettisti devono invece tenerne conto per evitare problemi e rotture. Si può approssimare il comportamento di un nuovo materiale, ma ciò conduce a un sovradimensionamento del componente per evitarne la rottura. Ciò contraddice i principi di una progettazione con materiale composito, il cui scopo è proprio ridurre i pesi e usare meno materiale. Ogni sovradimensionamento implica un inutile incremento dei costi. La maggior parte dei simulatori rappresentano i compositi come “alluminio nero”. MSC Software ha superato questo limite attraverso una tecnologia che permette di sviluppare un modello virtuale di materiale realistico, partendo dalla caratteristiche micromeccaniche considerate in modo accurato: proprietà specifiche delle fibre e della matrice, composizione di tutti i singoli materiali e influenza del processo di produzione (stampaggio per compressione, stampaggio per iniezione, infusione). Esistono diverse metodologie relative alla simulazione avanzata del comportamento strutturale dei compositi, caratterizzati con questo processo virtuale. La teoria classica della laminazione è alla base di ogni procedura avanzata utilizzata nel calcolo numerico ad elementi finiti dei compositi e costituisce la base numerico-matematica necessaria per ricavare le proprietà elastiche risultanti delle strutture in composito. L’analisi della rottura progressiva o PFA (Progressive Failure Analysis) è una metodologia numerica avanzata, sviluppata per prevedere la risposta non lineare e la rottura di strutture in composito, a partire dal carico iniziale fino alla totale rottura della struttura. Il fenomeno della rottura può essere studiato

Compositi

Verifica strutturale di un pannello rinforzato in materiale composito

Simulazione di propagazione di una cricca in un pannello rinforzato in composito

con diversi approcci integrati nelle tecnologie MSC Software. Un’altra applicazione avanzata della simulazione ad elementi finiti di materiali compositi è la modellazione di elementi coesivi, che possono essere utilizzati per simulare fenomeni di delaminazione. Gli elementi coesivi sono elementi di interfaccia che rappresentano, dal punto di vista FEM, la resina o le colle strutturali. Per quanto riguarda lo studio di fenomeni di meccanica della frattura dall’innesco della cricca fino alla sua completa propagazione, si sfrutta la tecnologia VCCT, basata sul calcolo della percentuale di rilascio di energia e sulla resistenza a frattura per i tre modi classici descritti dalla meccanica della frattura (apertura, scorrimento e taglio). Tale metodologia studia fratture multiple in un singolo calcolo numerico agli elementi finiti, per poi ottenere risultati relativi alle singole fratture e le relative propagazioni.

Modelli di materiali basati su aspetti micromeccanici sono sensibili all’orientamento delle fibre. Grazie alla simulazione di processo il modello può essere impiegato per prevedere la rigidità locale del componente (Cortesia Renault)

Confronto fra approccio isotropo e anisotropo in due casi di carico. L’approccio multi-scala per la modellazione del materiale riproduce in modo eccellente i risultati sperimentali (Cortesia Ticona e ArvinMeritor)

Modello virtuale del TEST DCB (Double Cantilevered Beam) per la caratterizzazione dei materiali coesivi

e lin O on IT di o U ie tu AT ch il GR Ri O IT

INNOVAZIONE

BELLEZZA sostenibilitĂ #rebuildthefuture NEMESI&PARTNERS_ schizzo, sezione e modello del progetto architettonico vincitore del concorso internazionale per la progettazione di Padiglione Italia EXPO Milano 2015

La fiera biennale internazionale per il mondo delle Costruzioni

www.madeexpo.it Promossa da

Partner

Con il patrocinio di

+39 051 66 46 624 | made2015@madeexpo.it

Resine, materie prime, additivi DOW

HUNTSMAN ADVANCED MATERIALS

Sistemi poliuretanici ed epossidici per applicazioni industriali

L’adesivo epossidico per un progetto Harley-Davidson

Da alcuni anni Dow commercializza la linea di sistemi VORAFORCE™ per i compositi, che include sia sistemi poliuretanici che epossidici per la produzione di compositi termoindurenti. L’azienda lavora allo sviluppo di nuove soluzioni per applicazioni che vanno dal settore delle energie rinnovabili a quello dei trasporti, costruzione ed infrastrutture, e altri settori industriali, nei quali la recente joint venture di Dow con Aksa è inoltre in grado di posizionare la fibra di carbonio. In particolare la divisione Sistemi Poliuretanici di Dow, che ospita il proprio centro di ricerca globale nella sede di Dow Italia a Correggio, si sta concentrando sempre di più sull’innovazione delle soluzioni VORAFORCE™ a base di sistemi poliuretanici per la produzione di compositi, in quanto il poliuretano è una resina ancora poco conosciuta e per questo ancora poco utilizzata nel mondo dei compositi, ma che per le sue caratteristiche di reattività e toughness offre nuove possibilità di soluzioni composite, efficaci sia dal punto di vista del processo produttivo che delle prestazioni finali. Le tecnologie VORAFORCE™ systems poliuretaniche di Dow comprendono già sistemi per processo di long fiber injection, pultrusione e filament winding, che si aggiungono alle soluzioni VORAFORCE™ systems epossidiche per tutti i principali processi di produzione di compositi. Da un punto di vista applicativo le ultime nate sono le soluzioni innovative VORAFORCE™ TP22X/TP26X epossidiche ad alta Tg per la pultrusione di cavi rinforzati in composito che offrono prestazioni più elevate, che vanno dalla più alta tensile strength, minori perdite, alla superiore conducibilità, leggerezza e sag più basso rispetto ai cavi tradizionali rinforzati in acciaio, grazie al minor coefficiente di espansione termica, alle più alte temperature operative e alla resistenza a corrosione più elevata.

L’adesivo epossidico Araldite® 2031 è stato scelto da Odyssey Motorcycles nell’ambito di un processo di customizzazione della Harley-Davidson Super Sport Roadster (SSR) Breakout. Su questo modello Harley-Davidson® CVO™ Breakout ® Softail® del 2014, il produttore francese Odyssey Motorcycles ha realizzato la carrozzeria in fibra di carbonio e gli esclusivi dettagli sui serbatoi del carburante e dell’olio. Grazie alle eccellenti proprietà di adesione su un’ampia gamma di materiali, tra cui metalli e compositi termoindurenti, Araldite® 2031 viene utilizzato per fissare i serbatoi del carburante in composito di carbonio e le parti in alluminio delle carenature anteriori. Mentre i fissaggi meccanici, come i rivetti, aggiungono peso superfluo e limitano le possibilità di realizzazione dei profili, adesivi come Araldite® 2031 assicurano un fissaggio ottimale che esalta la leggerezza delle strutture e consente una maggiore versatilità di progettazione. L’eccellente stabilità strutturale, la flessibilità e l’ottima resistenza chimica fanno di Araldite® 2031 un componente essenziale in grado di garantire un’ottima resistenza alle elevate sollecitazioni meccaniche, alle escursioni termiche e ai diversi ambienti chimici a cui sarà esposta la SSR durante la sua vita utile. Araldite® 2031 offre una finitura robusta e resistente alle intemperie: la superiorità della finitura estetica della moto è così assicurata nel tempo. Questa SSR, che abbina un motore Twin Cam 110B™ a dettagli cromati altamente personalizzati e a una finitura superficiale unica, verrà prodotta in soli dieci esemplari per una clientela esclusiva.

Compositi

Resine, materie prime, additivi RESIPOL

Trattamenti cosmetici per modelli, stampi e manufatti

Manufatti in carbonio prima e dopo l’applicazione di HP1000N

Il manufatto di sinistra, trattato con un distaccante concorrente, mostra evidenti segni di schivatura del Marker giallo applicato. A destra, usando il Distaccante HP7, si documenta un perfetto ancoraggio della vernice

La realizzazione di un modello, finalizzato alla produzione di uno stampo per compositi, è un processo che può interessare tecniche differenti. Con i modelli si arriva a un punto del processo in cui tutta l’attenzione sarà dedicata alla qualità cosmetica della superficie, che si esige impeccabile ed alla quale si vuol giungere nel minor tempo possibile. Quando i processi industriali - a monte e a valle - lo consentivano, si ricorreva alle levigatura, alla verniciatura a forno, e alle lucidature. Oggi la soluzione si chiama Sealer. Nel mondo dei compositi avanzati, dove da tempo i modelli si realizzano fresando tavole epossidiche da modelleria, l’esigenza è giungere il più rapidamente possibile alla produzione del manufatto. Nella realizzazione delle attrezzature in composito, l’impiego del Sealer interessa il modello e, in seguito, lo stampo. Un Sealer che ottimizzi il risultato, consente di avere un’eccellente qualità superficiale del modello e, applicato sullo stampo, di produrre rapidamente, implementando la qualità cosmetica. HP 1000N di Marbocote è un Sealer con alto contenuto di principi attivi, veicolati in soluzione di solventi che rispetta le recenti normative Reach, senza precluderne le caratteristiche salienti: reticolazione del film a temperatura ambiente, pressoché inodore, alto gloss. Applicabile a straccio, preferibilmente con panni TNT di cellulosa, o a spruzzo, il Marbocote HP 1000N, proprio per l’alto contenuto di attivo, richiede poche mani di applicazione sulle tavole o modelli e una, massimo due sui manufatti. La pellicola realizzata è verniciabile senza carteggiatura e resiste agli UV e agli sbalzi termici per innumerevoli cicli. Per queste superiori caratteristiche il Sealer Marbocote HP1000N trova largo impiego con funzione di correttore della qualità cosmetica superficiale dei manufatti stampati in pre-preg di carbonio (fig.1). La gamma dei prodotti MARBOCOTE, formulati in Inghilterra, patria dei compositi avanzati, si completa con il distaccante semipermanente HP7, verniciabile (evidente il risultato al test del Marker, presentato nella figura 2) e con uno specifico Cleaner (MCOTE CLEANER MC), che rende possibile il ricondizionamento degli stampi e delle attrezzature che lo richiedano.

MARTE

Resine con bassissimo stirolo e resine senza stirolo Marte presenta una nuova gamma di poliesteri “verdi” come alternativa alle normali resine poliesteri o alle resine epossidiche. Queste nuove resine, denominate: ARES a bassissimo contenuto di stirolo (con un contenuto di stirolo pari al 10%) o ECOARES completamente senza stirolo, sono state sviluppate presso Marte con i seguenti scopi: • evitare emissioni di stirolo in fase di utilizzo • avere prodotti poco infiammabili o non infiammabili • avere resine di facile impiego e prestazioni elevate. Questa gamma di resine è utilizzata con i normali catalizzatori impiegati nella lavorazione del poliestere e si presta ad essere utilizzata in svariati settori. Tali resine sono facilmente utilizzabili da tutti i produttori di manufatti in vetroresina, infatti l’indurimento è buono a temperatura ambiente oltre che alle alte temperature come per i normali poliesteri insaturi. Le resine ECOARES hanno buone proprietà meccaniche ed elevato HDT (resistenza alle alte temperature). Le resine ARES a bassissimo contenuto di stirolo e le resine ECOARES sono utilizzate con successo nella produzione di laminati, abrasivi, gelcoats, profili pultrusi, laminazione su polistirolo, laminazione su PVC etc. ECOARES è la nuova gamma di prodotti che rispetta l’ambiente poiché non contiene solventi aromatici e non emette stirolo in fase di applicazione e indurimento.

VELOX ITALIA

Il partner per le materie prime Il team compositi di VELOX Italia è formato da persone che dagli anni 70-80 operano nel settore dei plastici rinforzati e/o compositi. Sia il supporto interno che i venditori hanno un’esperienza maturata sul campo durante gli ultimi 30 anni e più. Sono agenti distributori di importanti produttori di materie prime di alta qualità di cui offrono un servizio sia commerciale che tecnico ai propri clienti in Italia. Confrontandosi con il cliente finale e con il loro servizio tecnico, individuano i prodotti migliori per il migliore risultato sia a livello tecnico che economico. La gamma di prodotti dell’azienda copre quasi interamente tutta la richiesta di quanto possa servire nella lavorazione dei compositi. Il team di VELOX sono agenti distributori di produttori di resine poliesteri che forniscono velocemente per tutte le gamme richieste sul mercato, di fibre di vetro tra le quali i multiassiali di cui esperti nella vendita in Italia, gelcoats, prodotti ausiliari per la lavorazione del sottovuoto, epoxy prepreg, PVC, core e attrezzature per la lavorazione della vetroresina. Un importante sviluppo è quello degli epoxy prepreg. Oltre a questi prodotti l’azienda offre materiali di nuova generazione come tessuti di juta e lino che vengono utilizzati nel mondo dello sport, nell’automotive, ecc. in quanto materiali ecologici e di aspetto estetico nuovo. Tutti i prodotti VELOX sono certificati.

Compositi

Claudio Cappabianca

La tomografia per la qualifica di componenti aeronautici Il metodo tomografico permette di individuare difetti non rivelabili con la radiografia classica o con altri metodi di controllo non distruttivo, ad esempio delaminazioni o difetti di adesione, difetti radiali.

a radiografia convenzionale restituisce una ricostruzione dell’oggetto tridimensionale su un piano bidimensionale sovrapponendo i singoli elementi, quindi si perde l’informazione relativa alla loro localizzazione lungo la direttrice di ispezione. Tomografia indica il metodo di rappresentare il campione in esame in strati. L’immagine tomografica viene ricostruita in singole slide e il risultato finale è una sezione trasversale dell’oggetto. Vengono effettuate N riprese angolari digitali e sommate; poiché ogni slide ha una sua altezza (slide), in funzione dell’elemento sensibile, le singole aree vengono espresse in voxel che corrispondono a un elemento unico d’immagine pixel (fig.1). La tomografia permette, in modo non distruttivo, la caratterizzazione fisica, e per estensione chimica, della struttura interna degli oggetti in ispezione. Viene impiegata con successo anche nello studio di componenti complessi, quali i compositi, per l’analisi dell’aderenza matrice/fibre e della loro dislocazione e può essere validamente utilizzata per misure di densità o per controlli dimensionali con precisione, rispettivamente, > 0.1% e > 2-3 µm.

immagine, di archiviazione dati, di elaborazione immagine e di gestione sorgente, posizionatore; interfaccia utente.

IL SISTEMA TOMOGRAFICO Un sistema tomografico è costituito da: sorgente di radiazione; eventuale collimatore; rivelatore di radiazione, (array lineare, flat panel, etc); sistema di movimentazione meccanico in funzione del tipo di tomografo; computer; software di acquisizione immagine, di ricostruzione

TIPOLOGIE DI TOMOGRAFI I tomografi sono divisi in generazioni caratterizzanti la movimentazione della sorgente o dell’oggetto.

Sorgente radiazione

SORGENTE DI RAGGI X Le dimensioni della macchia focale, lo spettro di energia dei raggi X generati e l’intensità dei raggi X sono tra le caratteristiche peculiari del sistema: lo spot di emissione (macchia focale) determina, anche se parzialmente, la risoluzione spaziale. IL RIVELATORE La sua funzione è la misura della radiazione trasmessa attraverso l’oggetto in ispezione. I rivelatori utilizzati sono di vario tipo: a ionizzazione, fibre scintillanti e stato solido. Rivelatori allo stato solido: la tomografia computerizzata necessita rivelatori ad alta velocità e grande range dinamico, Wide Dynamic Range (WDR) ed elevata linearità. I rivelatori CMOS hanno WDR e rumore quantico limitato. I Line Array sono rivelatori di raggi X tridimensionali che consistono in una sola fila di rivelatori sensibili ai rx. I linear array sono l’ideale per i sistemi 2D-CT che ottengono singole sezioni CT attraverso un oggetto.

 Fig.2: Tomografo Ia generazione

Fig.3: Tomografo IIa generazione

Tomografo Ia generazione Viene impiegata una sola sorgente di radiazione e un solo elemento rivelatore.

Immagine radiografica

Immagine tomografica Fig.1: Confronto tra radiografia e tomografia

Compositi



Fig.4: Tomografo III generazione a



- La tomografia per la qualifica di componenti aeronautici Il sistema sorgente/rivelatore ha un doppio movimento: lineare e rotatorio. Ogni traslazione produce una singola vista; l’immagine ricostruita è la sommatoria degli N angoli di ripresa, nei sistemi industriali 200-400 angoli, per applicazioni speciali >1000. I vantaggi principali sono l’estrema semplicità e la possibilità di variare i singoli parametri, mentre gli svantaggi i tempi lunghi per l’analisi complessiva. Una variante di questo sistema è l’avere un array lineare fisso, come la sorgente di radiazione, e far ruotare l’oggetto (fig.2). Tomografo IIa generazione Si utilizza la stessa geometria di scansione/traslazione dei tomografi di Ia generazione; la differenza sostanziale è l’uso di fasci di radiazione non paralleli, fan beam, e di un elevato numero di rivelatori. Ciò permette l’acquisizione di una serie di viste durante ogni traslazione con drastica riduzione dei tempi di acquisizione (fig.3). Tomografo IIIa generazione In questi sistemi la sorgente è un fan beam che ruota solidalmente con i rivelatori e l’oggetto è fermo e deve essere sempre contenuto nel fascio di radiazio-

Fig.5: Tomografo IVa generazione



ne, di conseguenza il numero di rivelatori necessariamente è elevato (fig.4). La risoluzione spaziale è condizionata dal numero di rivelatori e dalle loro dimensioni. Il costo del sistema è funzione del numero dei rivelatori connesso anche ad una elettronica complessa. Tomografo IVa generazione Sono l’evoluzione dei sistemi di IIIa generazione: l’anello esterno contiene i rivelatori fissi e la sorgente di radiazione ruota (fig.5). La TC spirale (o elicoidale) è un’evoluzione delle apparecchiature di terza generazione: il sistema sorgente/rivelatori ruota continuamente intorno all’oggetto che contemporaneamente trasla. Le scansioni avranno una traiettoria elicoidale (fig.6). Questa tipologia di tomografi consente di avere un’alta risoluzione laddove sono presenti cavità o inserti paralleli e molto ravvicinati. I vantaggi di questa tipologia di tomografi sono: • l’acquisizione di un volume e non solo di uno strato, con miglioramento della qualità delle ricostruzioni planari e 3D (eliminazione dell’anisotropismo dei voxel) • la riduzione degli artefatti da movimento, grazie anche alla maggiore velocità di acquisizione • l’eliminazione del tempo di attesa tra scansioni successive, con aumento dell’efficienza del tubo e dei rivelatori. RICOSTRUZIONE L’asse tomografico viene individuato dall’asse di rotazione delle parti mobili del complesso tomografico, sistema CT e oggetto in ispezione. Il volume da ricostruire o slice individua lo spessore esaminato e da ricostruire e sono perpendicolari all’asse tomografico. Ogni singola slice è una griglia 2D in pixel quadrati, ma associando a questa griglia lo spessore da 2D si passa a una visione 3D e quindi da pixel si hanno i voxel. La ricostruzione dei dati tomografici è la determinazione dei valori di densità, ovvero il valore della radiazione in ogni voxel. La risoluzione è funzione della dimensione del pixel. Risultato finale è la

sommatoria di una serie di sezioni non contigue di spessore preimpostato. La ricostruzione è il processo di conversione matematica sinogrammi in immagini di fetta bidimensionali (fig.7). Ogni vista o ripresa rappresenta un intervallo di rotazione pari a 360° diviso per il numero totale di visualizzazioni. I dati grezzi vengono visualizzati e ogni riga contiene una singola serie di acquisizione del rivelatore. Questa immagine o sinogramma, come ogni singolo punto dell’oggetto scansionato, corrisponde ad una curva sinusoidale. La tecnica di ricostruzione più diffusa è chiamata retroproiezione filtrata, in cui i dati vengono prima convoluti con un filtro e ogni vista viene successivamente sovrapposta una griglia quadrata con un angolo corrispondente al suo angolo di acquisizione. Si possono ottenere immagini relative a qualunque piano spaziale: frontale, sagittale, assiale, o immagini tridimensionali. I processi di ricostruzione per ottenere le immagini dai dati grezzi, raw data, sono la convoluzione e la retroproiezione, backprojection (trasformata di Radon). CONVOLUZIONE E BACK-PROJECTION L’attenuazione è il logaritmo naturale del rapporto dell’intensità del fascio incidente del fascio trasmesso, è anche indicato come ray-sum. Il processo viene ripetuto N volte ad angoli differenti. L’incremento angolare tra le proiezioni è indicato con Df. L’intervallo angolare totale su cui si ottengono queste proiezioni può essere limitato a 180°. Un’immagine ricostruita della distribuzione 2D del coefficiente di attenuazione lineare μ(x, y), è ottenuta da queste proiezioni, e in linea di principio è sufficiente notare che il coefficiente di attenuazione lineare è approssimativamente proporzionale alla densità di massa (fig.8). Le fasi della ricostruzione sono mostrate in figura 9. ARTIFACTS Le immagini ricostruite possono risultare inesatte a causa di artifact o artefatti che ne alterano l’immagine.

 Fig.6: Tomografo a spirale

Fig.7: Sinogramma

Compositi

- La tomografia per la qualifica di componenti aeronautici -



Fig.8: Sinogramma

 Fig.9: Fasi della ricostruzione



Anelli Sfocature Striature

Fig.10: Artifacts

Immagine mossa

Compositi



Le cause sono molteplici: forti differenze di assorbimento o variazioni di spessore dell’oggetto, fascio della radiazione poco collimato e/o poco monocromatico. L’eliminazione parziale o totale degli artifatti si ha aumentando gli angoli di ripresa, collimando il fascio, filtrando il fascio “beam hardening”; quando si ispezionano oggetti con spigoli e grosse differenze di assorbimento è bene utilizzare compensatori di assorbimento. In caso di oggetti a geometria complessa o, ad esempio, materiali plastici con inserti metallici e laddove è importante studiare l’interfaccia metallo/matrice, la riduzione degli artifact che si presentano sopratutto con striature (fig.10), è fondamentale. Un metodo per limitare questi inconvenienti è tomografare gli oggetti con doppia energia, bassa per i componenti a basso assorbimento e alta per gli inserti metallici; successivamente si sovrappongono le due ricostruzioni. In oggetti mono-componenti è impiegabile anche una correzione non-lineare su ogni singola proiezione Artifact Reduction (IAR) Kasperl. Altro tipo di artifatti sono artifatti ad anello derivanti da difetti nel sensore o non linearità del guadagno dello stesso o anche ad un’errata calibrazione. Nella fase della retroproiezione il segnale elaborato, se non è coerente con il precedente, provoca una serie di anelli sull’immagine. La soppressione degli artefatti ad anello è possibile con diversi algoritmi di post-acquisizione. DENSITÀ-RISOLUZIONE DI ATTENUAZIONE, RISOLUZIONE SPAZIALE La densità e la risoluzione spaziale indicano la capacità del sistema di distinguere un punto di interesse dall’area circostante. La capacità di differenziare materiali è funzione dei rispettivi coefficienti di attenuazione lineare. In termini pratici, l’immagine ottenuta dipende dalla forma dell’oggetto, dalla sua morfologia e dai parametri dello spettro ai raggi X utilizzati e il rapporto segnale-rumore.

Materiali con densità molto divergenti sono rivelabili. Sistemi di CT moderni sono in grado di discriminare valori di μ che differiscono di solo 0,1%. La risoluzione di densità o di contrasto misura la media dei livelli di grigio della zona di interesse in relazione al livello medio del livello di grigio nella zona circostante o di fondo. La sensibilità del contrasto di densità (DCS) è il calcolo della deviazione standard (sD ) dei pixel adiacenti in un’area a densità ottica costante. La risoluzione spaziale (f ) indica la capacità di separare due oggetti o aree di interesse limitrofe e descrive la variazione dell’intensità sinusoidale lungo un asse geometrico; il periodo di questa funzione è misurato in coppie di linee per millimetro (lp/mm). La risoluzione viene espressa dalla Modulation Transfer Function (MTF ) che descrive il contrasto del sistema in funzione della frequenza spaziale in cicli/mm o lp/mm. In tomografia la risoluzione spaziale CT è determinata da: dimensione dello spot di raggi X, dimensioni e numero di elementi di rilevamento, distanze sorgente - oggetto - rivelatore. Poiché sia la generazione di raggi X che gli eventi di scattering all’interno dell’oggetto sono processi stocastici, il rumore totale del segnale dipende dai raggi X, dal rivelatore e dall’elettronica di amplificazione. L’ottimizzazione dei parametri radiografici può migliorare il rapporto segnale/disturbo. Si può affermare che densità/attenuazione-risoluzione spaziale siano strettamente collegati. MODALITÀ DI VISUALIZZAZIONE Quando si esegue la ricostruzione delle immagini CT con fascio rx conico, provenienti da numerose immagini radiografiche bidimensionali, il risultato è un’immagine e la tecnica di visualizzazione è denominata rendering del volume. La rappresentazione volumetrica viene utilizzata in vari campi come ingegneria, analisi di assemblaggi, medicina, etc. Il tempo di ricostruzione è fortemente influenzato dalla capacità di calcolo del sistema. I metodi di presentazione delle immagini e di rendering possono essere così definiti: • MIP (Metodo di proiezione massima intensità): in questo caso valori CT è il valore del pixel maggiore del voxel lungo il percorso (fig.11) • VR (Volume rendering): il rendering del volume viene variato in continuo in un determinato valore di assorbimento, il risultato è un’immagine realistica 3D dell’oggetto (fig.12) • LER (Local edge rendering): in questo caso viene impostato un valore di opacità per i bordi presso i limiti esterni dell’oggetto per cui l’area interna risulta trasparente

- La tomografia per la qualifica di componenti aeronautici • MPR (Ricostruzione multiplanare): metodo per estrarre e visualizzare qualsiasi sezione trasversale del volume. APPLICAZIONI AL SETTORE AERONAUTICO • Missilistica: ugelli, radom; propellente (analisi invecchiamento, bonding) • aerei: struttura, equipaggiamento; sviluppo del prodotto, ispezione nel corso della costruzione; ispezione in servizio. E nello specifico: • rivelazione di cricche, difetti tangenziali e/o radiali, inclusioni, porosità, controllo qualità assemblaggio • analisi densità • reverse engineering, rendering delle superfici, analisi dimensionale CAD. Lo sviluppo di nuovi algoritmi dedicati permette l’analisi dell’orientamento e della distribuzione delle fibre. Nel caso di una scansione della struttura interna, l’analisi dei valori di grigi (attenuazione) rivelerà l’orientamento e la disposizione delle fibre; il tensore di orientamento corrisponde al valore di grigio locale per ogni singola posizione. I risultati possono essere visualizzati come sovrapposizione di colore che mostra l’orientamento locale. Utilizzando quest’analisi in una specifica regione di interesse e con un orientamento delle fibre nominale noto, le statistiche fornite insieme al risultato dell’analisi danno la possibilità di confrontare gli orientamenti nominali e reali (fig.13). Da una visione 2D, in cui l’orientamento del tensore è calcolato su un piano o a una direzione di riferimento, si può passare a una visione 3D (fig.14). Il tensore determinato e mostrato con diverse ellissi con diversi colori rappresenta la media in un volume scelto, tale peculiarità permette una veloce panoramica dell’orientamento medio all’interno di una specifica regione di interesse. La tomografia consente di ottenere ottimi risultati anche in una scansione in cui le singole fibre non possono essere segmentate (fig.14). Ciò significa che il software è in grado di gestire fasci di fibre intere, così come singole fibre, se la risoluzione nella scansione non è sufficiente a visualizzare singole fibre. Detto tipo di analisi è utilizzato nella fabbricazione di pale per elicotteri. L’immagine a sinistra della figura 15 mostra un’analisi dell’orientamento delle fibre in una pala di rotore di elicottero in cui si sono verificate sovrapposizioni/ondulazioni; nell’immagine di destra il difetto può essere rilevato in modo chiaro, anche se la risoluzione non è abbastanza buona segmentando singole fibre nella pala.

In figura 16 vengono riportate le ricostruzioni di una paletta di turbina con evidenziate le sue strutture interne, canali di raffreddamento, e la superficie esterna. Da tale analisi si possono rilevare sia difetti quali soffiature, cricche, ma contemporaneamente si possono eseguire analisi dimensionali. La ricostruzione prevede anche la movimentazione dell’oggetto.

Fig.11: MIP



Fig.12: VR

Fig.13: A sinistra sono visibili le fibre, a destra l’orientamento delle fibre è mostrato in falsi colori



Fig.14: I tensori di orientamento vengono visualizzati come puntini di sospensione nell’immagine 3D dell’oggetto scansionato. Il cambiamento dell’orientamento locale nella regione centro dell’oggetto è chiaramente visibile

Compositi

- La tomografia per la qualifica di componenti aeronautici Un altro esempio è il controllo di brasature: in figura 17 viene evidenziata la diffusione del materiale brasante in tegole di grafite per applicazioni in scambiatori di calore ad altissimo flusso. CONCLUSIONI Il metodo tomografico, offrendo una serie notevoli di vantaggi tecnici, trova sempre nuovi campi di applicazione come strumento di ingegneria fornendo informazioni quantitative e qualitative su materiali e componenti, e nel contempo con un rapporto costo/beneficio molto valido, potendo anche ridurre il fattore rischio e incrementando la sicurezza. Si ringrazia la Diondo GmbH per aver fornito alcune immagini.

Fig.15: CT pala di elicottero



Fig.16: Paletta di turbina-analisi interna e esterna. A destra esempio di controllo dimensionale

piano rilevazione

Sorgente RX microfuoco

tegola grafite

0 22

area brasatura parete tubo

parete tubo area brasatura

immagine radiografica

gap tegole = 0.5 mm tegole grafite

monitor

VCR

 Fig.17: Micro-tomografia per analisi brasature tubi Zircalloy/grafite

Compositi

D/A





Claudio Cappabianca

Computed tomography for qualification of aircraft components Computed tomographic method allows to detect defects that are not detectable with traditional x-ray or other methods of non-destructive testing, such as delamination, bonding problems, radial defects.

onventional radiography returns a three-dimensional reconstruction of the object on a two dimensional plane by superimposing the individual elements, so you lose the information on their location along the inspection. Tomography indicates the method to represent the test sample in layers. The tomographic image is reconstructed into individual slides, and the end result is a cross-section of the object. Are performed N times digital angular and summed; since each slide has a height (slide), in function of the sensitive element, the individual areas are expressed in voxels that correspond to a single element of image pixels (fig.1). The tomography allows, nondestructively, the physical characterization, and by extension chemistry, the internal structure of objects for inspection. It is successfully used also in the study of complex components, such as composites, for the analysis of adhesion matrix / fiber and of their dislocation and can be validly used for density measurements or for dimensional controls with precision, respectively, > 0.1% and > 2-3 microns. THE TOMOGRAPHIC SYSTEM A tomographic system consists of: the radiation source; possible collimator; radiation detector, linear array flat panel, etc; mechanical handling system according to the type of tomograph; computers; software for image acquisition, image reconstruction, data storage, image processing and management source, positioner; user interface. X-RAY SOURCE The size of the focal spot, the energy spectrum of the X-rays generated and the intensity of X-rays are among the characteristics of the system: the spot emission (focal spot) determine, even if partially, the spatial resolution.

DETECTOR Its function is the measurement of the radiation transmitted through the object in inspection. The detectors used are of various types: ionization, scintillating fibers and solid state. Solid state detectors: computed tomography detectors require highspeed, high dynamic range, wide dynamic range (WDR) and high linearity. The detectors have WDR CMOS and quantum noise limited. The Line Array are three-dimensional X-ray detectors which consist of a single row of RX detectors sensitive. The linear arrays are ideal for 2D-CT systems that achieve individual CT sections through an object. TYPES OF COMPUTED TOMOGRAPHY SYSTEM The systesm are divided into generations that characterize the motion of the source or object. Tomograph generation Ia It is used a single radiation source and a single detector element. The system source/ detector has a double movement: linear and rotary. Each translation produces a single view; the reconstructed image is the sum of the N angles, industrial systems 200-400 angles, but for special applications more than 1000. The main advantages are the extreme simplicity and the possibility of varying the individual parameters, while the disadvantages of the long time for the overall analysis. A variant of this system is to have a fixed linear array, such as the radiation source, and to rotate the object (fig.2). Tomograph generation IIa In this case one uses the same geometry scan/translation of the tomographs of first generation; substantial difference is the use of radiation beams are not parallel, fan beam, and a high number of detectors. This allows the acquisition of a series of views during each

traverse with drastic reduction of the acquisition time (fig.3). Tomograph generation IIIa In these systems, the source is a fan beam that rotates integrally with the detectors and the object is stationary and must always be contained in the radiation beam, consequently the number of detectors is necessarily high (fig.4). The spatial resolution is conditioned by the number of detectors and their sizes. The cost of the system is a function of the number of detectors connected also to a complex electronics. Tomograph generation IVa They are the development of systems generation IIIa: the outer ring contains the fixed detectors and the radiation source rotates (fig.5). Spiral CT (or helical) is an evolution of the equipment of the third generation: the system source/detector rotates continuously around the object that moves at the same time. The scans have a helix (fig.6). This type of tomography allows you to have a high resolution where there are holes or inserts parallel and very close together. Advantage of this type of tomographs is: • acquisition of a book and not just a layer with improving the quality of planar and 3D reconstructions (elimination of voxel anisotropic) • reduction of motion artifacts, thanks to the increased speed of acquisition • elimination of the waiting time between successive scans, increasing the efficiency of the tube and detectors. RECONSTRUCTION The tomographic axis is detected by the axis of rotation of the movable parts of the complex tomography, CT system and object inspection. The volume to be reconstructed or slice thickness examined and identified to be rebuilt and

Compositi

Analisi Avanzata dei Materiali Compositi are perpendicular to the axis tomography. Each slice is a 2D grid in square pixels, but combining this grid thickness you switch from 2D to a 3D vision of pixels and then you have the voxels. The reconstruction of tomographic data is the determination of the density values, or the value of the radiation in each voxel. The resolution is a function of the size of the pixels. Final result is the summation of a series of non-contiguous sections of preset thickness. Rebuilding is the process of converting mathematical sinograms in two-dimensional slice images (fig.7). Each view or recovery represents an interval of rotation equal to 360° divided by the total number of views. The raw data are displayed and each row contains a single series of acquisition of the detector. This image or sinogram, as each point of the scanned object corresponds to a sinusoidal curve. The reconstruction technique most widely used is called filtered back projection, in which the data is first convolved with a filter and each view is then superimposed on a square grid with an angle corresponding to its angle of acquisition. You can get images of any spatial plane: frontal, sagittal, axial, or three-dimensional images. The processes of reconstruction to get the images from the raw data, raw data, are the convolution and back projection, backprojection (Radon transform).

rizcaratte la r e p ianti” “ DMA princip ratuito r g e t p s i, a Webc olimer 5708 e dei p om/n2 zazion .c h c s z et www.n

Il multitalento che non passa mai di moda DMA 242 E Artemis  Estendete la Vostra versione base con Lampada UV, generatore di vapore, accoppiamento con DEA o uno dei tre possibili sistemi refrigeranti  Scegliete tra i 30 diversi sistemi porta campione disponibili per ottimizzare l’analisi a seconda delle Vostre necessità  Elaborate i dati di un’analisi in meno di un minuto

NETZSCH-Gerätebau GmbH Stabile Organizzazione in Italia Via Albere, 132 37137 Verona Italy Tel.: (+39) 045 8626301 info.niv@netzsch.com Compositi www.netzsch.com/n16095

CONVOLUTION AND BACK-PROJECTION Attenuation is the natural logarithm of the ratio of the intensity of the incident beam of the transmitted beam, is also referred to as ray-sum. The process is repeated N times at different angles. The angular increment between the projections is indicated with Df. The total angular interval on which are obtained by these projections can be limited to 180°. An image reconstructed 2D distribution of the linear attenuation coefficient μ(x, y), is obtained from these projections, and in principle it is sufficient to note that the linear attenuation coefficient is approximately proportional to the mass density. (fig.8). The phases of the reconstruction are shown in figure 9. ARTIFACTS The reconstructed images may be inaccurate due to artifacts that distort the image. The causes are varied: significant differences in absorption or changes in the thickness of the object, just collimated beam of radiation and/or just one color. The partial or total elimination of the artifacts you are increasing the camera angles, collimating the beam, filtering the beam “beam hardening”; when inspecting objects with sharp and large differences in absorption is good to use compensating absorption. In the case of objects with complex geometry or materials such as plastic with metal inserts and where it is important to study the interface metal / matrix reduction of artifacts that occur primarily with stripes (fig.10), is crucial. One way to limit these drawbacks is test objects with dual-energy, low for the components in low power and high for metal inserts; then overlap the two reconstructions. In single-component objects can be used also a correction non-linear projection of each Artifact Reduction (IAR) Kasperl. Other type of artifacts are artifacts ring resulting from defects in the sensor or non-linearity of the gain of the same or even to a wrong calibration. In the phase of the processed signal back projection, if it is consistent with the previous results in a series of rings on the image. The ring artifact suppression is possible with different algorithms to post-acquisition.

- Computed tomography for qualification of aircraft components DENSITY-RESOLUTION ATTENUATION, SPATIAL RESOLUTION The density and the spatial resolution indicate the ability of the system to distinguish a point of interest from the surrounding area. The ability to differentiate materials is a function of the respective coefficients of linear attenuation. In practical terms, the image obtained depends on the shape of the object by its morphology and by the parameters of the X-ray spectrum used and the signal to noise ratio. Materials with very different density are detectable. Ct modern systems are capable of discriminating values of μ which differ by only 0.1%. The resolution of density or contrast measuring the average of the gray levels of the area of interest in relation to the average level of the gray level in the surrounding area or background. The sensitivity of the density contrast (DCS) is the calculation of the standard deviation (SD) of adjacent pixels in an area of constant optical density. The spatial resolution indicates the ability to separate two neighboring objects or areas of interest, the spatial resolution (f) describes the sinusoidal variation of the intensity along a geometric axis, the period of this function is measured in line pairs per millimeter (lp / mm). The resolution is expressed by the Modulation Transfer Function (MTF), which describes the contrast of the system as a function of spatial frequency in cycles / mm or lp / mm. In CT tomography the spatial resolution is determined by: the spot size of X-rays, dimensions and number of detector elements, distances source - the object the detector. Because both the generation of X-ray scattering events within the object are stochastic processes, the total noise of the signal depends on the X-rays, from the detector electronics and amplification. Optimization of radiographic parameters can improve the signal / noise ratio. It can be argued that density / cut-spatial resolution are closely related. DISPLAY MODE When performing image reconstruction with CT RX conical beam, coming from several two-dimensional X-ray images, the result is an image and display technique is called volume rendering. The volume rendering is used in various fields such as engineering, analysis of assemblies, medicine, etc. The rebuild time is strongly influenced by the computing capacity of the system. The methods of image presentation and rendering can be defined as follows: • MIP (maximum intensity projection method): in this case CT val-

ues is the value of pixels greater than the voxels along the path (fig.11) • VR (Volume Rendering): volume rendering is varied continuously in a given absorption value, the result is a realistic 3D image of the object, (fig.12) • LER (Local edge rendering): in this case is set to a value of opacity for the edges at the outer limits of the object for which the inner area is transparent. • MPR (multiplanar reconstruction) method to extract and display any cross-section of the volume. APPLICATIONS FOR THE AEROSPACE INDUSTRY • Missile: nozzles, Radom; propellant (aging analysis, bonding) • Aircraft structure, equipment; product development, inspection during construction; in-service inspection. And specifically: • detection of cracks, defects tangential and/or radial, inclusions, porosity, quality control assembly • density analysis • Reverse engineering, rendering the surfaces, dimensional analysis CAD. The development of new dedicated algorithms allows the analysis of the distribution and orientation of the fibers. In the case of a scan of the internal structure, the analysis of the gray values (attenuation) will reveal the orientation and arrangement of the fibers; tensor orientation corresponds to the local gray value for each position. The results can be displayed as a color overlay showing the local orientation. Using this analysis in a specific region of interest and with a nominal fiber orientation known, the statistics provided along with the results of the analysis makes it possible to compare the guidelines nominal and real (fig.13). From a 2D view, in which the orientation of the tensor is calculated on a plane or a reference direction, you can switch to a 3D view (fig.14). The tensor determined and shown with different ellipses with different colors represents the average in a selected volume this peculiarity allows a quick overview orientation medium within a specific region of interest. The tomography allows to obtain excellent results also in a scan in which the individual fibers can not be segmented (fig.14). This means that the software is able to handle the entire fiber bundles, as well as individual fibers, if the reso-

lution in the scan is not sufficient to display the individual fibers. That type of analysis is used in the manufacture of blades for helicopters. The left image of figure 15, shows an analysis of the orientation of fibers in a rotor blade of the helicopter in which there have been overlaps / undulations; in the right image, the defect can be detected clearly, even if the resolution is not good enough segmenting individual fibers in the blade. Figure 16 shows the reconstruction of a turbine blade with highlighted its internal structures, cooling channels, and the outer surface. This analysis can detect both defects such as blowholes, cracks, but at the same time you can perform dimensional analysis. The reconstruction also provides for the handling of the object. Another example is the control of brazing: in fig.17 is shown the diffusion of the brazing material in tiles of graphite heat exchangers for applications in high flow. CONCLUSIONS The computed tomography method, offering a number of significant technical advantages, finds ever new application areas such as engineering tool providing quantitative and qualitative information on materials and components, and at the same time with a cost / benefit ratio very good and can even reduce the risk factor and increasing safety. We thank the Diondo GmbH for providing some pictures.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Comparison between radiograpghy and tomography Fig.2: Tomograph generation Ia Fig.3: Tomograph generation IIa Fig.4: Tomograph generation IIIa Fig.5: Tomograph generation IVa Fig.6: Spiral CT Fig.7: Sinogram Fig.8: Sinogram Fig.9: Phases of the reconstruction Fig.10: Artifacts Fig.11: MIP Fig.12: VR Fig.13: On the left the fibers, on the right the orientation of the fibers is shown in wrong colours Fig.14: The orientation tensors are shown as series of dots in the 3D image of the scanned object. The change of the local orientation in the central region of the object is clearly visible Fig.15: CT rotor blade of the helicopter Fig.16: Turbine blade – internal and external analysis Fig.17: Micro-tomography for the analysis of brazing material on pipes Zircalloy/grafite

Compositi

Caratterizzazione dei materiali, qualità, prove non distruttive INSTRON

Standardizzare le prove ad elevata velocità Instron ha aderito ad un nuovo gruppo internazionale che sta cercando di sviluppare una guida pratica e standard di prove appositamente per testare i materiali compositi ad elevata velocità di deformazione. Nell’industria automobilistica vi è una crescente domanda per testare il comportamento di questi materiali ad elevata velocità di deformazione. La necessità di avere a disposizione dati dettagliati, per simulare ed analizzare le modalità di “crash test”, ha portato nel corso degli ultimi tre anni ad un rinnovato interesse per le attrezzature di prova. Recentemente è sorta la necessità di una standardizzazione internazionale di metodologie e gestione dei dati. Pertanto l’obiettivo del gruppo in questo settore è facilitare la generazione e lo scambio di dati di test affidabili e comparabili. Il gruppo di lavoro è stato coordinato dall’Università di Dayton Research Institute (USA), è composto da circa 20 organizzazioni, tra cui le principali case automobilistiche, produttori di materiali compositi, laboratori di prova ed istituti di ricerca.

Specializzato nei sistemi di prova servoidraulici ad elevata velocità, il team Sistemi Dinamici di Instron è lieto di condividere la propria esperienza in questa iniziativa. Instron contribuirà a lavorare anche sulle tecniche di impatto a caduta di grave per le prove ad alta velocità. Il gruppo di lavoro è alla ricerca di altri collaboratori europei, ed incoraggia tutti i suoi clienti con competenze in questo settore ad unirsi per sostenere questo progetto.

NETZSCH

Stabilità meccanica e transizione vetrosa di compositi legno-polimero con DMA Gabriele Kaiser e Marcus Meyer – NETZSCH Gerätebau GmbH L’Analisi Dinamico-Meccanica (DMA) è una tecnica che permette di studiare le proprietà meccaniche di un materiale sottoponendolo contemporaneamente a una forza dinamica controllata, generalmente sinusoidale, e a un trattamento termico. Il risultato è riportato in funzione della temperatura applicata, del tempo e della frequenza. I compositi legno-polimero (WPC, Wood Plastic Composites) sono materiali di crescente interesse applicativo, basati su legno, matrici polimeriche e additivi. Anche se usati comunemente per la produzione di elementi non strutturali, quali rivestimenti o interni di automobili, nuove applicazioni sono continuamente valutate in diversi settori, dall’edilizia ai mobilifici, dalla produzione di componenti tecniche a quella di beni di consumo. Il grafico riportato in figura mostra la variazione del modulo conservativo (o modulo elastico, E’, linea continua) e del modulo dissipativo (E”, linea tratteggiata) determinata tramite DMA su un composito WPC contenente il 60% di legno. Il modulo conservativo è legato alla rigidità del materiale, mentre quello dissipativo è indice della sua capacità di deformazione. All’inizio dell’analisi (circa -50°C) il valore di E’ è intorno a 9000 MPa. Il polipropilene (PP) è un polimero semi-cristallino che fonde nell’intervallo di temperatura 160/165°C ed esibisce una transizione vetrosa (Tg) nell’intervallo -20°C/+20°C. Questo ultimo parametro indica la temperatura di passaggio dallo stato rigido, quindi fragile, a quello amorfo, “simil-gomma”. Oltre questo valore, l’analisi DMA misura l’aumento della flessibilità del materiale, che si traduce in particolare nella rapida e marcata diminuzione della curva E’.

Compositi

La DMA è di fatto una tecnica più sensibile ad esempio della Calorimetria Differenziale a Scansione (DSC) nel determinare la transizione vetrosa di materiali a basso contenuto polimerico. Come riportato in figura, durante il riscaldamento del campione il modulo elastico crolla a -14°C (onset estrapolato su E’) per via della transizione vetrosa della matrice di polipropilene. Il relativo flesso sulla curva E’ è accompagnato da un chiaro picco nella curva del modulo dissipativo, attorno i -6°C. Entrambi i valori sono validi per la definizione della temperatura di transizione vetrosa: lo standard ASTM E1640 richiede di indicare l’onset estrapolato sulla curva E’, mentre la ASTM D4065 raccomanda di riportare la temperatura del picco sulla curva E”. Tra -20°C e +20°C il valore E’ decresce del 30% (da 8168 MPa a 5594 MPa). Tra 20°C e 50°C si registra un secondo gradino, fino a 4239 MPa (nuovamente oltre il 20%, a partire da 5594 MPa), per un decremento totale del 52% tra -20°C e 50°C, che è la tipica escursione termica annua, tra inverno ed estate, sotto diretta esposizione al sole. Il valore di transizione vetrosa e la consistente variazione di rigidità della matrice di polipropilene sono i motivi principali per cui i WPC a base di questa poliolefina sono finora impiegati per creare elementi non strutturali.

Far-UK

Nuovo telaio in fibra di carbonio Durante il recente Advanced Engineering Show all’NEC di Birmingham la ditta inglese con sede a Nottingham Far-UK ha lanciato Far Platform Chassis (FPC): un telaio superleggero che soddisfa ampliamente i requisiti dei crash test ed è stato prodotto in linea con LiSaTM (Light and Safe), la filosofia di design della compagnia. Il telaio è stato progettato per le compagnie dedicate alla produzione a basso volume di veicoli, con l’intento di rimuovere gli eccessivi costi di progettazione e investimento che normalmente richiede il design di un telaio. Far Platform Chassis rende la produzione di vetture una possibilità reale per le piccole compagnie, considerando che la progettazione di un telaio può raggiungere costi di decine di milioni di euro. Il nuovo telaio combina l’ultra leggerezza con un’alta resistenza, inoltre è di facile assemblaggio e può essere facilmente incluso in qualsiasi linea di produzione. In aggiunta ogni telaio può essere prodotto con una lavorazione minima e realizzato in tempi di produzione brevi sulla base dei requisiti del cliente. Può ospitare differenti tipologie di vettura, ad esempio un’utilitaria, un’automobile sportiva, o un furgone. Il particolare design di questo telaio permette la presenza sia di un motore elettrico, che ibrido che convenzionale. Far Platform Chassis è stato progettato per essere un punto di partenza low cost per lo sviluppo di veicoli a basso peso e dall’alta efficienza nei consumi. Il telaio è disponibile in tre dimensioni standard: • Sub A segment: distanza interasse <1.85 m • A/B segment: distanza interasse 2,00 - 2,20 m • C/D segment: distanza interasse 2,40 - 2,60 m. Da queste tre opzioni è possibile creare la base per una gamma di veicoli. La configurazione intermedia A/B pesa solo 65 kg in confronto ai 155 kg dell’equivalente in acciaio. Le altre caratteristiche chiave della progettazione secondo la filosofia LiSaTM comprendono: • crash test frontale, laterale e posteriore aderenti le normative europee • massimo peso a vuoto (batterie incluse) 550 Kg (configurazione A/B) • massima massa a pieno carico 750 Kg (configurazione A/B).

Far-UK ha identificato una soluzione a basso costo nella produzione di strutture di veicoli per quei produttori di vetture di nicchia che pensano di non poter permettersi strutture in composito. Introducendo quest’innovazione nel mercato generale, Far-UK risolve l’attuale problema del costo e dell’inefficienza delle vetture sostituendole con un’alternativa più verde. Usando un telaio modulare a struttura reticolare a basso costo e in fibra di carbonio, una vettura progettata secondo la filosofia LiSaTM può essere sia ultraleggera che personalizzata in base all’utilizzatore finale. Questo permette a differenti gruppi di persone di ottenere la tipologia e le caratteristiche della vettura che desiderano partendo dallo stesso telaio di base. Questa è una strada più economica, ecologica e facile per i piccoli produttori nel fornire vetture su richiesta. Far Platform Chassis è all’avanguardia nel settore automobilistico per la riduzione di peso nei veicoli usando fibra di carbonio. È parte di una rivoluzione che porta le fibre di carbonio e il “Body in Black” ad essere una soluzione nell’ambito automobilistico.

Compositi

ALTAIR

Biciclette ultraleggere ad elevate prestazioni Rolo Bikes, produttore europeo di biciclette da strada ad elevate prestazioni, per lo sviluppo di una nuova bicicletta in fibra di carbonio, voleva realizzare un telaio dalle caratteristiche migliorate in termini di resistenza e rigidità, contenendo il peso il più possibile. Il team aveva bisogno di un processo altamente efficiente per progettare il telaio e provarlo con metodi virtuali in modo che fosse conforme agli standard di sicurezza e performance richiesti dal mercato. Il materiale era stato costruito strato su strato da patch in fibra di carbonio, realizzate una ad una per formare la struttura desiderata. Identificare il numero necessario di questi strati per ogni area del telaio, e la direzione ottimale in cui le fibre dovessero essere allineate al loro interno, rappresentava una sfida di progettazione impegnativa. Per ottenere con la progettazione gli obiettivi di massima resistenza e minimo peso, il team ha voluto ottimizzare la struttura per trovare il layout ideale delle fibre di carbonio, eliminando qualsiasi materiale superfluo. Il team ha puntato sulla suite di strumenti per la simulazione di Altair HyperWorks durante le prime fasi dello sviluppo del nuovo telaio, ma i progettisti non possedevano la necessaria esperienza aziendale richiesta dalla computer-aided engineering (CAE) per analizzare ed ottimizzare in maniera accurata il telaio. Rolo Bikes si è quindi rivolta ad Altair ProductDesign, per la sua familiarità con la suite HyperWorks e l’esperienza nell’applicare le tecniche di computer-aided engineering per l’ottimizzazione delle strutture in fibra di carbonio. L’obiettivo era ottimizzare il telaio per ottenere le più elevate prestazioni in materia di peso, rigidità e comfort.

Rolo Bikes aveva già creato maschere di test virtuale per replicare i test della European Committee for Standardization (Comité Européen de Normalisation or CEN) ed i test di rigidità Zedler utilizzando HyperWorks, il modello di riferimento del telaio era stato poi correlato ai test fisici realizzati. Il modello di riferimento aveva un peso di 829 g ma è risultato difficile da realizzare. Le analisi virtuali iniziali del design di riferimento hanno evidenziato numerose aree di interesse dove il telaio risultava sottoposto a stress elevati. La fase di ottimizzazione del progetto ha voluto proprio interessare queste aree di stress elevato, andandole a ridefinire mantenendo i livelli di peso efficienti ed assicurando un design realizzabile. Per ottimizzare il telaio in fibra di carbonio, Altair ProductDesign ha utilizzato un approccio in tre fasi, durante le quali la forma, lo spessore, la direzione e la disposizione di ogni strato di materiale composito sono stati minuziosamente regolati fino al risultato ottimale. Ogni fase è stata realizzata con la soluzione di HyperWorks per l’ottimizzazione dei design, OptiStruct. • Fase 1: Free-size Optimization: è stata definita la forma e la posizione ottimale di ogni strato di materiale composito con la creazione di una “ply-patches” di materiale che avesse le fibre disposte nella stessa direzione. • Fase 2: Size Optimization: sono stati determinati gli spessori ottimali di ogni ply-patch (creata durante la fase 1). • Fase 3: Shuffle Optimization: si è valutato le possibili sequenze di impilamento degli strati in composito suggerendo l’ordine ideale per soddisfare le caratteristiche richieste dal design.

Analisi di impatto utilizzando RADIOSS

Free-size Optimization per definire le forme ideali degli strati in fibra di carbonio

Compositi

COMPOSITE MATERIALS Alla fine di questo processo, HyperWorks è stato nuovamente utilizzato per validare il telaio ottimizzato per i test CEN e Zedler, e stimare le performance di resistenza a fatica. Il laminato in composito risultante ha dato luogo ad un componente perfettamente riproducibile con il meticoloso processo di costruzione a laminazione manuale impiegato nei suoi centri di produzione in Europa, pur mantenendo i costi sotto il tetto massimo prestabilito. Come risultato del progetto, Rolo Bikes ha ottenuto un completo set di maschere per i test virtuali che potranno essere utilizzate per analizzare le performance di qualsiasi altro telaio di bicicletta rispettando le metriche dettate dagli standard industriali. Questa nuova capacità ha permesso ai progettisti interni di diminuire i propri tempi di sviluppo per i progetti futuri, annullando la necessità di effettuare costosi processi di test fisici e prototipazioni. Il processo di ottimizzazione del composito ha ridotto con successo il peso del telaio da 829 g a 792 g. Ulteriori messe a punto sul materiale hanno consentito di ridurre ulteriormente il peso fino ad un totale di 710 g. Il design soddisfa tutti gli standard di performance e sicurezza; rigidità, resistenza e performance hanno poi superato di gran lunga i valori di riferimento. Inoltre, il design ottimizzato è ora facilmente realizzabile dal punto di vista costruttivo, fatto fondamentale che era mancante nella baseline originale.

PRESSES

Progettazione e produzione di impianti di pressatura per la produzione di > Pannelli compositi con nido d’ape > Pezzi in fibra di carbonio > Fibra di vetro > Accoppiamento di fibre tessili > Compositi in RTM e SMC > Compositi in compressione a stampo

Studio delle direzioni ideali degli strati in fibra di carbonio

Utilizzo della Size Optimization per determinare lo spessore ottimale del materiale

ORMAMACCHINE S.p.A. viale Lombardia, 47 24020 Torre Boldone (BG) - Italy Tel. +39 035 364011 - Fax +39 035 346290 www.ormamacchine.it • comm@ormamacchine.it : Ormamacchine • : www.youtube.com/ormamacchine

Compositi

COMPOTEC

Al via la settima edizione

I prossimi 4-5 e 6 febbraio si inaugurerà la settima edizione di Compotec, evento internazionale pensato come momento di incontro degli operatori dell’industria per estendere l’utilizzo e lo sviluppo dei materiali compositi. La fiera si terrà a Marina di Carrara in contemporanea con Seatec, la Rassegna Internazionale Tecnologie Subfornitura e Design per Imbarcazioni, Yacht e Navi giunta alla 13° edizione. Compotec si rivolge a tutti i settori industriali in cui si utilizzano i materiali compositi: settore aerospaziale ma anche aeronautico, militare, automobilistico, medicale, delle costruzioni. Fin dalla prima edizione, l’obiettivo è riunire in un unico contesto espositivo produttori, distributori, università, istituti di ricerca, enti e associazioni per fornire alle aziende uno strumento professionale per promuoversi. La scorsa edizione ha registrato la presenza di 80 marchi di cui 21 stranieri, confermando il valore della fiera come evento di riferimento per tutta l’area del Mediterraneo. Compotec non è solo un’esposizione di tecnologie e prodotti ma anche il luogo dove si organizzano incontri B2B tra espositori e operatori esteri provenienti da aree strategiche e appartenenti a vari settori industriali. Nel corso degli ultimi anni, la crescente domanda nel settore della costruzione con materiali leggeri ha incrementato la crescita

Compositi

dell’industria dei compositi. Dalle materie prime ai semi-lavorati, ai prodotti finiti, Compotec è focalizzato su tutti i principali temi industriali e promuove il dialogo tra tecnologia, ricerca e industria. Il programma convegnistico di Compotec rappresenta un momento di scambio di know-how e di approfondimento tecnico per tutti i professionisti del settore. Uno dei convegni tecnici sarà: Compositi termoplastici: scoprirne le potenzialità e applicazioni. Acquisire informazioni e capire i processi produttivi, conoscere le possibili applicazioni dei compositi termoplastici, informarsi sugli sviluppi delle materie prime, incontrare gli utilizzatori e ascoltare le loro esperienze. Come si producono i compositi termoplastici? Un tema attuale, che suscita interesse e opinioni discordanti. Si parlerà anche di fibre di vetro nel settore dei compositi termoplastici, dell’utilizzo dei compositi termoplastici per gli interni delle auto e dei compositi termoplastici strutturali. Un altro convegno sarà sulla stampa 3D. Una produzione addittiva in cui viene creato un oggetto a 3 dimensioni per mezzo dell’addizione di strati multipli di materiale. È evidente il contrasto con la produzione tradizionale che si basa invece sulla rimozione del materiale. La produzione additiva è stata utilizzata per decenni per la prototipazione rapida, ma i costi erano sempre molto alti e quindi solo le grandi azien-

de erano in grado di affrontare le spese per l’acquisto delle attrezzature necessarie. Negli ultimi dieci anni, con l’avvento delle stampanti 3D, la tecnologia è diventata molto più accessibile. Il convegno dedicato alla stampa 3D illustrerà come questa tecnologia può essere utilizzata nel settore automotive passando dall’ambito delle competizioni alla produzione di massa. Assocompositi presenterà due eventi tecnici/divulgativi dedicati ad alcuni temi di rilevanza tecnica. Il workshop di tre giorni dedicato alla tecnologia RTM, stampaggio con trasferimento di resina, sarà coordinato dal Prof. Andrea Ratti del Politecnico di Milano e presenterà le diverse fasi del processo e i materiali necessari per realizzarlo. Il 4 febbraio nel corso di un seminario tecnico saranno discusse le applicazioni dei compositi nei settori automotive a aerospaziale, il tema del riciclo dei materiali e i test e le analisi non distruttive. Il mattino del 6 febbraio, a conclusione del ciclo di convegni dedicati ai materiali compositi, lo Studio Carugati presenterà il convegno: Design e Materiali Compositi: Lo Stato Dell’Arte. Verranno trattati temi quali: ciclo dei materiali compositi, in particolare pale eoliche e scafi nautici, riciclo, cemento energia (in accordo con il Politecnico di Milano). Altre novità saranno a breve disponibili su www.compotec.it

OUR PARTNERS FOR THE COMPOSITES INDUSTRY

France:

Spain & Portugal:

info@chemiecraft.com www.chemiecraft

mel@melsl.es www.melcomposites.com