Numero 35 - Marzo 2015 by Tecnedit Edizioni

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anno X - numero 35 marzo 2015

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Editoriale

Prof. Roberto Frassine, Presidente Assocompositi

The first European survey reveals a positive trend for the composites industry

La prima indagine europea svela un trend positivo per il settore compositi

For the first time, EuCIA, the European Composites Industry Association, has been gathering indicators on current and future development of the composites industry. This survey is based on a six-monthly survey conducted by Composites Germany. Six countries have participated to this survey: Belgium, Finland, France, Italy, The Netherlands and Turkey. The general tendencies are: • Rather positive assessment of the current economic situation. • The companies expect a certain stability for the business over the next six months • Growth drivers is expected to come from the automotive industry and CRP. Even if, 50% of the companies estimate the business situation in their own country as rather negative, more than 2/3 of the companies rate the current worldwide business situation as positive, as well as the European situation. It is encouraging to see that all the respondents expect the economic situation of the sector to improve (32%) or remain the same (57%) over the next six months. This stable economic situation results into stable employment, for 2/3 of the respondents the workforce will remain the same. Beside this stability, a good picture emerges for planned investments, more than 3/4 of the processors are planning to invest in machinery in the near future. We can also notice a strong commitment to the composite market, almost 50% of the companies think about increasing their activities in the composites segment. Finally, the major growth drivers are reconfirmed to be in the field of materials as carbon fiber (55%), followed by FRP (17%), while in the field of production the automotive industry (24%), followed closely by wind energy (17%) and infrastructure (17%).

Per la prima volta, EuCIA, l’Associazione europea dell’industria dei compositi, ha avviato un sondaggio per la raccolta degli indicatori sullo sviluppo attuale e futuro del settore dei compositi. Il sondaggio ha preso spunto da quello condotto ogni sei mesi dall’Associazione tedesca Composites Germany. Alla prima indagine di EuCIA hanno partecipato sei Paesi: Belgio, Finlandia, Francia, Italia, Paesi Bassi e Turchia. Le tendenze generali sono: una valutazione piuttosto positiva della situazione economica attuale; la prospettiva di una buona stabilità aziendale nel corso dei prossimi sei mesi; i fattori di crescita maggiori si vedranno nei settori automotive e CRP. Per quanto riguarda la situazione economica attuale, anche se il 50% delle imprese stima la situazione industriale nel proprio paese piuttosto negativa, più di 2/3 delle imprese giudica positive sia l’attuale situazione mondiale che quella europea. È incoraggiante vedere che tutti gli intervistati si aspettano che la situazione economica del settore nel corso dei prossimi sei mesi migliorerà (32%) o rimarrà la stessa (57%). La situazione economica stabile si traduce pertanto in lavoro stabile: per 2/3 degli intervistati infatti la forza lavoro rimarrà la stessa. Accanto a questa stabilità, emerge anche una buona previsione per gli investimenti: più di 3/4 dei trasformatori ha effettivamente in programma di investire in macchinari nel prossimo futuro e si denota anche un forte interesse verso il mercato dei compositi, visto che quasi il 50% delle imprese pensa di aumentare le proprie attività in questo settore. Infine, i maggiori driver di crescita si riconfermano essere nel campo dei materiali la fibra di carbonio (55%), seguita dagli FRP (17%), mentre in campo produttivo l’industria automobilistica (24%), seguita a ruota da quella eolica (17%) e delle infrastrutture (17%).

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Sommario

Anno X – Numero 35 Year X – Issue 35 Marzo 2015 March 2015 Periodicità trimestrale Quarterly review abbonamento Italia € 25,00 abbonamento Estero € 50,00 una copia € 7,00

EDITORIALE

VITA ASSOCIAZIONE

Valutazione non distruttiva di danni da impatto a bassa velocità su laminati compositi sottili NDE of low velocity impact damage on thin composite laminates De Angelis G., Dati E., Marrone M., Bernabei M.

Compositi e nanocompositi ablativi per l’aerospazio e per applicazioni ad elevata temperatura Traditional and nanostructured ablative composites for high temperature applications L. Torre, M. Natali, M. Rallini

Tecnologie avanzate anti-bomba per la protezione aerea da attacchi terroristici Advanced technologies for bombproof cargo containers and blast containment units for the retrofitting of passenger airplanes Donato Zangani, Alessandro Bozzolo, Danilo Bardaro

Passato, presente e futuro in Finmeccanica Alenia Aermacchi Past, present and future in Finmeccanica Alenia Aermacchi A cura di Alenia Aermacchi

L’esperienza di IMAST The IMAST experience E. Milella, A.Cammarano

VETRINA

Una nuova filiera per il riciclo di fibre di carbonio A new value chain for the recycled carbon fibers Alessandra Passaro, Antonella Tarzia

Il progetto “Miniproto 2015” The “Miniproto 2015” project A cura di SkyronLab Design

Comincia la ripresa!

I compositi per l’architettura di interni Composite materials for interior Marco Regi, Francesco Sintoni

ANTEPRIMA JEC 2015

Progetto grafico impaginazione e fotolito Photo type – setting 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 Sara Sturla

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Pubblicità e Marketing via Delle Foppette, 6 20144 Milano – Italy tel. +39 0236517115 fax. +39 0236517116 e-mail: marketing@tecneditedizioni.it

Stampa - Printed by Bonazzi grafica - Sondrio

Emilia3: non è un aeroplano, ma quasi Emilia3: not an airplane, but very close to it Marco Giachi, Matteo Martignani, Stefano Maglio

Registrazione al tribunale di Milano n. 189 del 20/03/2006

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 A. Cammarano Danilo Bardaro M. Bernabei Alessandro Bozzolo E. Dati G. De Angelis Marco Giachi Stefano Maglio M. Marrone Matteo Martignani E. Milella M. Natali Alessandra Passaro M. Rallini Marco Regi Francesco Sintoni Antonella Tarzia L. Torre Donato Zangani

Compositi

Call for papers 4° Convegno nazionale

Workshop e seminario a Compotec 2015

Il 6 e 7 maggio 2015 Assocompositi organizza il suo 4°Convegno Nazionale presso Fiera Milano-Rho nell’ambito di PLAST 2015. Il Convegno, realizzato in collaborazione con Assocomaplast e Macplas, si svolgerà in 4 sessioni parallele, permettendo così ai partecipanti di visitare sia il salone PLAST che EXPO Milano 2015. I contributi dovranno essere presentati sotto forma di abstract ed essere inviati a: ufficiostampa@assocompositi.it entro il 27 febbraio 2015 con l’indicazione di una delle aree tematiche riportate di seguito. AREE TEMATICHE: Costruzioni - Materiali e tecnologie Automotive - Nautica - Sostenibilità e impatto ambientale.

Nell’ambito di Compotec 2015 (Carrara 4-6 febbraio) Assocompositi ha organizzato un workshop pratico di tre giorni dedicato alla tecnologia RTM (coordinato dal Prof. Andrea Ratti del Politecnico di Milano). Nel corso delle diverse fasi delle dimostrazioni si sono alternati interventi tecnici dedicati a tecnologie e soluzioni per il settore dei compositi (distaccanti, preforme, resine, rinforzi, incollaggi, software) e processi produttivi razionalizzati basati sulla tecnica RTM. Ringraziamo i Soci e le aziende che hanno contribuito con la loro collaborazione al successo dell’iniziativa: MVP Italia, OCV Italia, Brandolph, Polynt, Resintex, BComp, DIAB, Scott Bader, Politecnico di Milano. Al workshop si è aggiunto, il 4 febbraio, il seminario tecnico gratuito “Programmi di simulazione e nuove tecnologie per la riduzione dei costi e dell’impatto ambientale nella produzione di compositi strutturali” al quale hanno contribuito Università di Roma, Rivierasca, CETMA, Euroresins, MSC.Software, Vetorix, Selcom, MathFem e Quanta. I programmi di workshop e seminario tecnico e gli atti sono disponibili nel nostro sito www.assocompositi.it

ISCRIZIONI INDIVIDUALI - - - -

2 giornate: 400 Euro (ridotta: 300 Euro) 1 giornata: 250 Euro (ridotta: 200 Euro) 1 sessione (2 h): 150 Euro (ridotta: 100 Euro) studenti (2 gg): 150 Euro (ridotta: 100 Euro)

Le quote ridotte Assocompositi.

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Promozione “EARLY BIRD”: A tutti i partecipanti che si iscriveranno entro il 1° aprile sarà offerto un biglietto di ingresso gratuito per EXPO Milano 2015.

SPONSOR SESSIONE TEMATICA 1200 Euro - DESK collocato all’ingresso del LEM 3 - due quote di iscrizione individuali per due giorni - logo in evidenza nella comunicazione - depliant inserito nello shopper del Convegno - 10 ingressi omaggio per una giornata - Pacchetti Clienti da 5 ingessi per una giornata (500 Euro).

Comitato scientifico Prof. L. Ascione (Univeristà di Salerno), Prof. C. Poggi (Politecnico di Milano), Prof. A. Maffezzoli (Università del Salento), Prof. M. Quaresimin (Università di Padova), Prof. A. Ratti (Politecnico di Milano), Prof. V. Carvelli (Politecnico di Milano), Ing. M. Iannone (Alenia Aermacchi), Prof. R. Frassine (Politecnico di Milano). Il modulo di iscrizione è già disponibile online. Per ulteriori informazioni vi invitiamo a visitare il nostro sito www.assocompositi.it

Compositi

JEC Europe 2015 Per il terzo anno consecutivo Assocompositi coordina il Padiglione italiano all’interno di JEC Europe che si terrà a Parigi dal 10 al 12 marzo prossimi. L’area collettiva è situata nella hall 7.3, stand K53. I co-espositori saranno i Soci: ICR, CEL, Dear Composites, Compositi Magazine, Mates, Maroso, Vetorix. Vi invitiamo calorosamente a visitarci!

Anti-dumping Alla fine del 2013 la Commissione europea aveva avviato un riesame intermedio delle misure antidumping in vigore sulle importazioni di fibra di vetro dalla Cina. Dopo un’indagine approfondita durata circa un anno, la Commissione ha deciso di imporre a partire dal 24 dicembre 2014 un dazio compensativo definitivo sulle importazioni di fili di fibra di vetro tagliate, di lunghezza non superiore a 50 mm; roving di fibra di vetro, esclusi roving in fibra di vetro che sono impregnati e rivestiti e subiscono una perdita alla combustione superiore al 3% (come stabilito dalla norma ISO 1887) e stuoie fatte da filamenti di fibra di vetro, ad eccezione dei feltri di lana di vetro, attualmente classificati ai codici NC 7019 11 00, ex 7019 12 00 (codici Taric 7019 12 00 21, 7019 12 00 22, 7019 12 00 23, 7019 12 00 25, 7019 12 00 39) e 7019 31 00 e originari della Repubblica popolare cinese. Per ulteriori dettagli si prega di consultare il sito di EuCIA: http://www.eucia.eu/news/trade-defence-measures/

N O N - D E S T RU C T I V E I N S P E CT IONS F O R C O M P O S I T E M AT E R IA L S

Indagine di mercato semestrale

NG G IN

NON-DE ST IN-HOUS RU E P RO A C

SPECTION S E IN IV -SITE TES CT D ON TS W E R R N DU I TI N E NSULT I CO A IN TR

Le Associazioni nazionali affiliate ad EuCIA (European Composites Industry Association) hanno promosso un’indagine presso i loro membri per monitorare lo sviluppo presente e futuro della situazione di mercato in Europa. L’indagine verrà condotta ogni sei mesi presso tutti i Paesi europei aderenti e due volte all’anno (luglio e gennaio) verrà rilasciato il “Composites Development Index”. I Soci Assocompositi riceveranno in esclusiva l’analisi dettagliata di tutte le risposte raccolte. Vi invitiamo quindi a partecipare all’indagine per contribuire ad aggiornare la conoscenza dei trend di mercato dell’industria europea. Per informazioni: info@assocompositi.it

Core Technologies

Ultrasound Phased Array

Main sectors of application

Nuovi Soci Siamo lieti di dare il benvenuto tra i nostri Soci a ParkLab, la prima web agency che declina l’esperienza nel digital-marketing al settore materiali compositi. www.parklab.eu

Computed Tomography

automotive

Padiglione Italia a Composites Europe 2015 Assocompositi e Reed Exhibition rinnovano la collaborazione per organizzare il Padiglione Italia a Composites Europe 2015 che si terrà a Stoccarda dal 22 al 24 settembre. Per i nostri Soci gli stand saranno disponibili a un prezzo fortemente scontato. Il layout dell’area e i dettagli dell’offerta possono essere richiesti sin da ora alla nostra Segreteria: info@assocompositi.it

CALENDARIO PROSSIMI EVENTI Fiere

Convegni

JEC Europe 2015 10-12 marzo, Francia

8th International Conference on Bio-based Materials 13-15 aprile, Germania

Aircraft Interiors Expo 14-16 aprile, Germania Composites Australia 22-23 aprile, Australia Techtextil 4-7 maggio, Germania PLAST2015 5-9 maggio, Italia Polymer Composites 2015 20-21 maggio, Rep. Ceca

UTECH Europe 14-16 aprile, Netherlands 4° Convegno nazionale Assocompositi 6-7 maggio, Italia

aerospace

Active Thermography

marine Low Frequency Methods racing

WORLDWIDE

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SAMPE China 27-20 maggio, Cina ICMAC 2015 24-25 giugno, UK

JEC Americas Huston 2-4 giugno, USA Paris Air Show 15-21 giugno, Francia

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De Angelis G., Dati E., Marrone M., Bernabei M. Centro Sperimentale di Volo, Reparto Chimico, Aeronautica Militare Italiana, Aeroporto De Bernardi, Pomezia (Roma)

Valutazione non distruttiva di danni da impatto a bassa velocità su laminati compositi sottili Analisi delle tecniche di termografia infrarossa e di ultrasonic phased arrays nella valutazione del danno da impatto appena visibile. Viene presentata un’indagine sugli impatti a bassa velocità su laminati compositi e attuato un confronto delle loro capacità rispetto a tale applicazione.

a struttura di un velivolo può essere soggetta, durante la sua vita operativa, a numerosi eventi di impatto che possono essere classificati come: (a) danno da impatto appena visibile (BVID, Barely Visible Impact Damage), con energia in un intervallo di 5-25 J [1], in genere prodotto da ghiaia e detriti sulla pista (durante il decollo e/o l’atterraggio), caduta di attrezzi (durante la manutenzione) e/o errori durante l’assemblaggio di parti del velivolo stesso; (b) impatto ad alta velocità (HVI, High-Velocity Impact), la cui velocità può raggiungere i 2500 m/s [2], e che può essere prodotto da collisioni con uccelli e/o impatti balistici. I BVID sono difficili da osservare. Di conseguenza, la durevolezza dei prodotti basati sui laminati compositi può essere influenzata da danni da delaminazione, che possono portare allo sviluppo di fratture quando i componenti strutturali sono soggetti a carico a fatica [3-4]. Tecniche di controllo non distruttive (NDT, Non-Destructive Testing) come le prove a ultrasuoni (UT, Ultrasonic Testing) sono state utilizzate per fornire una valutazione non distruttiva (NDE, Non-Destructive Evaluation) di dela-

minazioni soprattutto nel settore aerospaziale. Le tecniche basate sugli ultrasuoni in configurazione “phased array” offrono due vantaggi chiave rispetto ai trasduttori monolitici tradizionali. Innanzitutto, un particolare array è in grado di effettuare una gamma di diverse ispezioni da un singolo punto ed è quindi più flessibile di un trasduttore a singolo elemento. In secondo luogo, la maggior parte dei tipi di array può essere usata per produrre immagini per ogni zona esaminata, permettendo una rapida visualizzazione della struttura interna di un componente [5-8]. Tuttavia, la richiesta di ispezionare ampie aree e la necessità di usare un elemento di accoppiamento tra le sonde a ultrasuoni e la superficie degli oggetti da testare ha portato la comunità dei NDT a sviluppare tecniche alternative che includono la termografia transiente (TT), la termografia modulata o lock-in (LT), la termosonica, anche nota come termografia a ultrasuoni o vibrotermografia (SIR), e la shearografia digitale (DISH) [9-18]. Lo scopo di questo lavoro è presentare un’indagine sperimentale di impatti a bassa velocità (LVI, Low Velocity Impact) su laminati compositi sottili di resi-

Fig.1:

Sistema in autoclave e

Compositi

set-up con sacco da vuoto [19]

na epossidica (matrice) rinforzata da fibra di carbonio (rinforzo). In particolare vengono descritti i metodi NDT, come per esempio le metodologie LT, SIR e ultrasonic phased array (UPA). I risultati hanno mostrato che la SIR è un metodo rapido ed efficiente per localizzare i danni e fornirne una valutazione semiquantitativa. D’altro canto, l’utilità della tecnica UPA è l’analisi delle parti interne degli oggetti da misurare, così da permettere un raffinamento della NDE per ognuno dei siti danneggiati. I risultati dei NDT riguardo all’estensione delle aree danneggiate e ottenuti usando tecniche termografiche sono quindi confrontati con quelli ricavati dalla tecnica UPA. MATERIALI E METODI Materiali Per preparare i provini e realizzare i test sperimentali si sono prese in considerazione le norme della American Society for Testing and Materials (ASTM). Si è usato il prepreg M10.1/38%/UD300/ CHS (resina epossidica rinforzata con fibra di carbonio unidirezionale) per preparare 9 lastre campione in composito. Dopo il processo di lay-up manuale,



la piastra in composito è stata posta nell’autoclave (nota 1) usando un apparato standard con sacco da vuoto, mostrato in figura 1, con un sistema da vuoto impostato a 0.8 bar (0.08 MPa). I laminati compositi sono stati realizzati sovrapponendo 16 strati dalle dimensioni di 150x100 mm aventi spessore pari a 4.0 mm e con una sequenza [45/0/ -45/90]2S [19, 20]. Al fine di verificare l’effetto di impatti a bassa velocità su strutture composite, tutte le piastre campione sono state equamente ripartite in tre gruppi denominati CmIMn, con 1 ≤ (m; n) ≤ 3, soggette a danno rispettivamente a tre diverse energie, cioè 8 J, 12 J e 20 J, all’interno dell’intervallo tipico per i BVID [1]. La sessione di prove di caduta a bassa velocità è stata eseguita seguendo la procedura descritta nella specifica ASTM D7136/D7136M32 e usando una torre di caduta, come mostrato in figura 2. Il peso è stato realizzato in alluminio, con una geometria emisferica avente un raggio pari a 16±0.1 mm e una massa di 5.5±0.25 kg [21]. Prove non distruttive Per impatti che non risultano in una completa penetrazione del bersaglio, gli esperimenti indicano che il danno consiste in delaminazione, fessurazione della matrice e rottura della fibra. La delaminazione è il distacco tra lamine adiacenti e riduce significativamente la resistenza del laminato. Studi sperimentali riportano che la delaminazione avviene solo all’interfaccia tra strati con diverso orientamento delle fibre. Perciò quando un laminato viene colpito sulla superficie superiore, all’interfaccia tra strati aventi diverso orientamento delle fibre,

l’area delaminata ha una geometria molto simile a una “forma a nocciolina” col suo asse maggiore orientato lungo la direzione delle fibre nello strato inferiore a quella specifica interfaccia. Ne risulta che il danno creatosi tra gli strati evolve nel senso di un aumento dello sforzo di taglio interlaminare. Queso meccanismo si sviluppa in un danno addizionale discreto che occorre tra strati adiacenti assumendo una forma “a pino” (figura 3) nello spessore della piastra. Il processo di danno progressivo si interrompe quando l’energia dell’impatto è insufficiente ad attivare un qualche meccanismo di frattura [2-4]. Sono necessari metodi con cui poter rivelare la presenza di danni da impatto su tutta la struttura. Il primo compito è determinare se sia presente una zona danneggiata, dove essa sia localizzata e in tal caso quale sia la sua estensione. Nella gamma delle tecniche NDT, viene usato il test a ultrasuoni (UT) per visualizzare danni interni su grandi aree, con l’obiettivo di fornire una proiezione di tutta l’area danneggiata. In particolare, l’uso dello UT è di aiuto nella comprensione di come le delaminazioni sono distribuite nello spessore dell’oggetto in analisi. Questa informazione è necessaria come base per sviluppare un modello ai fini di una previsione sull’evoluzione del danno durante l’impatto [5-8]. Sebbene la metodologia a ultrasuoni sia di gran lunga la più applicabile e utilizzata, altri metodi NDT come la termografia ottica e al SIR sono di uso corrente per effettuare un’analisi rapida delle superfici vulnerabili dei compositi. La presenza di un’area danneggiata causa un rilascio anomalo di un flusso di calore,

che può essere identificato tramite un gradiente di temperatura misurabile registrato da una camera a infrarossi e visualizzato come mappa termica [9]. Termografia ottica Nel setup ottico di base, la TT e la LT vengono generalmente eseguite con le lampade alogene e la camera infrarossa posizionate dalla stessa parte rispetto all’oggetto (fig.4). Nel primo caso, l’oggetto in analisi è eccitato da un lungo impulso di riscaldamento termico e quindi sia il riscaldamento

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Fig.3: Sezione schematica di un laminato sottile soggetto a impatto

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 Fig.2: a Macchina di prova con torre di caduta presso il Reparto Chimico del Centro Sperimentale di Volo, b gamma delle energie di impatto a bassa velocità

Fig.4: Esempio di set-up sperimentale per termografia ottica. (1) Camera IR, (2) sorgente di calore, (3) oggetto da analizzare

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- Valutazione non distruttiva di danni da impatto a bassa velocità su laminati compositi sottili che il decadimento termico sono registrati da una camera IR. I dati sperimentali raccolti sono ulteriormente elaborati per estrarne fase e ampiezza con un’analisi che sfrutta la trasformata di Fourier. Un sistema operante secondo questa procedura può valutare la frequenza più appropriata da applicare successivamente con il metodo lock-in per l’identificazione e localizzazione del danno. In questo secondo approccio, l’energia generata da lampade alogene è fornita all’oggetto in esame sotto forma di onde termiche periodiche. L’onda termica propaga nel materiale e subisce riflessioni ai bordi. La modulazione di temperatura alla superficie è modificata dalle onde termiche che riemergono dall’interno del componente. Quindi una camera termica cattura il pattern di interferenza oscillante così prodotto. Fase (j) e ampiezza di queste onde sono calcolate così da fornire informazioni su difetti profondi nascosti. In particolare, nell’immagine di ampiezza la lunghezza di diffusione termica (m) restituisce la gamma di profondità:

  

Dove (α) rappresenta la diffusività termica e (f) è la frequenza d’onda. La massima profondità che può essere raggiunta usando l’immagine di fase è pari a 1.8 μ [9]. Nella figura 5 sono mostrati i risultati della TT relativi all’indagine NDT effettuata sia sul lato che ha subito l’impatto che su quello opposto del provino danneggiato da impatto a 20 J. La presenza di danni da impatto causa la diminuzione della conduzione del calore locale. In questo modo, in prossimità della Regione di Interesse (ROI) si osserva una distribuzione anormale di temperatura apparente. L’analisi TT è stata sperimentata anche sulla faccia opposta a quella colpita. Il risultato è che si è dimostrato che la regione danneggiata è formata da delaminazioni multiple sovrapposte, localizzate a profondità variabile tra la superficie superiore e quella inferiore. Dall’esame della distribuzione della mappa di fase risulta che la morfologia delle delaminazioni ha una geometria simile alla forma di una nocciolina, come rappresentato in figura 6a. La determinazione dell’area danneggiata è stata condotta usando un algoritmo sviluppato in linguaggio Matlab. I risultati della LT offrono un’analisi più dettagliata grazie all’indagine selettiva attraverso lo spessore del laminato. Questa tecnica è stata ottimizzata preliminarmente usando un oggetto test (fig.6) realizzato con difetti artificiali dallo stesso diametro e posti da 1.7 mm a 4.0 mm dal lato analizzato. Tale piastra

test in polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP) è stata realizzata con una sequenza (0, ±45, 90)s e uno spessore totale di 4.0 mm. Si è trovato che variando da 0.1 Hz a 0.04 Hz la frequenza di operazione, dipendentemente dalla diffusività termica del materiale, ve-

nivano rivelati i difetti più superficiali e successivamente quelli più profondi. In letteratura si riporta che per delaminazioni sovrapposte i dati sperimentali della LT sono simili, nella forma dell’immagine di fase, a quelli ottenuti per una delaminazione singola.

a Fig.5: ROI

Danno da impatto misurato tramite TT,



b b

decadimento termico registrato nella regione integra e nella



Fig.6: a Ispezione con transiente termico del campione colpito a 20 J, distribuzione della mappa di fase e contorni di delaminazione; b Decadimento termico nella regione integra e nella ROI

a Fig.7: Ottimizzazione preliminare della termografia ottica lock-in a

b a

0.1 Hz e



0.04 Hz

Compositi

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Fig.8: Finestra di analisi di termografia lock-in con delaminazione a - 45° e +45° e c a - 45° e 90°; b diagramma sinusoidale della temperatura apparente per un provino colpito a 20 J stimolato con b frequenza 0.04 Hz e d 0.1 Hz a



b Coupling

Fig.9: a Esempio di apparato sperimentale SIR per NDE di materiali aerospaziali. (1) Camera IR, (2) sonotrodo da saldatura, (3) intelaiatura di alluminio, (4) provino. b Accoppiamento tra lo horn e la superficie in esame

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- Valutazione non distruttiva di danni da impatto a bassa velocità su laminati compositi sottili -

 Fig.10: Indagine termosonica – Relazione tra l’energia di impatto e l’aumento di temperature della zona danneggiata Per questa ragione la valutazione quantitativa dei difetti su tutti i siti colpiti è stata realizzata usando le frequenze ottimizzate per la LT [9]. In figura 7 sono mostrati i test di valutazione lock-in coi tracciati sinusoidali di temperatura alla frequenze di eccitazione corrispondenti per un campione oggetto di impatto a 20 J. Dalla gamma di profondità ricavata da questa indagine del provino è possibile associare le posizioni delle delaminazioni rivelate. Termografia ultrasonica infrarossa (SIR) Questa tecnica è basata sugli effetti generati su di una struttura oggetto di indagine quando stimolata da un sonotrodo da saldatura usato come sorgente acustica, il cui spettro di vibrazione risultante contribuisce al rilascio di calore dalle regioni con difetti [15-18] [20-21]. L’apparato impiegato in questo lavoro (fig.9) è dotato di un sonotrodo ultrasonico pressato contro la superficie dell’oggetto in esame e di una camera infrarossa sincronizzata per rivelare l’aumento locale di temperatura. Nella SIR l’aumento di temperatura è dovuto allo sfregamento tra le due facce di un difetto quando soggetto a un impulso di eccitazione, indotto esternamente, tra un istante anteriore e quello successivo al riscaldamento. La sessione di prova è stata condotta trasferendo un impulso ultrasonico di eccitazione (nota 2) alle piastre campione CmIMn e con un’ulteriore analisi tramite trasformata di Fourier al fine di fornire la selezione delle immagini di interesse. Di conseguenza gli esperimenti sono stati eseguiti controllando sia l’evoluzione della temperatura, sia soprattutto l’estensione delle aree danneggiate, come mostrato in figura 10. L’uso di un algoritmo di trasformata di Fourier ha permesso l’analisi dell’andamento termico temporale durante la fase di eccitazione. Perciò sono state anche identificate le frequenze lock-in appropriate ed è

stata ricavata la profondità di diffusione termica, Equazione (1), nel modo sopra indicato. Test a ultrasuoni Il metodo di indagine a ultrasuoni è basato sulla capacità di appropriati trasduttori elettroacustici di generare onde ultrasoniche nell’oggetto in esame per mezzo della vibrazione di uno o più elementi piezoelettrici, e di rivelare i fenomeni di riflessioni, rifrazione e diffrazione delle onde all’interno del materiale esaminato [5, 6]. In particolare, il concetto del phased array è basato sull’uso di trasduttori costituiti da elementi individuali che possono essere comandati indipendentemente. Queste sonde sono connesse a unità di azionamento appositamente adattate così da permettere un’emissione e ricezione indipendente e simultanea su ogni canale comandato. Queste unità sono anche in grado di realizzare, sia durante l’emissione che la ricezione, i diversi ritardi temporali elettronici per ogni canale. Gli array possono essere usati per la NDE in un’ampia gamma di modalità di indagine. In questo lavoro, l’approccio più semplice è stato posizionare l’array parallelamente alla superficie della struttura da esaminare e accoppiarlo attraverso un qualche mezzo di accoppiamento intermedio, come mostrato in figura 11. Nella scansione B un sottoinsieme degli elementi dell’array (definito l’apertura) è stato usato (fig.11a) per ispezionare il componente e i segnali riflessi sono stati tracciati in forma di ampiezza o tempo di volo (TOF). I dati del NDT presentati in questo articolo sono stati raccolti usando un’attrezzatura (fig.11b) che include un generatore di segnali ultrasonici e uno strumento di acquisizione dell’eco con uno schermo e un menu user-oriented per le operazioni I/O, una sonda a 10 MHz con 64 elementi sia per l’emissione che la ricezione del fascio di ultrasuoni, e un braccio per la sonda chiamato Sinus.

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Fig.11: a Tecnica di analisi a scansione elettronica; b Apparecchiatura Sinus Metalscan Tecnatom Il braccio ha due encoder di posizione al fine di ottenere la posizione relativa della sonda rispetto alla superficie del provino, un PC con un software dedicato che permette varie operazioni in tempo reale e il trattamento successive dell’immagine, come per esempio modifica della scala di colori, ingrandimento, diverso angolo di visualizzazione, sezioni, immagini 2D e 3D, eccetera. Un C-scan è una vista 2D di data ultrasonici rappresentati come vista dall’alto o frontale del campione in esame. Uno degli assi è l’asse di scansione, l’altro è l’asse di indice. Con i sistemi a ultrasuoni convenzionali, entrambi gli assi sono meccanici, mentre con i linear phased array un asse è meccanico e l’altro è elettronico. In questo caso solo il TOF per ogni punto (pixel) viene proiettato su questa vista di “indice di scan”, noto in gergo tecnico come C-scan. Il TOF è il tempo in cui le onde ultrasoniche viaggiano dagli emettitori alla sottile parete posteriore per tornare infine al ricevitore.

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- Valutazione non distruttiva di danni da impatto a bassa velocità su laminati compositi sottili Una procedura standard di calibrazione è stata preliminarmente eseguita in modo da correlare il TOF all’effettiva profondità di delaminazione. Dunque le misurazioni phased array sono state usate per valutare la posizione di ognuna delle delaminazioni su tutto lo spessore per tutti i campioni, e anche per la risoluzione della loro distribuzione relative, l’orientamento e l’estensione sul sito di impatto, come mostrato nella figura 12.

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NDE Delamination geometry: peanut shape Extension of Damaged Area: 364 mm2 Deepest delamination detected: 2.8 mm (+45°) shallowest delamination detected: (0.5-1.0) mm (90°)

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Fig.12: C-scan, con TOF in codice colore, eseguito dall’apparecchiatura Metalscan sul provino C1IM2 colpito a un’energia di 12 J

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CONFRONTO E ANALISI DATI Tutti i provini CnIMm sono stati testati con tecnologie IRT e i dati ottenuti sulle regioni danneggiate sono stati normalizzati a quelli ricavati con la tecnica UPA. Quindi, in questo confronto le risultanze sperimentali valutate tramite l’uso dell’ultrasonic phased array sono state assunte come equivalenti all’estensione effettiva dei siti colpiti. Risultati e confronti sono mostrati in figura 13, la quale indica che, tra le tecnologie a infrarossi, l’accuratezza della burst phase termography o vibrotermografia (SIR) nel valutare l’estensione delle regioni difettose è in media non minore del 93% se confrontanta coi dati NDT ottenuti tramite ultrasonic phased array.

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Saremo presenti al Jec Europe 2015 – 10/11/12 marzo Parigi, Francia – Pad. 7.3 Stand F 47

- Valutazione non distruttiva di danni da impatto a bassa velocità su laminati compositi sottili D’altra parte, nel caso della termografia ottica, sperimentata in modalità di transiente termico (TT), si può vedere che la TT tende a sottostimare l’area del danno e l’efficacia è provata solo per la rivelazione del danno da impatto. CONCLUSIONI L’obiettivo di questo lavoro era indagare gli effetti generati su strutture composite quando soggette a impatti a bassa velocità combinando tecniche non distruttive alternative. Di conseguenza sono stati preparati laminati compositi, che sono poi stati soggetti a impatto con diversi livelli di energia e infine analizzati. I principali risultati del NDT evidenziano che la SIR è dimostrata come un metodo intrinsecamente veloce di ispezione, che permette sia un test di tipo pass/fail che una valutazione semiquantitativa dei diversi BVID. D’altra parte, il metodo UPA è stato usato per integrare le metodologie di termografia infrarossa al fine di raffinare la NDE delle regioni danneggiate, ovvero la mappatura della profondità delle delaminazioni nel composito, la morfologia e la propagazione del danno da impatto attraverso l’intero spessore dell’oggetto analizzato.

Note 1: Attrezzatura presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale, Università di Roma “La Sapienza”. Note 2: La Burst Phase Thermography (BPT) è una tecnica sperimentale con cui si può eseguire la SIR. BIBLIOGRAFIA/REFERENCES

[1] Airbus. (2005). AITM1-0010. Fiber reinforced plastics. Determination of compression strength after impact. Airbus Standard. Blagnac Cedex, France: Airbus S.A.S. [2] G.A. Schoeppner, S. Abrate Composites: Part A 31 (2000) 903–915. [3] Becz S, H. J. (16th International conference on composite). Analysis of barely visible impact damage for aerospace structures. [4] Davies G, O. R. (2004). Impact on composite structures.108:1089. Aeronaut J. [5] Olympus NDT. (2007). Advances in Phased Array Ultrasonic Technoly Applications. [6] Chatillon S, C. G. ( (2000)). Ultrasonics, 38, (131-4). [7] Steve Mahaut, J.-L. G. ((2004)). Ultrasonics 42, 791–796. [8] Scarponi, C. B. ((2000)). Ultrasonic technique for the evaluation of delaminations on CFRP, GFRP,. Composites, Part B (31), (237-243). [9] Maldague, X. (2001). “Theory and practice of Infrared Thermography for Non Destructive Testing”. Canada: John Wiley & Sons. [10] Zou, L. L. (2000). “Journal of Sounds and Vibration” (Vol. 230 (2)).

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Fig.13: Confronto tra aree danneggiate misurate per tutti i provini CmIMn, rispettivamente per la superficie anteriore a e posteriore b . I risultati dello NDT ottenuti dalla termografia transiente (TT) e dalla termografia ultrasonica infrarossa (SIR) sono normalizzati a quelli ottenuti tramite la tecnica UPA

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NDE of low velocity impact damage on thin composite laminates Evaluation Infrared Thermography (IRT) techniques and Ultrasonic Phased Arrays (UPA) at assessing Barely Visible Impact Damage (BVID). An investigation of low velocity impacts on composite laminates is presented and then a comparison amongst their capabilities for such application is carried out.

he structure of an aircraft can be subject, during the operating life, to numerous impact events that can be classified as: (a) Barely Visible Impact Damage (BVID), with energy in range of 5–25 J, [1], generally produced by gravel and debris on the track (during take-off and/ or landing), drop of tools (during maintenance) and/or errors during the assembly of parts of the aircraft itself; (b) High-Velocity Impact (HVI), which speed can reach up to 2500 m/s [2], and can produced by bird strikes and/or ballistic impacts. BVID are difficult to observe. As a consequence, the durability of composite laminates based products can be affected by delaminating damage, which may develop to failures when structural components are under fatigue loading [3-4]. Traditional NDT technique, such as Ultrasonic Testing (UT), has been used to provide the Non-Destructive Evaluation (NDE) of delaminations especially in the aerospace sector. Ultrasonic arrays based techniques offer two key advantages over standard monolithic transducers. Firstly, a particular array is able to undertake a range of different inspections from a single location and therefore is more flexible than a single element transducer. Secondly, most types of array can be used to produce images at each test location allowing rapid visualization of the internal structure of a component [5-8]. However, the need to inspect large areas and the necessity to use a coupling agent between ultrasonic probes and the surface of the test objects has led the NDT community to develop alternative techniques that include Transient Thermography (TT), Lock-in Thermography (LT), Thermosonics as well-known as Sonic Infrared (SIR) and digital shearography (DISH) [9-18]. The aim of this work is to show an experimental investigation of Low Velocity Impacts (LVI) on thin composite laminates of epoxy resin reinforced (matrix) by

carbon fiber (reinforcement). In particular, NDT methods, i.e. LT, SIR as well as Ultrasonic Phased Array (UPA) methodologies are described. The results showed that SIR is a quick and effective method to localize and to provide a semi-quantitative evaluation of damages. On the other hand, the use of UPA is to investigate the internal parts of the test objects allowing the NDE refinement for each flawed site investigated. NDT results, related to the extension of damaged areas, achieved by using Thermographic methodologies are compared to those attained by UPA technique eventually. MATERIALS AND METHODS Materials American Society for Testing and Materials (ASTM) standards were taken into account to manufacture the specimens and to realize the experimental tests. The prepreg M10.1/38%/UD300/CHS (epoxy resin reinforced by carbon fiber unidirectional) was used in order to prepare Nr. 9 composite test plates. After the hand-lay-up process, the composite plate was put in the auto-clave (note 1) using standard Vacuum Bag assembly, shown in the figure 1, with vacuum system set to 0.8 Bar (0.08 MPa). The composite laminates were made by laying up 16-ply with dimensions of 150x100 mm having thickness equal to 4.0 mm and with [45/0/-45/90]2S as stacking sequence [19, 20]. In order to verify the effect of low velocity impacts on composite structures, all test plates were equally divided in three batches named CmIMn, with 1 ≤ (m; n) ≤ 3, respectively damaged at three different energies, i.e. 8J, 12J, 20J, as comprised within the typical interval of BVID [1]. The session of low velocity drop-tests was carried out by following the procedure described on ASTM D7136/ D7136M32 specification and using a drop tower testing machine, as shown in the figure 2. The impactor was made of aluminum with hemispherical geo-

metry having radius equal to 16.0±0.1 mm, with a mass of 5.5 ±0.25 kg [21]. Non Destructive Testing For impact that do not result in complete penetration of the target, experiments indicate that damage consists of delamination, matrix cracking and fiber failure. Delaminations is the debonding between adjacent laminas and significantly reduce the strength of the laminate. Experimental work report that delaminations occurs only at interface between plies with different fiber orientation. Therefore, when a laminate is impacted on its top surface, at interface between plies having different fiber orientation, the delaminated area has a geometry very similar to a “peanut shape” with its major axis oriented along the direction of the fibers in the lower ply at that specific interface. As a result, the intra-ply damage evolves to increase interlaminar shear stress. This mechanism develop to additional discrete damage occurring between adjacent plies forming a “pine tree” shape, figure 3, at the plate thickness. This progressive failure process stops when the impact energy is insufficient to activate any failure mechanism [2-4]. Methods by which detecting the presence of impact damage over the whole aerospace structure are needed. The first activity is to determine if the flawed region is present, where it is located and its extension eventually. Amongst NDT techniques Ultrasonic Testing (UT) is used to visualize internal damage over large areas with the aim to provide a projected image over the flawed region. In particular, the use of UT aid the comprehension of how delaminations are distributed across the thickness of the test object. This knowledge is required to deliver a basis to develop a model in order to predict the damage evolution during impact [5-8]. Although ultrasonic is by far the most applicable and used methodology, other NDT methods such as optical thermo-

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- NDE of low velocity impact damage on thin composite laminates graphy and SIR are currently used to make a fast screening over composite vulnerable surfaces. The presence of a defective area causes an anomalous release of heat flux that can be identified by a detectable gradient of temperature recorded by an infrared camera and visualized as a thermal map [9]. Optical Thermography TT and LT, in the basic optical setup, are generally performed with both halogen lamps and an infrared camera positioned, figure 4, on the same side with respect to the object. In the first one, the test object is excited by a long pulse of thermal heating and then both the heating and thermal decay are recorded by an IR camera. The experimental data collected are further processed to derive Phase and amplitude using Fourier Analysis transformation. A system operating in accordance with such rules can evaluate the most appropriate frequency to be applied subsequently with the lock-in method for the identification and localization of the damage. In this second approach, the energy, generated by halogen lamps, is delivered to the test object in the form of periodic thermal waves. The thermal wave propagates inside the material and undergoes reflections at boundaries. The temperature modulation at the surface is modified by the thermal waves coming back from the inside of the component. Therefore, a thermal camera captures the oscillating interference pattern produced. Phase (j) and amplitude (A) of these waves are calculated in order to supply information on hindered defects depths. In particular, for the amplitude image, the thermal diffusion (m) length gives the depth range:

  

Where (α) represents the thermal diffusivity and (f) is the wave frequency. The maximum depth, which can be reached by using the phase image, is equal to 1.8 μ [9]. In the figure 5, TT results, related to the NDT inspection performed on both impacted and opposite side of the specimen damaged at 20 J, are shown. The presence of impact damage causes the decrease of the local heat conduction. In this way, at the proximity of the Region of Interest (ROI) an abnormal distribution of apparent temperature is observed. The TT inspection was also experienced on the opposite side to the impacted side. As a result, it was proved that the flawed region is formed by multiple overlapped delaminations placed at variable depth from the top to the bottom surface. Since the exam of the phase map distribution, the morphology of the delaminations is in geometry as compatible as contours of a peanut shape as depicted in the figure 6a. The

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assessment of the damaged area was undertaken by using an algorithm, developed in Matlab language. The LT results is a more detailed investigation by selective inspection through the thickness of the laminate. The technique was preliminary optimized by using a test piece, figure 6, produced with artificial defects with the same diameter and positioned from 1.7 mm to 4.0 mm from the investigated side. This composite fiber reinforced polymer (CFRP) test plate was made with (0, ±45, 90)s as stacking sequence and with a total thickness equal to 4 mm. It was found that by varying the operating frequency, depending on the material’s thermal diffusivity, from 0.1 Hz to 0.04 Hz the shallowest and then the deepest defects were detected. In the literature, it is reported that for overlapping delaminations the experimental LT data is similar, in the form of the phase image, to those obtained for single delamination. For this reason, the quantitative flaw assessment, throughout each impacted site, was realized using the optimized LT frequencies [9]. In figure 7, the evaluation screens of lock-in and sinusoidal temperature plots of a specimen impacted at 20 J are shown at the corresponding excitation frequencies. Since the depth range derived from inspection of the sample specimen, it is possible to relate the positions of the detected delaminations. Sonic Infrared (SIR) This technique is based on the effects generated on an investigated structure stimulated by a welding horn used as acoustic source, whose resulting vibration spectra contributes to the release of heat from the flawed regions [15-18] [20-21]. The system employed in this work, figure 9, is equipped by an ultrasonic welding horn pressed against the surface of the test object and a synchronized infrared camera to reveal the local increase of Temperature. In SIR the raising of temperature is due to the rubbing between both faces of a defect when subjected to an excitation burst, induced externally, from the earlier to the total heating at time. The testing session was performed by delivering an ultrasonic pulse of excitation (note 2) over the CmIMn test plates further processed with a Fourier transform in order to provide the selection of the frames of interest. As a result, the experiments were executed by monitoring both temperature evolution and especially the extension of damaged areas, as shown in the figure 10. The use of a Fourier transform algorithm allowed the analysis of the thermal history throughout the excitation phase. Thus, the appropriate Lock-in frequencies were also identified and the thermal diffusion depth was derived, Equation (1), in the way indicated above.

Ultrasonic Testing The ultrasonic inspection method is based on the capability of appropriate electroacoustic transducers to generate ultrasonic waves in the object under examination, by means of the vibration of one or more piezoelectric elements, and to detect the phenomena of reflection, refraction and diffraction of waves inside the inspected material [5, 6]. In particular, the phased array concept is based on the use of transducers made up of individual elements that can each be independently driven. These probes are connected to specially-adapted drive units enabling independent, simultaneous emission and reception along each channel driven. These units should also be able to effect, during both emission and reception, the different electronic time delays for each channel. Arrays can be used for NDE in a wide range of inspection modalities. In this work, the simplest approach was to position the array parallel to the surface of the test structure and either couple it through some intervening coupling medium, as shown in the figure 11. In the B scan a subset of the array elements (termed the aperture) is used, figure 11a, to inspect the component and the reflected signals are plotted as Amplitude or Time of Flight (TOF). The NDT data, presented in this paper, was collected by using an equipment, figure 11b, comprises an ultrasonic signal generator and an echo acquisition instrument with a display and a user-oriented menu for the I/O operations, a 10 MHz probe with 64 elements for both the emission and reception of the ultrasonic beam, a probe arm, called Sinus. The arm has two position encoders, in order to obtain the probe position referred to the specimen surface, a PC with a dedicated software that allows several operations in real-time and the image post treatment e.g. change of color scale, zooming, different angle point of view, sections, 2-D and 3-D images, etc... A C-Scan is a 2-D view of ultrasonic data depicted as a top or plan view of the test specimen. One of the axis is the scan axis, the other is the index axis. With conventional ultrasonic systems, both axes are mechanical, whilst, with linear phased arrays, one axis is mechanical and the other is electronic. In this case, only TOF for each point (pixel) is projected on this “scan index” plan view, technically known as C-scan. TOF is the time by which ultrasonic waves travel from the emitters to the thin back wall in order to come back to the receiver eventually. A standard and preliminary calibration procedure was executed in order to correlate TOF to the effective delamination depth. Thus, Phased Array measurements were used to evaluate the location of each delamination over the thickness for all test samples and also for resolving their

relative distribution, orientation as well as extension through the impacted site as shown in the figure 12. COMPARISON AND DATA ANALYSIS All CnIMm test samples were tested with IRT technologies and the obtained data of the flawed regions were normalized to those attained with UPA technique. Therefore, in this comparison, the experimental figures, evaluated by the use of ultrasonic phased array, were assumed as equivalent as the actual extension of the impacted sites. Both results and comparison are shown in Fig. 13 which indicates that, amongst infrared technologies, the accuracy of Burst phase thermography, i.e. Sonic Infrared (SIR), at evaluating the extension of flawed regions is in average not less than 93% whether related to NDT data obtained by ultrasonic phased array. On the other hand, in the case of Optical thermography, experienced in Thermal Transient (TT) modality, we can see that TT tends to underestimate the area of the damage whose effectiveness was proved simply for impact damage detection. CONCLUSION The aim of this work was to investigate the effects generated on composite structure, subjected to low velocity impacts, by combining alternative non-destructive techniques. As a result, composite laminates were made and impacted with different energy levels and inspected. The main NDT results stress to the evidence that SIR was proved as an intrinsic fast method of inspection allowing both a pass/fail test and a semi-quantitative assessment of the respective BVID. On the other hand, UPA was to complement infrared thermography methodologies in order to refine the NDE of flawed regions, i.e. the depth profiling of composite delaminations, the morphology and the propagation of impact damage throughout the whole thickness of the test object. Note 1: Equipment kept at the Aerospace Department University of Rome “La Sapienza”. Note 2: Burst Phase Thermography (BPT) is an experimental practice by which SIR can be performed.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: (a) Auto-Clave system and (b) Vacuum Bag assembly [19] Fig.2: (a) Drop Tower testing machine kept at chemistry Department, (b) range of low velocity impact energies Fig.3: Schematic cross section of an impacted thin laminate Fig.4: Example of Optical thermography experimental set-up. (1) IR Camera, (2) Heat source, (3)Test Object Fig.5: (a) Impact damage detected by thermal TT, (b) thermal decay recorded in the soundness region and within ROI Fig.6: (a) Thermal transient inspection of the specimen impacted at 20J, phase map distribution and delaminations contours; (b) Thermal decay in the soundness region and within the ROI Fig.7: Preliminary Optical Lock-in Thermography optimization at (a) 0.1 Hz and (b) 0.04 Hz Fig.8: (a) Lock-it thermography evaluation window with delamination at - 45° and +45° and (c) at - 45° and 90; (b) sinusoidal apparent temperature plot of a specimen impacted at 20 J stimulated with (b) frequency 0.04 Hz, and (d) 0.1 Hz Fig.9: (a) Example of SIR experimental set-up for NDE of aerospace materials. (1) IR Camera, (2) Welding Horn, (3) Frame of Aluminum, (4) Test Object. (b) Coupling between the welding horn and the inspected surface Fig.10: Thermosonics inspection – Relationship between impact energy and the raising of damaged area Fig.11: (a) Electronic scanning inspection technique; (b) Sinus Metalscan Tecnatom equipment Fig.12: C-scan, with a TOF Color bar, performed by Metalscan equipment on the specimen C1IM 2 impacted by 12 J of energy Fig.13: Comparison between damaged areas evaluated for all nine CmIMn test samples respectively for front (a) and (b) back surface. The NDT outcomes obtained by Thermal Transient Thermography (TT) and Sonic Infrared (SIR) are normalized to those attained by UPA method

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L. Torre, M. Natali, M. Rallini - Università degli Studi di Perugia

Compositi e nanocompositi ablativi per l’aerospazio e per applicazioni ad elevata temperatura Gli ablativi a matrice polimerica ad alto residuo carbonioso (CPA) sono la classe più versatile di materiali per i sistemi di protezione termica (TPS). Viene evidenziato come compositi e nanocompositi basati su matrici polimeriche permettono lo sviluppo di una nuova classe di materiali per TPS con maggiore resistenza termica, migliore durata e migliori proprietà ablative.

materiali per protezioni termiche sono alla base dell’industria aerospaziale perché sono usati per proteggere le strutture di sonde e veicoli spaziali dagli ambienti ipertermici che possono generarsi durante il volo di rientro o durante la combustione di propellenti in un motore a razzo. L’ambiente in cui materiali per i sistemi di protezione termica (TPS) operano è molto severo poiché i flussi termici possono superare i 1000 W/cm2. I TPS utilizzati nei motori a razzo sono inoltre sottoposti all’azione di sottoprodotti della combustione meccanicamente erosivi e chimicamente corrosivi. I materiali polimerici ablativi ad alto residuo carbonioso (CPA) sono materiali molto versatili da usare come TPS, poiché presentano alcuni vantaggi intrinseci come resistenza agli shock termici, bassa densità, buona resistenza meccanica e elevato isolamento termico rispetto ai materiali tradizionali come ossidi o metalli. L’ablazione è un processo in cui, durante la degradazione termica del materiale, i gas generati dall’attrito con l’atmosfera (o dalla combustione) dissipano calore e, allo stesso tempo, il residuo solido (char) che rimane sui materiali vergini agisce come isolante termico [1]. Per promuovere la formazione di un residuo carbonioso solido sulla superficie dei CPA e, di conseguenza, avere una maggiore protezione termica, sono comunemente usati polimeri quali resine fenoliche, poliimmidi, bismaleimidi ed estere cianato. Le prestazioni ablative superiori di queste matrici sono legate alla loro struttura chimica e all’alta densità di reticolazione [2]: se esposte ad alti flussi termici queste resine vengono convertite in un mezzo carbonioso assorbendo una notevole quantità di calore; una volta che lo strato di char è prodotto, esso funge da isolante termico per il materiale vergine e agisce come barriera per la diffusione di ossigeno dalla superficie esposta al flusso termico.

Tuttavia, in presenza di ossigeno, il fenomeno di ossidazione del char è dominante per temperature superiori a 500°C. La figura 1 rappresenta schematicamente i principali meccanismi di ablazione; è evidente che l’efficienza della protezione termica è anche legata all’azione dei gas che, filtrando attraverso il char, assorbono il calore. Lo strato di gas che si forma in superficie può anche funzionare come una barriera che rallenta la diffusione delle specie chimiche che possono attaccare il materiale. Questi gas possono anche arricchire il contenuto di carbonio del char dissociandosi. Generalmente, il residuo carbonioso del polimero è un mezzo poco resistente e può essere facilmente rimosso dalla interazione dello schermo termico con i gas di atmosfera (o per l’azione di attrito dei prodotti di combustione). Di conseguenza, al fine di favorire la

ritenzione del char e rendere il processo di ablazione più efficace, è necessario aggiungere rinforzi adeguati ai CPA per produrre TPS compositi o nanocompositi. I CPA compositi comunemente contengono fibre di carbonio, di ossidi refrattari, o di vetro e il contenuto tipico delle fibre è del 65-75% in peso. Le fibre conferiscono buone proprietà meccaniche e riducono il tasso di erosione del materiale soprattutto in quegli ambienti ipertermici in cui l’azione erosiva del gas è molto severa. Le fibre aiutano, inoltre, ad ancorare il char sul materiale vergine minimizzando la delaminazione tra queste due parti con differenti coefficienti di dilatazione termica. In molti casi, subiscono processi endotermici (per esempio fusione o evaporazione) che contribuiscono alla riduzione del calore. Fibre di vetro o di silice possono anche reagire endotermicamente con il residuo

Fig.1: Diagramma schematico del processo ablativo [3]

Compositi

- Compositi e nanocompositi ablativi per l’aerospazio e per applicazioni ad elevata temperatura -

Fig.2: Test alla fiamma ossiacetilenica carbonioso per formare carburo di silicio. Le fibre possono essere utilizzate in forma di tessuti, nastri o fibre corte; diversi studi hanno evidenziato che fibre corte orientate in modo casuale conferiscono buone prestazioni in termini di resistenza all’erosione e proprietà meccaniche. Di conseguenza i Bulk Molding Compounds (BMC) sono una soluzione economica per la produzione di schermi termici ablativi. Se le fibre fondono, è preferibile avere un’elevata viscosità del materiale fuso poiché esso può contribuire a ostacolare la rimozione della regione carbonizzata. La stessa funzione può essere svolta da cariche micrometriche granulari come il biossido di silicio: una volta riscaldate al di sopra della temperatura di fusione, le particelle di silice formano uno strato fuso viscoso che assorbe calore e protegge il char dall’ossidazione, riducendo il tasso di ablazione del residuo carbonioso. Tuttavia, nei compositi tradizionali strutturati su scala micrometrica, le grandi regioni vuote di precursori inorganici possono portare a tassi di erosione non uniformi che rendono le superfici irregolari e quindi più vulnerabili all’erosione meccanica. Questi problemi possono essere ridotti al minimo sostituendo le tradizionali cariche micrometriche con controparti di dimensioni nanometriche. Molti tipi di nanoparticelle, come nanosilice, silicati lamellari, nanofibre di carbonio (CNFs), nanotubi di carbonio (CNT), carbon black (CB), ecc, sono spesso utilizzate nei CPA. Ad esempio l’effetto di rinforzo dei silicati stratificati sul char è dovuto alla forma lamellare delle nanoparticelle; esse creano una barriera fisica ibrida ceramico/carboniosa che protegge il materiale vergine dal calore, rallenta la fuga di sostanze volatili infiammabili e ostacola l’ossidazione termica del char agendo come barriera all’ossigeno. Un ruolo analogo è svolto da nanoparticelle di silice: la presenza di nanoparticelle ceramiche sulla superficie dei materiali in combustione può produrre uno

Compositi

scudo protettivo che migliora la stabilità del char agendo come barriera contro l’ossidazione. L’Università degli Studi di Perugia (Italia), che è stata coinvolta nello studio di materiali ablativi per oltre 15 anni, ha dimostrato l’efficacia di compositi e nanocompositi per implementare TPS rigidi e flessibili. Natali et al. [4], per esempio, hanno dimostrato la possibilità di migliorare la stabilità termica dei BMC utilizzando nanoparticelle di silice: una resina fenolica è stata caricata con 5%wt (BMC-2) e 20%wt (BMC-3) di nanoparticelle di silice e usata per impregnare fibre di vetro corte (60%wt). Un campione preparato senza nanosilice è stato utilizzato come riferimento (BMC-1). Un test alla fiamma ossiacetilenica è stato utilizzato per studiare le proprietà ablative del composito. A seconda dell’ambiente ipertermico in cui il materiale deve lavorare, ci sono molti tipi di test. Tra le diverse tecniche, il test alla fiamma ossiacetilenica (fig.2) è il più pratico e conveniente. La figura 3a evidenzia la superficie bruciata del materiale di controllo (BMC-1) e la figura 3b riassume il meccanismo di ablazione proposto: dopo l’esposizione alla torcia, le fibre di vetro vengono fuse in forma di sfere a bassa viscosità che scorrono rapidamente lontano dalla zona toccata dalla fiamma creando una corona ben definita sul bordo esterno della stessa. Questo comportamento ha portato ad un alto tasso di erosione poiché queste sfere sono facilmente rimosse dalle forze di taglio e lasciano la superficie carbonizzata non protetta. La formulazione BMC-2 testata nelle stesse condizioni (fig.3c) ha mostrato che le fibre di vetro e nano silice sono fusi insieme a formare una miscela viscosa. Le gocce di fibre di vetro fuso aderiscono meglio alla superficie bruciata ma la quantità di nanosilice è troppo bassa per fissare le gocce di vetro sotto la zona colpita dalla fiamma e le forze di taglio prodotte dai gas di combustione sono abbastanza

forti da rimuovere il fuso dalla zona colpita dalla fiamma. Tuttavia le gocce di vetro hanno formato una corona di diametro minore, confermando la maggiore viscosità del fuso e la migliore integrità del char (fig.3d). Nei campioni con contenuto superiore di nanosilice (BMC-3), la presenza dell’elevata quantità di nanoparticelle è stata in grado di congelare efficacemente le gocce di vetro fuso ad alta viscosità sotto la zona toccata dalla fiamma (fig.3f). In questo modo è stata migliorata la protezione del substrato carbonizzato: lo strato viscoso ha agito come legante ad alta temperatura proteggendo il residuo carbonizzato e aumentando l’integrità e la compatibilità della superficie carbonizzata con la massa fusa. Di conseguenza, il tasso di erosione significativamente inferiore è legato alla conservazione della superficie (fig.3e). Inoltre, poiché il substrato carbonizzato ha meglio aderito al materiale vergine, anche l’energia re-irradiata dalla superficie è aumentata. Anche le particelle a base di carbonio hanno assunto un ruolo molto rilevante nella modifica dei CPA, poiché arricchiscono la matrice polimerica di carbonio: in tal modo si può realizzare uno scudo termico più efficace, rallentare il tasso di perdita di massa e l’infiammabilità. Inoltre, la superficie carbonizzata ricca di nanoparticelle di carbonio può riemettere la radiazione incidente riducendo la trasmissione del flusso di calore e preservare la matrice da ulteriore degrado. Per esempio, Natali e collaboratori [5] hanno usato una resina novolacca in polvere contenente il 5,5-6,5%wt di esammina come matrice e CB e CNTs come riempitivi: sono state prodotte due diverse miscele, costituite da 50% in peso di matrice fenolica e 50% in peso di nanofiller. Dopo l’esposizione alla fiamma ossiacetilenica, i campioni contenenti CNTs hanno mostrato un tasso più elevato di erosione in corrispondenza della fiamma e una diffusività termica superiori a quelli contenenti CB. Inoltre, i primi mostravano una regione carbonizzata molto sottile nella zona toccata dalla fiamma. I secondi erano caratterizzati da una zona pirolizzata più spessa estesa ad una zona più ampia, che ha agito efficacemente come scudo per il materiale vergine. Recentemente gli stessi autori [6] hanno considerato l’uso di nanocarburi come riempitivi per migliorare la resistenza all’ossidazione dei TPS. Per esempio, hanno dimostrato che l’uso di carburo di boro nanometrico (n-B4C) in ambiente ossidante può migliorare significativamente la stabilità termica, ridurre l’infiammabilità e aiutare a mantenere l’integrità strutturale del CPA in cui l’nB4C è utilizzato (fig.4). Questi miglioramenti sono legati alla produzione di uno strato liquido di ossido di boro, che

- Compositi e nanocompositi ablativi per l’aerospazio e per applicazioni ad elevata temperatura formatosi a temperature elevate per ossidazione del carburo di boro, riduce la velocità di degradazione e il calore trasmesso agli strati interni del materiale. Inoltre, la pelle vetrosa prodotta dall’ossido di boro fuso agisce come strato protettivo inibendo i processi di ossidazione. Lo stesso gruppo di ricerca si occupa anche di ricerche legate allo sviluppo di materiali ablativi flessibili a matrice elastomerica. Ad esempio, negli anni novanta, il gruppo ha collaborato con Alenia Spazio e l’Agenzia Spaziale Italiana per sviluppare lo scudo termico della capsula recuperabile italiana CARINA. Sono stati in questo periodo sviluppati modelli di ablazione ad alta fedeltà per ablativi elastomerici a base di matrice siliconica a media densità Torre et al. [7]. Studi più recenti di Natali et al. [8] hanno evidenziato il ruolo di diversi rinforzi fibrosi sulle prestazioni ablative di gomma EPDM (etilene propilene diene monomer) che

sta alla base dell’isolamento termico dei motori a razzo a propellente solido (MRS). Questo tipo di matrice è comunemente modificata con nanoparticelle di silice e fibre ad alte prestazioni come il Kevlar; l’effetto sinergico di particelle e fibre garantisce la schermatura termica: alle alte temperature la nano silice fonde e forma uno strato viscoso che agisce come legante e assorbe il calore con il risultato di ridurre la perdita di massa e la velocità di erosione durante l’ablazione; allo stesso tempo il rinforzo fibroso aiuta ad ancorare il char sul materiale vergine minimizzandone la rimozione per fenomeni di spallazione. Queste competenze sono state recentemente utilizzate per lo studio del sistema di protezione termica del lanciatore Vega in collaborazione con Avio. L’introduzione delle nanotecnologie ha quindi consentito l’individuazione di una nuova classe di CPA. È chiaro che con

BIBLIOGRAFIA/REFERENCES

[1] H. Meyers, et al., S.C.I. Monograph No.13, Macmillan, New York, 1961. [2] G.K. Stephen, et al., J Appl Polym Sci, 67,349-361,1998. [3] T. Rivell, NASA/TP2006-213486, 2006. [4] M. Natali et al., Composites Part A (2011), 42, 1197. [5] M. Natali et al., Composites Parta A (2012), 43, 174. [6] M. Rallini et al., Polymer (2013), 54, 5154. [7] L. Torre et al., J Mat Sci (1998), 33, 3145. [8] M. Natali et al., Polym Deg Stab (2013), 98, 2131.

b Fig.3: Superfici bruciate del BMC-1 a , BMC-2

la crescita delle attività spaziali, anche la tecnologia dei materiali nanostrutturati per i TPS, che può essere considerata ancora in fase embrionale, sta subendo un grande sviluppo. Allo stesso tempo si stanno studiando nuove tecniche di lavorazione per la produzione di CPAs nanomodificati al fine di migliorarne l’affidabilità e diminuirne i costi di produzione.

d c

e BMC-3

e relativi meccanismi ablativi ( b ,

f d

rispettivamente) [4]

Fig.4: Composito fibro-rinforzato prima di essere bruciato a . Lo stesso materiale con matrice non modificata combustione (flusso termico applicato 50 kW/m2 per 10 minuti)

e con matrice contenente 5%wt di carburo di boro

Compositi

dopo

L. Torre, M. Natali, M. Rallini - University of Perugia

Traditional and nanostructured ablative composites for high temperature applications Charring Polymeric Ablatives (CPAs) are the most versatile class of Thermal Protection System (TPS) materials. In this article will be pointed out how composites and nano composites based on polymeric matrices allow the developing of a new class of TPS materials with a higher thermo-chemical resistance enhancing the lifetime and the performance of ablators.

hermal Protection System (TPS) materials are at the base of the aerospace industry because they are used to protect structures of probes and space vehicles from the hyperthermal environment generated during the re-entry flight or during the combustion of propellants in a rocket motor. The hyperthermal environment in which TPS materials operates is very severe because the heat fluxes exceed 1000 W/cm2. TPS intended for rocket engines also experience combustion by-products which are mechanically erosive, chemically corrosive and thermally reactive. Charring Polymeric Ablatives (CPAs) are very versatile materials to use as TPS because they exhibit some intrinsic advantages such as high heat shock resistance, low density, good mechanical strength and thermal insulation properties compared to inorganic materials such as oxides or metals. Ablation is a process in which, during the thermal degradation of the material, the gases generated by friction with atmosphere (or combustion) carry out the heat and, at the same time, the solid residue (char) that remains on the virgin material acts as a thermal insulator or a heat shield [1]. To promote the formation of a solid carbonaceous residue on the surface of PAs and, consequently, a higher thermal protection, high char yield polymers such as phenolics, polyimides, bismaleimides and cyanate esters are commonly used. The superior ablative performances of these matrices are related to their high cross-linking density and chemical structure [2]: when they are converted in a carbonaceous medium once exposed to high heat fluxes, a substantial amount of heat is absorbed and then a char layer is produced. The char acts as a barrier for the diffusion of oxygen from the exposed sur-

Compositi

face to the charring materials. However in presence of oxygen, oxidation phenomena of the char are dominant for temperature higher than 500째C. Figure 1 schematically represents the main ablation mechanisms; the thermal protection efficiency is also related to transpiration cooling gases that absorb the heat percolating through the char. The gas layer forming at the surface can also work as a diffusion barrier for the chemical species attacking the material. These gases can also enrich the carbon content of the char due to their dissociation. Generally, the carbonaceous residue of the polymer is a relatively weak medium and it can be easily removed by the interaction of the heat shield with the atmosphere gases (or by the friction action of the combustion products). As a consequence, in order to promote the retention of the char and make the ablation process more effective, it is necessary to add suitable reinforcements to the CPAs to produce composite or nano composite TPS. Fiber reinforced CPAs commonly contain carbon, refractory oxides, or glass fibers and the typical content of fibers ranges between 65-75%wt. Fibers confer good mechanical properties, reduce the recession rate of the material especially in those hyperthermal environments in which the erosive action of gases is very severe. Fibers help to anchor the char on the virgin material minimizing the delamination between these two parts with different coefficients of thermal expansion and, in many cases, they undergo endothermic processes (for example melting or evaporation) that contribute to the heat reduction. Silica and glass fibers can also endothermically react with the carbonaceous residue to form silicon carbide via carbothermal reduction.

Fibers can be used in the form of cloth, tapes or chopped strands; different studies experienced that randomly oriented chopped short fibers exhibited good performance in terms of erosion resistance and of mechanical properties. As a consequence ablative Bulk Molding Compounds (BMCs) are a cheap and common solution for the production of ablative heat shields. If the fibers experience melting, it is preferable to have a very high viscosity of the melt material because it can contribute to hinder the removal of the charred region. The same role can be played by micrometric granular fillers such as silicon dioxide powder: once heated up above the melting temperature, silica particles form a viscous melt layer that absorbs heat and protects the char from the oxidation, reducing the ablation rate of the carbonaceous residue. However, in traditional composites structured on the micron scale, large void regions of inorganic precursors can lead to local, non-uniform erosion rates that promotes surfaces roughening. These surfaces are more vulnerable to mechanical erosion. These problems can be minimized substituting the traditional micrometric fillers with nanosized counterparts. Many types of nanoparticles such as nanosilica, layered silicates, carbon nanofibers (CNFs), carbon nanotubes (CNTs), carbon black (CB), etc, are often used in CPAs. For example the reinforcing effect of layered silicates on char is due to the lamellar shape of the nanoparticles; they create a physical barrier that protects the virgin material from heat, slow down the escape of flammable volatiles, and hinder the thermal oxidation of the char acting as an oxygen barrier. Moreover, a ceramic hybrid ceramic/carbonaceous skin is produced.

A similar role is played by silica nanoparticles: the presence of ceramic nanoparticles on the surface of burning materials can produce a protective shield that improves the char stability and acts as an anti oxidative barrier. University of Perugia (Italy), which has been involved in the study of ablatives for over 15 years, demonstrated the effectiveness of composites and nanocomposites to implement rigid and flexible TPS. Natali et al. [4], for example, demonstrated the possibility to improve the thermal stability of BMCs using silica nanoparticles: a phenolic resin was loaded with 5%wt (BMC-2) and 20%wt (BMC-3) of silica nanoparticles and used to impregnate short glass fibers (60 %wt). A recipe prepared with no nanosilica was used as a benchmark (BMC-1). An oxy-acetylene torch test was used to study the ablative properties of the glass/phenolic composite. Depending on the hyperthermal environment in which the material has to work, there are many types of tests able to reproduce the different hyperthermal environments in which TPS materials must operate. Among all these different techniques, the oxy-acetylene torch test (fig.2) is the most practical and cost effective. Fig.3a highlights the burnt surface of the control recipe (BMC-1) and fig.3b summarizes a proposed ablation mechanism: after the exposure to the torch, E-glass fibers melted in the form of low viscosity, unbounded spheres that rapidly flowed away from the zone touched by the flame creating a well defined corona on the external edge of the flame. This behaviour led to a high erosion rate because these spheres were easily removed by shear forces leaving the charred surface unprotected. The BMC-2 formulation tested in the same condition (fig.3c) showed that the glass fibers and nanosilica melted together to form a viscous blend. Droplets of melted glass fibers adhered better to the burnt surface but the amount of nanosilica was too low to completely freeze the glass droplets under the zone hit by the flame and the shear forces produced by the combustion gases were strong enough to remove the melt from the zone hit by the flame. However, glass droplets formed a corona with a smaller diameter, confirming the enhanced stickiness and integrity of the char (fig.3d). On the other hand, in the higher nanosilica content specimens (BMC-3), the presence of the high amount of nanoparticles was able to effectively freeze the high-viscosity melted glass droplets under the

zone touched by the flame (fig.3f). In this way the protection of the charred substrate was improved. The viscous layer acted as a high-temperature binder holding the charred residue and increasing the integrity and compatibility of the charred surface with the melt. As a consequence, the significantly lower erosion rate was related to the preservation of the surface (fig.3e). Moreover, since the charred substrate better adhered above the virgin, the re-radiated energy from the surface was also increased. Also carbon based particles assumed a very relevant role in nano-modification of CPAs because they enrich the carbonaceous residue of carbon. A continuous protective carbon network can work better as a heat shield slowing down the mass loss rate and the flammability. Moreover, the charred surface rich in carbon nanoparticles can re-emit the incident radiation reducing the transmission of heat flux and preserving the matrix to further degradation. As an example, Natali and co-workers [5] used a powder novolac resin containing 5.5-6.5% hexamine as matrix and carbon black and carbon nanotubes as fillers: two different mixtures were produced, both consisting of 50%wt of the phenolic matrix and 50%wt of the nanofiller. After exposure to the flame of the oxy-acetylene torch, the differences in the ablative response, as a function of the type of filler, were clear: the samples containing CNTs showed a higher erosion rate under the flame plume and a higher thermal diffusivity than the ones containing CB. Moreover, the CNT based materials exhibited a very thin charred region in the zone touched by the flame whilst the CB based materials were characterized by a thicker pyrolyzed zone that was extended on a wider area, acting as a shield for the virgin material. Recently the same authors [6] considered the use of nanocarbides as fillers to enhance the oxidation resistance of TPS. For example, they demonstrated that the use of nano boron carbide (n-B4C) in oxidizing environment can significantly improve the thermal stability, reduces the flammability and helps to maintain the structural integrity of the CPA in which n-B4C is emdedded (fig.4). These improvements are related to the production of a liquid layer of boron oxide, that is formed at high temperatures by the oxidation of boron carbide, that reduces the degradation rate and the heat transmitted to the inner layers of the material. Additionally, the glassy skin produced by the liquid boron oxide acted as a

protective layer inhibiting the oxidation processes. The same research group is also involved in researches related to the development of flexible â&#x20AC;&#x201C; elastomeric based - ablation resistant heat shielding materials. For example, in nineties the group cooperated with Alenia Space and Italian Space Agency to develop the heat shield of the Italian recoverable capsule CARINA. High fidelity ablation models for elastomeric ablatives based on medium density silicone matrix were developed at that time, Torre et al. [7]. More recent studies of Natali et al. [8] highlighted the role of different fibrous reinforcements on the ablative performance of ethylene propylene diene monomer rubber at the base of the insulation of Solid Rocket Motors (SRMs). This kind of matrix is commonly modified with silica nanoparticles and high performance fibers like Kevlar; the synergic effect of particles and fibers guarantees the enhancement of heat shielding: at high temperatures silica melts and forms a viscous layer acting as a binder and absorbing more heat with the result to reduce the mass loss and erosion rate during ablation while fibrous reinforcement helps to anchor the char on the virgin material minimizing its removal due to the spallation phenomena.These efforts and skills were recently capitalized in a collaboration with Avio related to the study of the thermal protection system of the Vega launcher. TPS material science evidenced how the introduction of nanotechnology enabled the identification of a brand new class of CPAs. It is clear that with the growth of space activities, also the technology of nanostructured TPS materials, that can be considered in its infancy, is experiencing a very fast development. At the same time new processing techniques for the production of nanomodified CPAs must be studied in order to improve their reliability and decrease the manufacturing costs.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Schematic diagram of charring ablation process. From ref. [3] Fig.2: Oxy-Acetylene Torch Test Fig.3: Burnt surfaces of BMC-1 (a), BMC-2 (c) and BMC-3 (e) and their ablation mechanisms (b, d and f respectively). From ref. [4] Fig.4: Carbon fiber composite before burning (a). The same material with un-modified matrix (b) and containing 5%wt of boron carbide in the matrix (c) after burning (heat flux of 50 kW/m2 for 10 minutes)

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ggigiorno l’aviazione civile è costantemente in allerta nel timore di attentati terroristici condotti con ordigni esplosivi portati a bordo ed attivati in volo. Recenti episodi hanno dimostrato, purtroppo, la possibilità e il conseguente rischio che dell’esplosivo possa passare inosservato ai controlli sicurezza causando, se innescato, gravi danni alla fusoliera fino alla distruzione dell’aeromobile durante il volo. Dal 2009 ad oggi, Al Qaeda e gruppi affiliati hanno preparato almeno tre attacchi, fortunatamente falliti, con ordigni trasportati a bordo di voli per gli Stati Uniti. Uno è stato sventato dai passeggeri che hanno sopraffatto il terrorista suicida Abdulmutallab, su un volo da Amsterdam a Detroit [1]. Si ricordi poi la vicenda, nel 2010, del pacco bomba a bordo di un aereo cargo della UPS (toner per stampanti esplosivo), proveniente dallo Yemen e diretto in USA, sventato in Gran Bretagna senza conseguenze [2]. Un’ulteriore minaccia, non affatto trascurabile, è rappresentata dal pericolo di corruzione del personale preposto ai controlli di sicurezza: il 24 agosto del 2004, ad esempio, due aerei esplosero in aria poco dopo la loro partenza dall’aeroporto di Mosca Domodedovo, uccidendo tutti gli 89 passeggeri; le indagini portarono alla scoperta che i due attentatori suicidi furono in grado di corrompere il personale in aeroporto, imbarcandosi senza effettuare alcun controllo di sicurezza [3]. STATO DELL’ARTE ATTUALE Visto l’elevato rischio di attacchi terroristici, stanno diventano sempre più necessarie contromisure efficaci. Rinforzare la fusoliera di un aeromobile è una soluzione possibile ma difficilmente praticabile, in quanto ciò comporterebbe

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schio. Un’altra strategia, ritenuta maggiormente percorribile, è rappresentata dall’utilizzo di veri e propri sistemi a prova di bomba presenti a bordo.

Fig.1: Prototipi del contenitore FLY-BAG da stiva adatto ad aerei a fusoliera stretta (narrow body)

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In passato, sono state studiate soluzioni basate sul rinforzo dei contenitori normalmente utilizzati per trasportare i bagagli a bordo degli aerei a fusoliera larga (wide-body aircraft). Questi contenitori, detti ULD “Unit Load Device” vengono riempiti con i bagagli e portati, carichi, sotto l’aereo dove vengono imbarcati in stiva. Gli ULD sono generalmente utilizzati in aerei a fusoliera larga per viaggi caratterizzati da lunghe tratte, ad esempio viaggi transcontinentali. Gli aerei a fusoliera stretta (narrow body aircraft) non utilizzano solitamente gli ULD per il carico dei bagagli in stiva, ma vengono caricati sfusi. Nel passato, è stata studiata la possibilità di rinforzare gli ULD per contenere gli effetti di una esplosione di un ordigno nascosto nei bagagli. La ricerca, condotta principalmente negli Stati Uniti a seguito dell’attentato di Lockerbie [4], ha portato a sviluppare alcuni modelli di ULD rinforzati (denominati Hardened Unit Load Device, HULD), caratterizzati però da un costo elevato (dell’ordine delle decine di migliaia di dollari) e da un peso elevato (dell’ordine delle centinaia di kg), non compatibili con i requisiti del settore aeronautico, con il risultato che gli HULD non hanno avuto applicazione commerciale. Inoltre, tali dispositivi, sono applicabili solo per i velivoli a fusoliera larga, mentre la protezione degli altri velivoli non poteva essere garantita. Un ulteriore caso è quello di ordigni sospetti trovati in volo in cabina. Le procedure in uso sui normali aeromobili specificano che, in caso di ritrovamento di un possibile ordigno, esso deve essere posto in un’area della cabina denominata “Least Risk Bomb Location”, LRBL, in pratica un’area della cabina in cui nel caso di una eventuale esplosione questa avrebbe l’effetto meno gravoso possibile rispetto alle altre zone all’interno dell’aereo. Spesso la LBRL è localizzata in corrispondenza del portellone nella zona posteriore della cabina. Va da sé che tale soluzione, benché l’unica per ora applicabile in cabina, non sia certo ottimale ai fini di prevenire disastri aerei causati da possibili ordigni. DA FLY-BAG A FLY-BAG2 Nel 2009 la società D’Appolonia S.p.A. (RINA Group) si è fatta la copofila di un progetto co-finanziato dalla Comunità Europea nell’ambito del Settimo Programma Quadro (FLY-BAG, “Blastworthy textile-based luggage containers for aviation safety”) per lo sviluppo di un sistema innovativo di contenimento di bombe nella stiva di aerei a fusoliera stretta. Partendo dai promettenti risultati raggiunti, che hanno dimostrato l’efficacia e la fattibilità della tecnologia FLY-BAG, nel 2012 si è deciso di continuare ed estendere la ricerca, creando un secondo progetto Europeo, denominato FLY-BAG2 “Advanced technologies for bombproof cargo containers and blast containment units for the retrofitting of passenger airplanes” nel quale si stanno realizzando diversi dispositivi di contenimento, sia da stiva che da cabina, oltre a realizzare pannellature composite rinforzate per la zona detta LRBL. Il progetto vede coinvolti 13 partner da 7 paesi europei, tra cui centri di ricerca, imprese e una compagnia aerea italiana, Meridiana. L’idea originaria alla base di FLY-BAG è quella di utilizzare un dispositivo costituito da tessuti tecnici, opportunamente combinati con pannelli in composito, da impiegarsi nella stiva di un aereo a fusoliera stretta, detto narrow body. Il sistema, coperto attualmente da un brevetto Europeo, è stato progettato per essere quanto più possibile leggero ed economico, con una struttura capace di resistere ai diversi fenomeni che si manifestano durante un’esplosione, ossia (a) al carico dinamico impulsivo, chiamato shock-holing, che si manifesta nei primi millisecondi dall’evento, (b) alla pressione quasi-statica, che si genera dopo il fenomeno di shock-holing della durata di qualche secondo, (c) alla proie-

- Tecnologie avanzate anti-bomba per la protezione aerea da attacchi terroristici zione di eventuali frammenti causati dalla presenza di bagagli e (d) alla resistenza al fuoco. Il team di progetto, dal 2009 al 2011, ha progettato e realizzato diversi dimostratori, che sono stati successivamente sottoposti ad un’estesa campagna di prove sperimentali. I prototipi realizzati (fig.1), hanno una struttura tessile multistrato; con elementi sandwich in composito, impiegati per proteggere le zone a diretto contatto con la fusoliera (in particolare, il pavimento e la parte posteriore). Gli elementi compositi hanno la duplice funzione di distribuire il carico impulsivo proveniente dallo scoppio su un’area estesa del tessuto del dispositivo e di contribuire all’assorbimento di energia, grazie allo schiacciamento della schiuma [5], [6], [7]. Numerosi test su scala di laboratorio sono stati effettuati per caratterizzare le prestazioni dei materiali, sia tessili tecnici che compositi, costituenti la tecnologia FLY-BAG. Il progetto FLY-BAG2, attualmente in corso, è iniziato ad agosto 2012 e si concluderà a luglio 2015. La ricerca è basata sui risultati del primo FLY-BAG, ed il progetto intende indirizzare alcune problematiche scientifiche e di ricerca che non era stato possibile risolvere pienamente nel progetto precedente. FLY-BAG2 quindi, oltre a riprendere ed ottimizzare la tecnologia già sviluppata (contenitore anti-bomba adatto ad aeromobili a fusoliera stretta), si propone di realizzare dispositivi di protezione della zona cargo, adatti anche a velivoli per voli transcontinentali. Oltre a ciò, il progetto sta sviluppando dispositivi di protezione da cabina di due tipi: (a) un sistema di contenimento interamente tessile, ripiegabile, e posto all’interno della cappelliera quando non in uso (b) un sistema di pannellature anti-bomba in materiale composito, atte a rinforzare e proteggere la zona LRBL, qualora l’ordigno esplodesse a bordo. I COMPOSITI INNOVATIVI ANTI-BOMBA Strutture innovative in composito anti-bomba, sono sviluppate all’interno del progetto FLY-BAG2; tali materiali, impiegati in sinergia con il tessuto resistente alla deflagrazione, rappresentano un nuovo paradigma per aumentare la sicurezza a bordo degli aerei. Due famiglie di compositi sono stati progettati e attualmente in fase di validazione e test: • Compositi rinforzati per la protezione della stiva di aerei a fusoliera stretta e larga: in questo caso, le pannellature di rinforzo vengono poste sul fondo del contenitore, al fine di proteggere il pavimento della stiva dal fenomeno di shock-holing, ossia

dal forte carico impulsivo generato nei primi millisecondi che seguono l’esplosione, consentendo inoltre di distribuire il carico in modo uniforme sul tessuto. Un’altra funzione assolta dai compositi è quella di protezione contro la proiezione di frammenti nella deflagrazione. • Compositi rinforzati per la protezione della cabina: è già stato evidenziato che, a bordo di un aeromobile, esiste una zona LRBL preferenziale per disporre un eventuale ordigno trovato a bordo. FLY-BAG2 prevede un duplice livello di protezione: (a) una sacca interamente in tessuto, atta a contenere completamente la carica per la quale il dispositivo di contenimento è stato progettato (b) pannellature di rinforzo della zona LRBL, che consentano di proteggere la fusoliera durante la deflagrazione, fornendo un’ulteriore azione protettiva a quella della sacca, o intervenire (in modo passivo) quando la carica dell’ordigno supera quella progettata per la sacca tessile, attenuando così quantità elevate di esplosivo. La figura 2 mostra FLY-BAG2 sviluppato per la stiva di aeromobili a fusoliera larga (a titolo di esempio Airbus A380, Boeing747). La figura di sinistra (a) rappresenta il contenitore AKE (ULD) in alluminio, con all’interno il kit tessile-composito FLY-BAG2, mentre a destra (b) è

mostrato il pavimento in composito anti-bomba e il telaio, anch’esso in composito, avente la funzione di sostenere il tessuto all’interno del contenitore in alluminio. Il pavimento del contenitore è realizzato con pannelli sandwich, fabbricati dal partner svedese APC Composit, con facce in aramide e schiumato in PVC di spessori e composizioni variabili. Una struttura analoga sta per essere sviluppata per il sistema da stiva adatto agli aeromobili a fusoliera stretta (in particolare per l’aereo McDonnel Douglas MD80-87). La progettazione dei compositi anti-bomba è avvenuta svolgendo un esteso lavoro di simulazione e validazione numerica compiuto con i più avanzati codici agli Elementi Finiti (FEM), coinvolgendo centri di eccellenza a livello Europeo e partner del progetto: il Centro di

Fig.2: FLY-BAG2 da stiva per aeromobili a fusoliera larga composito posto all’interno del dispositivo

Sistema completo pronto all’utilizzo,

rinforzo in

Compositi

- Tecnologie avanzate anti-bomba per la protezione aerea da attacchi terroristici Progettazione, Design e Tecnologie dei Materiali (CETMA), il Dipartimento di Ingegneria Meccanica ed Aeronautica dell’Università greca di Patrasso (UoP) e la multinazionale aeronautica spagnola AERNNOVA. Sui pannelli in composito è stata eseguita una vasta campagna di test di resistenza ad impatto a bassa ed alta velocità (mediante “drop tower” e “air gun”, rispettivamente) e test di shock holing (mediante detonazione di cariche d’esplosivo a distanza variabile dal pannello), quest’ultimi compiuti dal partern inglese BLASTECH. L’azienda greca INASCO, operante nel settore dell’aerospazio ed AERNNOVA, stanno portando avanti lo sviluppo di un concetto innovativo su pannelli in composito anti-bomba per rinforzare la zona LRBL. Dopo la fase di selezione dei materiali avanzati più performanti, in termini di resistenza alla deflagrazione e all’impatto ad alta velocità, gli esperti del settore stanno realizzando un design innovativo che porterà nei prossimi mesi alla realizzazione e test sperimentali di vari prototipi che saranno adatti al rinforzo della zona LRBL di vari aeromobile. TEST SU SCALA REALE E CERTIFICAZIONI Un’estesa campagna sperimentale per la validazione dei dimostratori FLY-BAG è in corso, non solo su scala di laboratorio, ma anche e soprattutto su scala reale, a bordo di velivoli dismessi. A novembre dello scorso anno, una prima fase di test è stata svolta in Gran Bretagna, all’interno di un Boeing747, ottenendo risultati eccellenti di contenimento dell’esplosione sia in stiva che in cabina. Il test su scala reale è solo il

primo di ua serie di altre prove che verranno condotte da qui fino alla prossima estate (termine entro il quale finirà il progetto). Le prove verranno condotte in Gran Bretagna e in Germania, su aeromobili sia a fusoliera stretta (McDonnel Douglas MD80-87) che wide body (Boeing747), per dimostrare scientificamente l’efficacia della tecnologia FLYBAG e rendere evidente a tutti la portata dell’invezione. Il sistema FLY-BAG da stiva è già coperto da brevetto europeo (EP2492217 A1) mentre, per quello da cabina, un secondo brevetto è stato sottomesso ed è ora in fase di valutazione. Fondamentale, per favorire un’immediata penetrazione sul mercato dei dispositivi che saranno disponibili già a partire dalla prossima estate, è stato quello di realizzare sistemi che potessero essere installati a bordo senza modifiche strutturali all’aeromobile, quindi senza richiedere una nuova certificazione. In tal senso la progettazione dei sistemi FLY-BAG è stata supervisionata, fin da subito, da parte della compagnia aerea Meridiana. PARTNER DEL PROGETTO FLY-BAG2 D’Appolonia S.p.A (coordinatore) (IT); Saechsisches Textilforschungsinstitut e .V. (DE); Blastech (UK); Centro di Progettazione, Design & Tecnologie dei Materiali (CETMA) (IT); Meridiana Maintenance S.p.A. (IT); Carmel Cargo Network BV (NL); APC Composit AB (SE); University of Patras (GR); Dokasch Gmbh Air Cargo Equipment + Repair (DE); Ziplast S.r.l. (IT); Aernnova Engineering Solutions SA (ES) Inasco Integrated Aerospace Sciences Corporation O.E.(GR) EASC eV (DE).

Fig.3: Simulazioni virtuali e test sperimentali su pannelli in composito anti-bomba

Compositi

RINGRAZIAMENTI/ ACKNOWLEDGEMENTS FLY-BAG2 “Advanced technologies for bombproof cargo containers and blast containment units for the retrofitting of passenger airplanes” (Grant Agreement No. 314560) is a co-funded European collaborative project under the framework of Theme: AAT.2012.5.1-1 “Aerostructures”. The authors whish to acknowledge the project partners for their collaboration and the European Commission for the economic support given to the project which is financed under the Seventh Framework programme of research. BIBLIOGRAFIA/REFERENCES

[1] http://www.nytimes.com/2009/12/26/ us/26plane.html?_r=0 [2] http://www.dailymail.co.uk/news/article-1325099/FedEx-UPS-plane-terror-Al-Qaeda-bomb-linked-mobile-phone-SIM-card.html [3] http://txt.newsru.com/russia/26jan2006/ artamonov.html [4] http://www.history.com/news/remembering-the-1988-lockerbie-bombing [5] Zangani, D., Ambrosetti, S., Bozzolo, A., Dotoli, R. et al., “Textile-Based Luggage Containers for Onboard Blast Protection,” SAE Int. J. Aerosp. 4(2):690-698, 2011, doi:10.4271/2011-01-2517 [6] D. Zangani, S. Ambrosetti, P. Franitza, H. Illing-Guenther, R. P. Koenig, “Development of a Novel Concept of Explosion-Resistant Cargo Container for Narrow-Body Aircrafts” 27th Congress of International Council of the Aeronautical Sciences, 19 - 24 September 2010, Nice, France, Paper ICAS 2010-10.9.2 [7] R. Dotoli, A. Bozzolo, S. Fay, D. Bardaro, “Experimental Testing and Numerical Simulation to Design an Innovative Blast Resistant Textile Luggage Container”, 27th Congress of International Council of the Aeronautical Sciences, 19 - 24 September 2010, Nice, France, Paper ICAS 2010-9.6.4.

Donato Zangani, Alessandro Bozzolo, Danilo Bardaro - D’Appolonia S.p.A.

Advanced technologies for bombproof cargo containers and blast containment units for the retrofitting of passenger airplanes The European research project FLY-BAG2, is the follow-up of a previous EU research project (FLY-BAG). Its objective is to develop several “passive” blast containment units, to protect both cargo hold and cabin of narrow body and wide body aircrafts. The containment units are based on the use of technical textiles and composites, which are able to mitigate and contain a possible explosion in flight.

viation is under constant threat from the risk of explosive devices onboard commercial planes. Terrorists have proven that they might be able to circumvent security scans both by carrying explosive devices on board themselves, hidden in a piece of luggage, or by sending parcel bombs via mail. Security scans are essential and very efficient, but the risk that dangerous items would arrive undetected inside a commercial aircraft cannot be completely neglected, as past events have proven. US and European airports are, nowadays, on alert over fears that terrorists would be plotting attacks using ‘human bombs’; improvised explosive devices could be assembled onboard from liquid explosives and non-metallic detonating devices or could be surgically implanted into would-be bombers or hidden in electrical devices or clothes (e.g. shoes) with little possibility of detection. Since 2009 Al Qaeda and its affiliated groups have unsuccessfully plotted at least three attacks with bombs carried on board US bound flights by its operatives or planted in cargo. One was foiled by passengers who overpowered ‘Underwear bomber’ Umar Farouk Abdulmutallab, after his trousers caught fire on a flight from Amsterdam to Detroit [1]. Al-Asiri was believed to be behind the attack. He also designed the powerful bomb hidden in printer ink cartridges which was intercepted at a UK airport en route to the US in 2010, where

it was timed to detonate over the east coast [2]. A further threat that must be taken into account is that of unfaithful security personnel: on August 24th 2004, two airplanes exploded in mid-air shortly after their departure from Moscow Domodedovo airport, killing all 89 onboard. Investigations found that the two suicide bombers were able to bribe personnel at the airport to let them onboard without scanning [3]. THE STATE-OF-THE-ART At present, quite rightly, a lot of effort is focused on prevention. However, this alone cannot secure full safety from an explosive device getting on board, as instances testify this. A way to increase air transport safety against these types or risks is of providing complementary protective structures for the cargo hold and passenger cabin areas within an aircraft, which would be able to attenuate the effects of an in-flight explosion. The idea of reinforced air cargo containers is not entirely new: the research efforts performed in the 1990s in the USA and UK, in particular after the Lockerbie disaster [4], led to the development of several prototypes of reinforced containers, named Hardened Unit Load Devices (HULDs). HULDs never gained market acceptance due to their common drawbacks, namely cost, weight, bulkiness and insufficient resistance to damage during everyday loading/unloading operations. Moreover,

they were only designed for wide-body aircrafts: narrow-bodies are in general not always compatible with ULDs; even when compatibility exists, airlines often prefer to load luggage in bulk due to cost and logistic problems. Considering the cabin environment, the “Least Risk Bomb Location” (LRBL) regulation mandated by EASA and FAA foresees the deployment of the suspicious object in direct contact with a fuselage wall in a least-risk position, usually one of the aft doors to facilitate venting. This procedure suffers some clear drawbacks: in particular, cabin crew is exposed to unnecessary risks while performing the long and complex procedure involved with transporting the suspicious bomb to the LRBL. Moreover, passengers, crew and the aircraft itself are exposed to an unacceptably high threat from detonation in case cushioning should prove not sufficient. FROM FLY-BAG TO FLY-BAG2 The EC funded collaborative project FLY-BAG, “Blastworthy textile-based luggage containers for aviation safety” ACP7-GA-2008-213577, represents a solution for the protection of narrow-body aircraft. The idea beyond FLY-BAG was to use a textile envelope as luggage container, where an internal high strength layer made of ballistic textiles is designed to stop hard fragments from blast, coupled with an external layer designed to deform in a controlled way during the explosion, fully containing the

Compositi

- Advanced technologies for bombproof cargo containers and blast containment units for the retrofitting of passenger airplanes blast pressure. In particular, the focus of the project was to validate the applicability of the developed prototypes within their destination environment, also thanks to the presence within the project Consortium of an airline, Meridiana, providing support and guidance on compliancy with aviation procedures. The project team designed, manufactured and successfully blast-tested a luggage container based on a multilayer textile structure (fig.1), coupled with composite sandwich elements used to protect those areas of the airframe which are in direct contact with the container. The composite elements have the twofold function of spreading the impulsive blast load over a larger area of the textile bag and of contributing to energy absorption by crushing of the foamy core [5], [6], [7]. FLY-BAG2 “Advanced technologies for bombproof cargo containers and blast containment units for the retrofitting of passenger airplanes” (Grant Agreement No. ACP7-GA-2008-213577 – Starting date: 2012-08-01 End date: 2015-0731) builds upon the previous FLY-BAG, where – despite the successful outcome – it was not possible to fully address the scientific and research issues which need to find an answer for the application of the concept to other applications, particularly in performing full scale blast tests, developing solutions for protection of wide body aircraft and addressing the “Least Risk Bomb Location” (LRBL) required by aviation regulations. The focus of research is now to exploit the knowledge gathered in the previous project to develop new devices for both cabin and cargo environments and to enlarge the experimental validation of the new concepts including full scale tests on retired aircrafts, which were not performed in the previous project. INNOVATIVE BLAST-PROOF COMPOSITES Composite panels designed for protection from explosion exist, but they are usually developed to offer protection from debris ejected by a distant detonation in free air: a new class of energy absorbing sandwich panels is being developed within FLY-BAG2 project, in particular: • Hardened composites for protection of cargo holds of narrow-body and wide body aircrafts: FLY-BAG2 is developing a class of innovative lightweight blast containment units made of textile fabrics, with composite reinforcements (in particular the floor). Composite materials are able to absorb energy from

Compositi

a short standoff blast, giving rise to direct shock-holing phenomena. The function of the composite parts is twofold: resisting to shock-holing, thus preventing direct localized impulsive damage of the surrounding structures, and spreading the load over a wider area of fabric: the combination with high performance textiles is thus crucial; • Hardened composites for protection of cabin environment: as mentioned before, aviation regulations mandate that a Least Risk Bomb Location is identified on each aircraft, suitable to place a potential explosive found on board of the aircraft. FLY-BAG2 foresees a twofold level of protection: (a) a cabin bag made entirely by technical textiles, able to withstand to the designed charge; (b) hardened composite panels, used for further reinforcing the LRBL area. The composite structure is able to provide an additional protection layer, in addition to the textile bag. Figure 2 shows the FLY-BAG2 prototype suitable for the cargo hold used in a wide body aircraft (e.g. Airbus A380, Boeing747). The left-side picture (2a) shows the AKE (ULD) container made of aluminum, with inside the mixed textile-composite FLY-BAG kit, whereas the right-side picture (2b) depicts the blast-proof floor and tubular frame developed, this latter, to sustain the textile inside the aluminum AKE. The composite floor, where the container is in direct contact with the airframe, is made with sandwich panels, manufactured by the Swedish partner APC Composit, with aramid skins and PVC foam core. A similar structure is being developed for the FLY-BAG, for narrow-body aircrafts. The design of blast-proof composite structures was achieved through an extensive joined research activity carried out by partners of the project: the Italian research organization CETMA, the Applied Mechanics Laboratory, University of Patras (UoP/AML) and the Spanish aeronautic company AERNNOVA. The activity was carried out by using the most advanced numerical Finite Element (FE) codes, generating virtual models. A wide range of thicknesses and configurations have been assessed by testing panels under impact at low and high velocity (using drop tower and air gun equipment) as well as shock holing tests. These latter were carried out by the English partner BLASTECH. The high-tech Greek company INA-

SCO, together with the Spanish partner AERNNOVA, is developing an innovative concept for the development of blast-proof composite structures, to be used as reinforcement of LRBL. After having selected the most performing materials, in terms of resistance to shock-holing and high-velocity impact, the experts are now finalizing an innovative design, which will conduct to manufacture the prototypes. FULL-SCALE BLAST TESTS AND CERTIFICATION Full scale blast tests are now on-going, for assessing the performance of the blast mitigation units in real environments. Last November, a first testing campaign was conducted in UK on board of a Boeing747: both cargo and cabin containments units were successfully tested. This test is only the first of a long series: in fact, other tests will be carried from now to the end the project (1st July 2015). The full-scale blast tests are being performed in UK and Germany, both on narrow body (McDonnel Douglas MD80-87) and wide body aircrafts (Boeing747). FLY-BAG system for narrow body aircrafts has been patented (EP2492217 A1). A patent is pending for the cabin devices. To promote a prompt market penetration of FLY-BAG, the blast containment devices have been designed to be installed without any structural aircraft modifications, in other words, without the need of new certification. From the beginning, the design of FLY-BAG devices was supervised, by the airline Meridiana. FLY-BAG2 PARTNERS D’Appolonia S.p.A (co-ordinator) (IT); Saechsisches Textilforschungsinstitut e V. (DE); Blastech (UK); Centro di Progettazione, Design & Tecnologie dei Materiali (CETMA) (IT); Meridiana Maintenance S.p.A. (IT); Carmel Cargo Network BV (NL); APC Composit AB (SE); University of Patras (GR); Dokasch Gmbh Air Cargo Equipment + Repair (DE); Ziplast S.r.l. (IT); Aernnova Engineering Solutions SA (ES) Inasco Integrated Aerospace Sciences Corporation O.E.(GR) EASC eV (DE).

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: FLY-BAG container prototypes used for the cargo hold of narrow body aircrafts Fig.2: FLY-BAG2 AKE-version (ULD) for wide body aircrafts: (a) Containment unit ready for use, (b) composite floor panel and frame Fig.3: Virtual and experimental tests carried out on the blast-proof composites’

a cura di Alenia Aermacchi - Advanced Research

Passato, presente e futuro in Finmeccanica Alenia Aermacchi Finmeccanica Alenia Aermacchi è stata attivamente coinvolta nell’evoluzione storica delle applicazioni dei materiali compositi in strutture aeronautiche. Un grande sforzo di ricerca e sviluppo è in corso per il mantenimento delle aree di mercato, la progettazione e realizzazione dei velivoli futuri con nuove applicazioni del composito più avanzate in termini di prestazioni, costo e sostenibilità ambientale.

ecentemente lo sviluppo dei materiali polimerici e delle fibre ha portato alla realizzazione di compositi con caratteristiche specifiche di grande interesse per molti tipi di applicazione industriale. Fra le industrie più interessate c’è quella aeronautica, per la quale la possibilità di utilizzare parti con buone proprietà meccaniche associate a grande leggerezza è sempre stata di grande importanza. L’introduzione di questi nuovi materiali per impieghi strutturali aeronautici è stata progressiva per esigenze di sicurezza, di maturazione del know how sulle proprietà dei materiali, di consolidamento dei processi di produzione e di trasformazione e di messa a punto dei metodi di progettazione dei compositi. Partendo da applicazioni su parti poco caricate (per esempio carenature) si è arrivati

alla realizzazione di parti strutturali, prima strutture secondarie ed infine primarie. C’è stato anche un progresso nei materiali disponibili: le prime applicazioni di compositi facevano riferimento a matrici di resina fenolica rinforzate con fibre di vetro; nelle applicazioni aeronautiche le matrici sono state sostituite da quelle epossidiche, progressivamente tenacizzate, e le fibre sono state sostituite da quelle di carbonio. C’è stato, e c’è tuttora interesse, per altre tipologie di fibra (per es. kevlar) e di resina termoindurente (bismaleimmidica, poliammidica), e diversi tipi di resina termoplastica, resine amorfe ad alta Tg (PEI), e semicristalline ad alta Tf (PPS, PEEK, PEKK). Per quanto riguarda la tecnologia di fabbricazione, la maggior parte delle applicazioni aeronautiche si è basata sull’impiego di preimpregnati

da processare con la tecnica di stratificazione e di cura con sacco a vuoto in autoclave. Nel corso degli anni si è fatto un crescente impiego di tecniche di stratificazione automatica (automated lay-up e fiber placement). IMPORTANTI PARTECIPAZIONI AERONAUTICHE Finmeccanica Alenia Aermacchi, società leader in Italia per l’ala fissa, ha legato una parte significativa della propria storia all’utilizzo dei compositi per la realizzazione di strutture aeronautiche, conquistando un ruolo di primo piano nel settore. La posizione è stata raggiunta attraverso partecipazioni, con diverse modalità (subfornitore, partner, prime) a programmi aeronautici di avanguardia, con un livello di autonomia via via crescente ed in accordo col trend di

Fig.1: ATR 42 e ATR 72 in volo

Compositi

33

- Passato, presente e futuro in Finmeccanica Alenia Aermacchi impieghi sempre più critici dei materiali compositi. Una prima partecipazione significativa è stata quella al programma Boeing 767, a fine anni ’70, con la realizzazione di molte superfici mobili (rudder, alettoni, flap, slat, spoiler) e del radome. L’architettura di molte di queste superfici era di tipo sandwich. Già all’epoca la partecipazione includeva responsabilità di progettazione, ma la maggior parte delle responsabilità di scelta dei materiali e dei processi e della certificazione era di Boeing. Successivamente, con la partecipazione al programma di Mc Donnell Douglas MD 80, Alenia Aermacchi, che ha avuto la responsabilità di progettazione e fabbricazione di alettoni e rudder, ha cominciato a partecipare con un ruolo di partnership, stabilendo una collaborazione sulla definizione della specifica dei materiali e partecipando alle attività di certificazione. Ciò ha consentito di partecipare al programma ATR 42/72 (fig.1), un programma con suddivisione paritetica di ruoli fra Alenia Aermacchi e Aerospatiale (oggi Airbus), con diretta responsabilità di certificazione delle parti di propria responsabilità, cioè la fusoliera (tutta in lega leggera) e gli impennaggi con le parti mobili (rudder ed elevatore) in composito e le parti fisse (vertical fin e stabilizzatore orizzontale) in metallo. Il primo volo dell’ATR 42 c’è stato nel 1984. Parallelamente la capacità aziendale di progettazione e realizzazione in composito è stata sfruttata ed integrata con la partecipazione a progetti militari con parti significative in composito, come l’AMX e l’EFA. IL PROGRAMMA ATR Per l’ATR (circa dal 300° velivolo), si è realizzata un’ulteriore applicazione di compositi, questa volta a strutture primarie. Si sono progettate, fabbricate e certificate le parti fisse degli impennaggi realizzate in composito, cioè lo stabilizzatore orizzontale ed il vertical fin (fig.2). Le strutture sono state realizzate con materiale selezionato, qualificato e caratterizzato da Alenia Aermacchi e processi innovativi. Nello specifico il vertical fin è stato realizzato con pannelli cobondizzati: (incollaggio di skin “freschi” e stringer precurati), con polimerizzazione dei pannelli e dell’adesivo nello stesso ciclo di autoclave. Lo stabilizzatore orizzontale è stato invece realizzato con un’architettura ribless multispar processato in cocura (in un unico ciclo di autoclave) con una tecnologia brevettata Alenia Aermacchi. Questa applicazione è stata adottata dal programma ATR e dai primi anni ‘90 gli interi impennaggi (parti fisse e mobili) sono in composito. Questo è stato possibile e conveniente anche perché le nuove tecnologie, volte

Compositi

alla realizzazione di parti integrali, hanno avuto una notevole efficacia nel contenimento dei costi di processo, consentendo la realizzazione di parti in composito con costi competitivi, nonostante l’alto costo delle materie prime associato all’uso dei preimpregnati. I PROGETTI MILITARI AMX E EFA Parallelamente la capacità aziendale di progettazione e realizzazione in composito è stata sfruttata ed integrata con la partecipazione a progetti militari con parti significative in composito, come l’AMX e l’EFA. A titolo di esempio l’ala dell’EFA è realizzata in cobonding, con skin precurati e spar “freschi”, polimerizzati ed incollati agli skin in un unico ciclo di autoclave. L’AMX è un velivolo realizzato congiuntamente da Alenia Aeronautica, Aermacchi ed Embraer, con significative applicazioni in composito; la successiva fusione fra Alenia e Aermacchi si è basata anche su esperienze comuni come questa, ed ha consentito una sinergia di know how. A titolo di esempio, fra i programmi Aermacchi sviluppati prima della fusione con Alenia Aeronautica, si ricorda anche l’M-346, velivolo da addestramento con ampio impiego di parti in composito.

ordini molto cospicuo per le versioni -8 e -9. In questo programma Alenia Aermacchi è responsabile della progettazione e realizzazione dell’impennaggio orizzontale e di due barili di fusoliera, sezione. 44 e 46, rispettivamente lunghi 8,5 e 10 m e di 5,5 m di diametro. Lo stabilizzatore orizzontale è realizzato con una tecnica basata sulla tecnologia “proprietary” già usata per l’analogo componente ATR (multispar ribless one piece), a riprova di una capacità di Alenia Aermacchi di proporre delle soluzioni originali valide anche per velivoli al top dello stato dell’arte. I barili di fusoliera sono realizzati con una tecnica di automated fiber placement, e vengono cocurati con gli irrigidimenti ad “hat”. Ciò permette la realizzazione dell’intero barile irrigidito con correnti in un unico ciclo di autoclave (one shot). Per la fabbricazione dei barili è stato realizzato a Grottaglie (TA) un nuovo stabilimento, ad alta automazione, interamente finalizzato a tale produzione (fig.3). Sempre

LE APPLICAZIONI CIVILI Ritornando alle applicazioni civili, Alenia Aermacchi ha partecipato anche al progetto Boeing 777, con la realizzazione di un outboard flap di grandi dimensioni in composito, con numerose innovazioni, fra le quali quella dell’impiego di materiali innovativi (controlled flow) per i sandwich strutturali, fino ad arrivare ad un coinvolgimento significativo sul 787 Dreamliner. Questo velivolo per la prima volta nella storia dell’aviazione civile presenta un impiego di compositi rinforzati con fibre di carbonio pari a circa il 50% della struttura in un aereo “wide body”. Il 787, che ha effettuato il primo volo a fine 2010, vanta un portafoglio 



Fig.2: Visione schematica delle strutture di Vertical Fin e Horizontal Stabilizer dell’ATR in composito

per il 787 Alenia Aermacchi fornisce ordinate di fusoliera realizzate con una tecnica di resin film infusion. L’IMPORTANZA DELLA RICERCA Le competenze e le capacità maturate rappresentano fattori abilitanti per la partecipazione a futuri programmi civili e militari con primaria responsabilità nel settore aerostrutturale. Per consolidare e difendere il proprio ruolo sul mercato Alenia Aermacchi promuove una politica di integrazione delle conoscenze industriali, accademiche e degli enti di ricerca, anche attraverso il contributo alla nascita di Distretti Tecnologici che concorrono alla crescita delle competenze nel territorio, con il coinvolgimento di tutta la supply chain, includendo fornitori di materiali, trasformatori, società di ingegneria, piccola e media industria. Sono inoltre finalizzate a promuovere l’internazionalizzazione attraverso la partecipazione a progetti di ricerca, prima nell’ambito del VII FP e, successivamente, all’interno di Horizon 2020. In tale contesto è particolarmente significativa la partecipazione alla piattaforma JTI Clean Sky (VII FP), in cui Alenia Aermacchi è leader del Progetto GRA (Green Regional Aircraft), che ha un logico seguito nel programma Clean Sky 2 in ambito Horizon 2020. Ovviamente tutto ciò comporta anche molta attenzione alla difesa del know how aziendale, attraverso una matura gestione degli IPR. Collaborazioni e sinergie sono inoltre ricercate in ambito Finmeccanica, anche attraverso l’iniziativa Mindshare. Per quanto riguarda le nuove tecnologie del composito, ci sono molte linee di ricerca, che vanno dalle tecniche alternative al preimpregnato (infusione liquida, film infusion, RTM), ai compositi a matrice termoplastica ed ai materiali e processi a basso costo (bassa temperatura e pressione di polimerizzazione), con grande rilievo per le tecniche di automazione. L’impiego di nanotecnologie è anche molto promettente, soprattutto per il miglioramento delle caratteristiche funzionali dei compositi (conducibilità, smorzamento acustico, resistenza al fuoco e all’ambiente, ecc.). Gli studi per un efficace impiego di nano particelle potrebbero essere più efficaci con l’impiego di un approccio multiscala. Una maggiore sicurezza ed un disegno meno conservativo, con migliore sfruttamento delle proprietà dei materiali potrebbe essere ottenuta attraverso l’effettiva implementazione di tecniche di Structural Health Monitoring, in grado di fornire informazioni in “real time” sullo stato di danneggiamento e difettosità della struttura. Le tematiche ecologiche (materiali green e/o a bassa nocività e riciclaggio dei compositi) sono anche destinate ad avere un’importanza crescente.

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

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Via Terracini, 15 – 20089 Rozzano P. Sesto, MI Fig.3: Produzione di barili in composito del 787 Dreamliner nello stabilimento Alenia Aermacchi di Monteiasi – Grottaglie (Taranto)

Tel: (+39) 02 57 51 13 35 - 335 63 50 448 Telefax : 0039 02 89 200 283 Compositi

by Alenia Aermacchi Advanced Research

Past, present and future in Finmeccanica Alenia Aermacchi Finmeccanica Alenia Aermacchi has been actively involved in the historical evolution of the composite material applications in the aeronautical structures. A strong effort on research and development activities is in progress in order to save the market areas and to allow the Company participation in the design and fabrication of future aircraft with new composite applications more advanced in terms of performance, costs and environmental affordability.

ecently the development of polymeric materials and fibers allowed to perform composite materials with specific properties very interesting for several kinds of industrial applications. One of the most interested industries is the aeronautical one, which always appreciated very much the opportunity to utilize components with good mechanical properties associated with low weight. The introduction of these new materials for aeronautical structures has been progressive, due to: safety requirements; need to better understanding of material properties; need to consolidate production and transforming processes; need to set up of design methods. Starting from parts slightly loaded (e.g. fairings) also structural parts were realized, first secondary structures and finally primary structures. Also the available materials showed an improvement; first composites applications were based on phenolic resins reinforced with glass fibers; in the aeronautical applications phenolic matrices were substituted by epoxy matrices, which were progressively toughened, and glass fiber was substituted by carbon fiber. There has been (and there is still) interest about other types of fibers (e.g. kevlar) and thermoset resins (BMI, Poli-immide), and several types of thermoplastic resins, both amorphous with high Tg (PEI), and semi-crystalline with high Tf (PPS, PEEK, PEKK). For what concerns to the fabrication technology most of the aeronautical applications are based on the utilization of prepregs processed by layup followed by bagging and autoclaving. A growing diffusion of automated layup techniques (automated lay-up e fiber placement) has been recently observed. IMPORTANT PARTICIPATION TO ADVANCED AERONAUTICAL PROGRAMS Finmeccanica Alenia Aermacchi is the Company leader in Italy for fixed wing aeronautical products. A large part of

Compositi

its history is tied to the utilization of advanced composites to perform aeronautical structures, and it plays in this field a primary role. This position has been achieved through the participation of the company to advanced aeronautical programs with different roles (subcontractor, partner, prime). In the participation the Company operated with a progressively higher level of autonomy and in agreement with the previously mentioned trend for progressively more critical composite material applications. A first meaningful participation was the one in the Boeing 767 program, on late seventies. Finmeccanica Alenia Aermacchi performed several movable surfaces (rudder, ailerons, flaps, slats, spoilers) and radome. Most of these structures had a sandwich architecture. The participation to the program, already at that time, was inclusive of responsibility in design, but most of the responsibility on the choice of material and processes, as well as of the certification was of Boeing. After that, with the participation to the program of Mc Donnell Douglas MD 80, with Alenia Aermacchi responsible of design and fabrication of ailerons and rudder, the participation with a partner role was started; namely in this program a cooperation in the issue of the material specification and an involvement in the certification activities were activated. This progress allowed the participation to the ATR 42/72 program (fig.1), in which there was a 50/50 share of the roles between Alenia Aermacchi and Aerospatiale (presently Airbus), with a direct responsibility in the certification of the structures included in its own work-share, i.e. the fuselage (made of aluminum alloys) and the tail empennages, having the movable parts (rudder and elevator) made of composite material and the fixed parts (vertical fin and horizontal stabilizer) made of metal. The first ATR 42 flight was in 1984. In the same time the design and fabrication capability of composite parts of

the Company has been exploited and integrated through the participation in military projects including the implementation of qualified composite parts applications (AMX and Eurofighter). ATR PROGRAM For the ATR programs (about since the 300th aircraft) a further composite application was performed, aimed to primary applications. In fact the fixed parts of the tail empennages, previously made of light alloys, were designed, manufactured and certified with composite materials (fig.2). The structures were fabricated with composite material selected, characterized and qualified by Alenia Aermacchi and innovative processes. Namely vertical fin was performed with co-bonded panels (bonding of “fresh” skins and pre-cured stringers) obtaining the polymerization of the panels and the adhesive film in the same autoclave cycle. Instead the horizontal stabilizer was performed with a rib-less multi-spar architecture and was processed by co-curing (in a single autoclave cycle) with an Alenia Aermacchi patented technology. This application was endorsed by the ATR program and since early nineties the whole empennages (both fixed and movable parts) are in composite. This choice was possible and affordable because the new technologies, aimed to perform integral parts, were very effective in the saving of processing costs and allowed to achieve composite parts with affordable costs, despite of the high raw material costs of the prepregs. THE MILITARY PROJECTS AMX AND EFA As previously mentioned, Company was also involved in military projects including the implementation of qualified composite parts applications (e.g. in AMX and Eurofighter). The Eurofighter (EFA) wing is made through co-bonding, with pre-cured skins and “fresh” spars, polymerized and bonded to the skins in a

single autoclave cycle. AMX is an aircraft jointly performed by Alenia Aeronautica, Aermacchi and Embraer, with interesting composite applications; the following merging between Alenia and Aermacchi was also based on common experiences like this one, and allowed know-how synergies. Also M-346, trainer aircraft with large composite utilization, should be mentioned among the Aermacchi project developed before the fusion with Alenia Aeronautica.

formed with an automated fiber placement technique, and are co-cured with hat shaped stiffeners. That allows to perform the whole barrel stiffened with stringers with a single autoclave curing cycle (one shot). A brand new plant highly automated has been performed in Grottaglie - Monteiasi (Taranto – Italy), fully dedicated to the 787 barrels production (fig.3). Alenia Aermacchi provides also fuselage frames of 787 produced by resin film infusion.

CIVIL APPLICATIONS Coming back to the civil applications, Alenia Aermacchi was also involved in the Boeing 777 program, through the realization of a large outboard flap made of composite, showing several innovations, including the utilization of innovative prepregs (controlled flow) for the structural sandwiches. Finally a meaningful involvement was achieved in the 787 Dreamliner. This “wide body” aircraft is the first in the civil aviation history with a composite utilization in the structure of about 50%. The Boeing 787, having its first flight at the end of 2010, reached a large order book for the versions -8 and -9. In this program Alenia Aermacchi is charged of design and manufacturing of the horizontal stabilizer and of two fuselage barrels, section 44 and 46, respectively 8,5 and 10 m long and with a 5,5 m diameter. The horizontal stabilizer is performed with a technique based on the “proprietary” technology previously experimented on the same component of ATR (multi-spar rib-less one piece), demonstrating the capability of Alenia Aermacchi to suggest original solutions suitable also for aircraft at the top of the state of the art. The fuselage barrels are per-

THE IMPORTANCE OF RESEARCH The achieved know-how and capability are qualifying factors for the participation to future civil and military programs with primary responsibility in the aero-structure field. In order to consolidate its role in the market Alenia Aermacchi is also fostering an integration policy of industrial, academic and research knowledge, also through the creation of Technology Clusters supporting the technological growth of local capability, with the involvement of the overall supply chain, including material suppliers, transformers, engineering society, small and medium industries. Several initiatives are in progress aimed to promote the internationalization, before through the participation to research projects of the European VII Framework Program, then within Horizon 2020. In this frame it’s very interesting the involvement in the program Clean Sky 2 (VII FP), in which Alenia Aermacchi is leader of the Project GRA (Green Regional Aircraft), with a logic pursuance in the platform JTI 2 in Horizon 2020. Obviously that implies also a careful protection of the Company know how, through a mature management of the IPR’s. Coopera-

tion and synergies are also pursued in the Finmeccanica area, also through the Mindshare initiative. Looking to the new composite technologies, there are many research issues ranging from “no prepreg” techniques (liquid infusion, film infusion, RTM) to thermoplastic matrix composites and to low cost materials and processes (low polymerization temperature and pressure), giving a strong relevance to automation techniques. The development of nano-technologies appears also very promising, mainly for the improvement of the composite functional characteristics (conductivity, acoustic damping, fire and environmental resistance, etc.). The studies aimed to an effective employment of nano-particles could be more effective through a multi-scale approach. Higher safety levels and a less conservative design, with a better exploitation of the material properties could be achieved through the full implementation of Structural Health Monitoring techniques, with capability to provide in “real time” information on the damage state and defectiveness of the structure. For the ecological issues (green and/or environmental friendly materials and composite recycling) a growing interest is foreseen.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: In flight view of ATR 42 e ATR 72 Fig.2: Schematic view of the composite structures of the ATR Vertical Fin e Horizontal Stabilizer Fig.3: Production of composite barrels of the 787 Dreamliner in the Alenia Aermacchi Plant of Monteiasi– Grottaglie (Taranto - Italy)

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E. Milella e A. Cammarano - IMAST Scarl - Technological District on Engineering of polymeric and composite Materials and Structures

L’esperienza di IMAST Alcune esperienze nel settore aeronautico, maturate nell’ambito di progetti conclusi, in cui sono state sviluppate soluzioni alternative a quelle strutturali tradizionali con i materiali metallici, più vantaggiose in termini di leggerezza, smorzamento vibro-acustico ed in grado di ridurre i costi e i tempi di assemblaggio di elementi della fusoliera.

materiali compositi combinano fra loro, proprietà, funzioni e strutture appartenenti a materiali diversi conseguendo prestazioni superiori non raggiungibili dai singoli componenti. Inoltre, poiché determinano la nascita e l’adozione di nuovi prodotti, presuppongono una riorganizzazione ed innovazione delle fasi di progettazione, produzione e controllo. Fattori, questi, che concorrono ad innalzare il livello di competitività industriale, la loro collocazione sul mercato, e la capacità di attrarre, assorbire e formare competenze nuove e sempre più specializzate. Da questo punto di vista è paradigmatico il percorso seguito dai materiali compositi nel settore aeronautico dove dalla combinazione di legno e tela cerata impiegata dai pionieri per la realizzazione dei primi veicoli prototipali si è passati ai metalli leggeri rinforzati e non (Al, Ti, superleghe) per poi accedere alla classe dei compositi polimerici. Tuttavia, questi materiali entrano ufficialmente nell’industria aeronautica civile nel 1981 con l’aeromobile Boeing-767. Ma la sfida più importante è stata quella del Boeing 787, che presenta il 50% della struttura primaria costituito da compositi leggeri anziché da alluminio. Tale soluzione garantisce un consumo di carburante inferiore del 20% rispetto ad aerei di stazza simile. Inoltre, la richiesta di materiali compositi in questo settore è determinata oltre che dalla loro bassa densità (leggerezza), anche dall’alta resistenza meccanica, dall’elevata rigidità rispetto al peso specifico, dall’eccellente curvabilità, dalla grande versatilità plastica e conduttività termica ed elettrica, e dall’alto gradiente di sicurezza rispetto alla corrosione. Ed è per questo che i compositi nell’aeronautica restano un fattore in continua espansione, anche perché si prevede che entro il 2025 l’attuale domanda di aerostrutture porterà ad un raddoppio della flotta di velivoli passeggeri e cargo su scala mondiale. Agendo da knowledge integrator, IMAST, il Distretto Tecnologico sull’Ingegneria dei Materiali Compositi Poli-

Compositi

Fig.1: Sezione di fusoliera del Boeing 787 merici e delle Strutture, individua attività di ricerca industriale coinvolgendo nello stesso progetto le competenze scientifiche e tecnologiche dei propri soci (grandi imprese, università e enti di ricerca), individuando e sviluppando le tematiche di rilevanza scientifica, progettando e realizzando sistemi compositi e relative tecnologie che abbiano applicazione in diversi settori industriali (aeronautico, aerospaziale, automotive, ferroviari, navale, elettronica polimerica, biomedicale, difesa). Il settore aeronautico è coinvolto in numerosi progetti di ricerca attivati da IMAST per lo sviluppo di compositi polimerici multiprestazionali fibrorinforzati per elementi di fusoliera, adesivi e sistemi di incollaggio innovativi per elementi in metallo ed in composito polimerico, modelli di supporto alla progettazione integrata dei processi produttivi di elementi in composito idonei per applicazioni aerospaziali, procedure e sistemi polimerici innovativi per il repairing di strutture in composito e tecnologie di processo automatizzate (fiber placement e filament winding) in grado di ottimizzare i consumi di energia e ridurre gli sfridi.

Fig.2: Pannello di fusoliera di un velivolo da trasporto in composito con correnti ad “omega” e ordinate circonferenziali con sezione a C, con incrementate proprietà vibro-acustiche, realizzato nel progetto ARCA

A titolo d’esempio, si riportano alcune esperienze condotte in progetti conclusi, in cui IMAST, anche attraverso le competenze dei propri soci, ha sviluppato soluzioni in composito per la fusoliera, con proprietà di assorbimento vibro-acustico, che si stanno applicando sui velivoli commerciali Boeing 787, la porta di emergenza di un velivolo regionale interamente in composito termoplastico (riciclabile) e nuovi adesivi strutturali in grado di ridurre i costi e i tempi di assemblaggio di elementi della fusoliera.

Fig.3: Fase del processo di laminazione

PANNELLO IN COMPOSITO A INCREMENTATE PROPRIETÀ VIBRO-ACUSTICHE Nell’ambito del progetto ARCA (Ottimizzazione della caratteristiche Acustiche di materRiali Compositi per l’Aeronautica), su un’esigenza di Boeing, IMAST ha sviluppato un innovativo sistema di assorbimento acustico da inglobare nella struttura in composito, durante la laminazione della fusoliera, pensando all’applicazione su velivoli commerciali quali il Boeing 787.

Attraverso la messa a punto di un sistema di progettazione integrata è stato sviluppato un pannello in composito fibrorinforzato, contenente una lamina di materiale viscoelastico e sistemi di controllo attivo in grado di aumentare le proprietà di assorbimento vibroacustico e migliorare il comfort dei passeggeri (meno vibrazioni e meno rumore), riducendo il peso globale delle strutture. L’analisi vibro-acustica dei provini realizzati per laminazione, utilizzando diverse tipologie di materiale, ha evidenziato

Fig.4: Pannello in composito strumentato per la valutazione dell’efficacia dello smorzamento

Fig.5: Modello FEM del pannello ARCA

Compositi

- L’esperienza di IMAST -

IROP

Fig.6: Porta di emergenza in composito termoplastico sviluppata nel progetto CESPERT

23-02-2009

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che le prestazioni acustiche, in termini di “Transmission Loss”, beneficiano dell’aumentato smorzamento strutturale, sia per l’effetto di riduzione delle vibrazioni dei componenti bidimensionali in corrispondenza dei modi di vibrare, sia per un semplice effetto dovuto alla massa distribuita aggiuntiva. Il risultato finale è stata la fabbricazione di un pannello stringherizzato con migliorate capacità di assorbire e dissipare energia vibro-acustica (-3dB) rispetto agli attuali sistemi, con una conseguente riduzione del rumore avvertito dai passeggeri a bordo ed una riduzione di peso del 60% (e conseguentemente di consumo di combustibile e inquinanti) rispetto ai sistemi attuali che prevedono l’aggiunta di componenti per la dissipazione dell’energia vibrazionale. Le sinergie che si sono attivate tra i soci coinvolti nel progetto ARCA (Alenia Aeronautica, Cira - Centro Italiano Ricerche Aerospaziali, CNR - Istituto per i Polimeri, Compositi e Biomateriali (IPCB) e Università di Napoli Federico II) hanno prodotto una crescita delle competenze nella valutazione dell’efficacia delle soluzioni smorzanti. Infatti, sono stati condotti test specifici in camere acustiche

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climatizzate, per simulare le temperature di esercizio degli aeromobili (varie decine di gradi Celsius sotto lo zero) che hanno validato le metodologie numeriche previsionali sviluppate. Una delle ricadute più importanti è stata la creazione di un gruppo di ricercatori e di una serie di facilities per simulazioni numeriche (analisi agli elementi finiti FEM e BEM) e sperimentali (misure del comportamento vibrazionale del sistema carboresina/viscoelastico a medio-alta frequenza e relative procedure di estrazione dei parametri di smorzamento) tra le più avanzate sulle tematiche trattate. I risultati conseguiti, che hanno portato alla registrazione di un brevetto da parte di IMAST, si sono rivelati di notevole interesse anche per altri settori industriali del distretto, quali l’automotive, il ferroviario ed il navale, in cui la tematica dello smorzamento delle vibrazioni di strutture in composito è assolutamente funzionale al livello di comfort avvertito dai passeggeri. E le aziende socie del distretto, possono beneficiare, in fase di progettazione di strutture in composito, delle competenze e delle tecnologie sviluppate nel corso del progetto ARCA.

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- L’esperienza di IMAST PORTA DI EMERGENZA IN COMPOSITO TERMOPLASTICO DI UN AEREO REGIONALE Nell’ambito del progetto CESPERT “Compositi termoplastici E Strutture PER mezzi di Trasporto” (DM 29021), che ha visto come attori della ricerca congiunta i soci di IMAST, Alenia Aermacchi, Ansaldobreda, CIRA, Elasis, Centro Ricerche Fiat, CNR, Università degli Studi di Napoli ed il consorzio CETMA, è stata progettata e realizzata interamente in composito termoplastico rinforzato con fibre di carbonio la porta di emergenza di un velivolo regionale ATR42. Tale dimostratore, è stato realizzato mediante termoformatura ed un innovativo processo di deposizione automatizzata (fiber placement). Il dimostratore presenta una riduzione di peso del 39% rispetto alla soluzione in alluminio attualmente in uso e la matrice termoplastica ne garantisce una maggiore riciclabilità rispetto ad una soluzione in termoindurente. Il dimostratore è stato progettato in maniera tale da poter sostituire l’attuale porta d’emergenza senza richiedere alcuna modifica al pannello di fusoliera corrispondente.

Fig.7: Setup sperimentale per il fiber placement, allestito dal CIRA, socio di IMAST

Le nostre più recenti soluzioni nel campo dei test su compositi includono la misura ad elevata accuratezza della deformazione per mezzo di tecniche video senza contatto, la determinazione della distribuzione delle deformazioni in 2D (DIC) e gli estensimetri biassiali

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- L’esperienza di IMAST I sistemi materiali che soddisfano i requisiti chimico-fisici e strutturali previsti dall’applicazione sono il PPS (Poly(p-phenylene sulfide)) ed il PEEK (Polyether ether ketone) rinforzati con fibre di carbonio. In particolare, il pannello esterno (skin) a spessore costante, è stato realizzato in PEEK per fiber placement e successivo passaggio in autoclave, mentre il resto dei componenti strutturali sono stati termoformati in PPS. Con riferimento al processo di fiber placement, nel corso del progetto è stato allestito, presso il socio CIRA, un setup robotizzato in grado di gestire e monitorare i parametri essenziali del processo. Sono state studiate le proprietà meccaniche dei diversi pannelli in composito (AS4-PEEK, T300J-PPS, IM7-PEEK) al variare delle condizioni ambientali (Cold/Dry & Hot/Wet) e in seguito a fenomeni di impatto. Fra i pannelli testati, quelli realizzati con il prepreg costituito da PEEK fibrorinforzato con il tape IM7, hanno mostrato le migliori performance meccaniche e sono quindi stati selezionati per realizzare lo skin del dimostratore. Quest’ultimo ha superato l’Hail Impact Test con un’energia di riferimento pari a 50J, corrispondente all’energia utilizzata per colpire con angolo di impatto a 90° la locazione centrale del pannello con una palla di grandine di 163 gr e di diametro 2.75”. Il controllo non distruttivo ha evidenziato un danno “trascurabile”.

Fig.8: Hail Impact Test

Compositi

La condivisione delle tecnologie realizzative (in particolare la termoformatura) e delle metodologie di modellazione prodotto/processo hanno permesso, nell’ambito dello stesso progetto di sviluppare soluzioni analoghe (composito termoplastico a fibra lunga) per altri settori industriali: il portellone di un automobile ed il bumper di un tram urbano leggero. Tali sinergie hanno, inoltre, prodotto un database di compositi termoplastici, che tiene conto non solo delle proprietà del materiale a partire dai suoi costituenti (matrice e rinforzo), ma anche delle tecnologie di processo, la cui utilità è rilevante nella fase di progettazione di nuovi sistemi in composito termoplastico. ADESIVI INNOVATIVI PER APPLICAZIONI AERONAUTICHE Una delle esigenze tecniche che nascono dall’utilizzo di materiali compositi in strutture multimateriali è la disponibilità di sistemi di giunzione avanzati e di relativi processi di incollaggio/assemblaggio affidabili. In particolare, nell’ambito del progetto ASAP “Adesivi compositi Strutturali per Applicazioni nel settore dei trasPorti” (DM 29020), che ha visto come attori della ricerca congiunta Alenia Aermacchi, Ansaldobreda, Cetena, Elasis, Centro Ricerche Fiat, CNR, Università degli Studi di Napoli “Federico II”, sono stati sviluppati nuovi sistemi adesivi con l’obiettivo di migliorare i

processi di incollaggio e le performance dei prodotti, per il settore dei trasporti, incluso quello aeronautico. Le soluzioni tecnologiche sviluppate nel progetto sono trasversali a diversi ambiti industriali: sistemi adesivi con incrementata resistenza alla fiamma, open time e tack free time (parametri fondamentali nel processo di incollaggio di componenti di grosse dimensioni), tenacità e proprietà meccaniche (utilizzando agenti tenacizzanti), resistenza a taglio (con monomeri ad alta funzionalità) reattività degli hot-melt. In particolare, per il settore aeronautico sono stati sviluppati due sistemi adesivi in grado di funzionare a bassa temperatura/pressione, pur mantenendo le caratteristiche strutturali (fatica e impatto), di durabilità e resistenza alla fiamma richieste all’applicazione: un sistema in pasta bicomponente per giunzioni strutturali stringer-skin e un adesivo in film da utilizzare durante operazioni di repairing. Per le giunzioni strutturali incollate è stata sviluppata una pasta epossidica bicomponente AS1096 e AW1095 (prodotti da Elantas Italia) additivata con un monomero epossiamminico in grado di aumentarne la temperatura di transizione vetrosa (Tg). Nel caso delle giunzioni per riparazioni strutturali, è stato, invece, modificato il sistema epossidico AL003-280-24-600F (della Delta Preg) per filmatura tipo hot melt, supportato da scrim in fibra di vetro. I test di infiammabilità hanno messo in evidenza che i materiali possiedono un comportamento alla fiamma tale da garantire la resistenza al fuoco delle strutture e di conseguenza la sicurezza delle persone. I modelli chemo-reologici sviluppati hanno permesso di ottimizzare il prodotto finale. La verifica del conseguimento degli obiettivi finali è stata effettuata sui dimostratori con analisi meccaniche distruttive (SLS - single lap shear, DCB double cantilever beam, damping), non distruttive (termografia), prove emissione fumi (FST - fire smoke and toxicity test) e morfologiche. Infine, sono state prodotte le linee guida per l’incollaggio degli stringer con i sistemi sviluppati. Il sistema epossidico bicomponente, in sostituzione delle giunzioni metalliche (solitamente bullonate), consente una diminuzione di peso del 5% per un pannello stringherizzato (con conseguente riduzione dei consumi ed impatto ambientale). Ancor più importante è l’abbattimento dei costi del 10% del processo di incollaggio dell’adesivo in pasta bicomponente, in grado di polimerizzare fuori autoclave (riduzione dei consumi energetici, eliminazione stampi speciali, gas inerti e consumabili vari). Anche per gli adesivi in film sviluppati per applicazioni “repair”, l’eliminazione del passaggio in autoclave produce una diminuzione del 10% del costo della riparazione, associato alla possibilità di

disporre di un adesivo filmabile (applicazione più rapida e con una linea di colla costante) che influisce sulla precisione e sui tempi di applicazione dell’adesivo. Alcune delle ricadute più importanti del progetto, frutto della condivisione delle competenze e delle sinergie che si sono attivate tra i soci coinvolti nelle attività di ricerca, sono l’accresciuta capacità di progettazione dei giunti adesivi e la valutazione dell’influenza dei parametri tecnologici sull’incollaggio, la conoscenza di nuovi sistemi adesivi, tradizionalmente non impiegati in ambito aeronautico, e la possibilità di utilizzo, nelle riparazioni, di film adesivi in grado di polimerizzare fuori autoclave. Tali capacità sono maturate anche grazie alla multisettorialità del progetto, in cui i settori automotive (Elasis e Centro Ricerche Fiat), navale (Cetena), ferroviario (AnsaldoBreda) ed aeronautico (Alenia), hanno messo a fattor comune le proprie conoscenze in termini di progettazione e sviluppo di giunzioni adesive.

Fig.9: Incollaggio stringer-skin con adesivo bicomponente in pasta, realizzato nel progetto ASAP

Fig.10: Analisi SLS ASTM D3165-07 (sinistra) e DCB ASTM D5528-01 (destra) dei provini incollati

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E. Milella and A. Cammarano - IMAST Scarl - Technological District on Engineering of polymeric and composite Materials and Structures

The IMAST experience Some experiences developed in the aviation field in the framework of previously completed projects where alternatives to conventional metallic structural solutions were worked out with advantages in terms of lightweight, vibro-acoustic damping and reduction of cost and assembly time of fuselage elements.

omposite materials combine properties, functionalities and structures featured by different materials and consequently offer higher performances that could not be obtained by the single components. Furthermore, since they cause the creation and adoption of new products they require the reorganization and innovation of all stages from design to production and testing. All these factors contribute in raising the level of industrial competitiveness, their placement on the market and the ability to attract, absorb and shape new and increasingly specialized expertise. The evolutionary path of composite materials is an exemplary case from this point of view: the combination of wood and oilskin used by the pioneers who built the first prototypes gave way to light metals (Al, Ti, superalloys) with and without reinforcements and finally to polymer composites. However these materials officially entered the civil aviation industry in 1981 with the Boeing 767 aircraft, but the most significant challenge was represented by the Boeing 787, sporting 50% of the primary structure in lightweight composites instead of aluminium. Such solution guarantees a fuel consumption 20% lower than that of aircrafts of equivalent tonnage. Moreover, the application of composite materials in this field is motivated not only by the low density (lightweight) but also by the high values in mechanical strength and rigidity with respect to the density, the excellent bending and shaping opportunities, the plastic versatility, the high thermal and electrical conductivity and the high resistance to corrosion. These are the reasons why composite materials continue to expand in the aircraft industry, aided by the estimates indicating that the current demand for aircrafts will lead to a doubling of the worldwide fleet of passenger and cargo aircrafts by 2025. IMAST, the Technological District on Engineering of Polymeric and Composite Materials and Structures, acts as a knowledge integrator identifying industrial research activities and combining in a single project the scientific and technological expertise of its associates (large companies, universities and research institutes) with the selection and development of scientifically important topics and the design and implementation of composite systems and related tech-

Compositi

nologies with applications to a range of industrial fields (aviation, aerospace, automotive, railway, shipbuilding, polymer electronics, biomedical and defense). The aviation field is involved in several research projects launched by IMAST aiming at the development multifunctional fiber-reinforced polymer composites applied to fuselage elements, innovative adhesives and bonding systems for metal and polymer composite elements, models supporting the integrated design of production processes of composite elements for aerospace applications, innovative processes and composite systems for the repair of composite structures and automated process technologies (fiber placement and filament winding) focused on the optimization of energy consumption and reduction of production waste. As an example we report here on some experiences occurred in past projects where IMAST, taking advantage of the expertise of its members, developed composite solutions for fuselage elements with vibro-acoustic damping properties that are presently being applied to Boeing 787 commercial aircrafts, an emergency door of a regional airliner that was completely made out of a recyclable thermoplastic composite and new structural adhesives that can reduce costs and assembly times of fuselage elements. COMPOSITE PANEL AND INCREASED VIBRO-ACOUSTIC PROPERTIES In the framework of the ARCA project (Ottimizzazione della caratteristiche Acustiche di materRiali Compositi per l’Aeronautica, Optimization of the Acoustic Characteristics of Composite Materials for Aviation), based on a specific requirement from Boeing IMAST developed an innovative acoustic absorber system to be implemented in the composite structure during the lamination process of the fuselage and aimed at the application on commercial aircrafts like Boeing 787. An integrated design system was developed to realize a fiber-reinforced composite panel containing a sheet of viscoelastic material and active control systems that can increase the properties of vibro-acoustic absorption and improve passenger comfort (less vibrations and noise) reducing the overall weight of the structure.

The vibro-acoustic analysis of the specimens prepared for lamination using different types of materials showed that the acoustic performance in terms of ‘Transmission Loss’ benefit from the increased structural damping both due to the reduction of vibrations in the two-dimensional components in correspondence of the vibration modes and to the direct effect of an additional distributed mass. The final result was the production of a panel with improved abilities of vibro-acoustic energy absorption and dissipation (-3 dB) with respect to current systems, resulting in a reduction of the noise perceived by on-board passengers and a 60% weight reduction (and therefore a reduction in fuel consumption and pollution) with respect to current systems where components for the dissipation of vibrational energy must be added. The collaborations created between the members involved in the ARCA project (Alenia Aeronautica, Cira – Centro Italiano Ricerche Aerospaziali, CNR – Istituto per i Polimeri, Compositi e Biomateriali (IPCB) and Università di Napoli Federico II) resulted in an increased ability in the evaluation of the effectiveness of damping solutions. Indeed specific tests were performed in air-conditioned acoustic chambers in order to simulate the operation temperatures of aircrafts (several tens of degrees Celsius below zero) that validated the numerical predictive methods previously developed. One of the most important outcomes was the creation of a group of researchers and of a series of facilities for numerical simulations (FEM and BEM analysis) and experimental tests (measurement of vibrational behavior of the carbon resin/viscoelastic system at medium-high frequency and the relative procedures for the evaluation of the damping parameters) that rank among the most advanced in their field. The results thus obtained led IMAST to the registration of a patent and proved to be of considerable interest to other industrial sectors of the district, e.g. automotive, railway and shipbuilding, where the topic of vibration damping in composite structures is of paramount importance in the level of comfort perceived by passengers. As a consequence the companies in the district can benefit from the skills and technologies developed during the ARCA project when designing composite structures.

THERMOPLASTIC COMPOSITE EMERGENCY DOOR FOR A REGIONAL AIRLINER The design and production of an emergency door for the regional aircraft ATR42 completely made out of thermoplastic composites was the subject of the CESPERT (Compositi termoplastici E Strutture PER mezzi di Trasporto) project (DM 29021), a joint research carried out by the partnership IMAST members, Alenia Aermacchi, Ansaldobreda, CIRA, Elasis, Centro Ricerche Fiat, CNR, Università degli Studi di Napoli and CETMA consortium. The demo was realized by thermoforming and implementing an innovative automated fiber placement process. The demo exhibits a 39% weight reduction with respect to the aluminium solution currently in use and the thermoplastic matrix guarantees a highr reciclability level compared to a thermoset option. The demo was designed in such a way to replace the present emergency door without the need of modifications in the relative fuselage panel. The materials satisfying the chemical-physical and structural parameters required by this application are PPS (Poly(p-phenylene sulfide) and PEEK (Polyether ether ketone) reinforced with carbon fibers. In particular, the constant-thickness outer skin was made out of PEEK with a fiber placement process and successively cured in the autoclave while the other structural components were realized in PPS by thermoforming. Concerning the fiber placement process, during the project an automated apparatus was set up in the CIRA facilities which could handle and monitor the essential process parameters. The mechanical properties of the different composite materials (AS4-PEEK, T300JPPS, IM7-PEEK) were studied under varying environmental conditions (Cold/ Dry & Hot/Wet) and after impact events. The panels manufactured with a prepreg made out of PEEK and an IM7 tape fiber reinforcement showed the best mechanical performance among the range of tested materials and therefore were selected for the realization of the demo’s skin. This prototype passed the Hail Impact Test with a reference energy of 50 J, corresponding to the energy used to hit the center of the panel with a 163 g, 2.75” diameter hailstone at an impact angle of 90°. The non-destructive test showed a “negligible damage”. The dissemination of the technologies (and thermoforming in particular) and the product/process modeling methods allowed for the development of similar solutions (long-fiber-reinforced thermoplastic) for other industrial fields within the same project: the boot lid of a car and the bumper of a light urban mass transit tram. These synergies also resulted in the creation of a database of thermoplastic composite materials where process

technologies are considered besides the properties of the material arising from its components (matrix and reinforcement) and whose application is hence useful in the design of new thermoplastic composite systems. INNOVATIVE ADHESIVES FOR AVIATION APPLICATIONS One of the technical needs stemming from the use of composite materials in multimaterial systems is the availability of advanced bonding systems and the reliability of the related bonding/assembling processes. Concerning this topic the ASAP (Adesivi compositi Strutturali per Applicazioni nel settore dei trasPorti) project (DM 29020), a partnership of Alenia Aermacchi, Ansaldobreda, Cetena, Elasis, Centro Ricerche Fiat, CNR, Università degli Studi di Napoli Federico II, led to the development of new adhesive systems with the aim of improving the bonding processes and the product performance for the application in the transportation field, including the aviation. The outcomes of the technology solutions developed during the project cut across several industries: adhesive systems with increased flame resistance, open time and tack time (fundamental parameters in the bonding process of large-size components), toughness and mechanical properties (through the implementation of toughening agents), shear strength (with high-functionality monomers) and hot-melt reactivity. In particular two adhesive systems were developed for aviation applications that can operate at low temperature and pressure while keeping their structural properties (fatigue and impact), their durability and flame resistance as required in such application: a two-component adhesive glue for structural stringer-skin joints and a film adhesive to be used in repair operations. A two-component (AS1096 and AW1095, Elastas Italia products) epoxy paste was developed for glued structural joints. An epoxy-amminic monomer was added to increase the glass transition temperature (Tg). A modification of the AL003280-24-600F epoxy system (a Delta Preg product) for a hot-melt film manufacturing process on a glass fiber scrim was used to be applied in the repair of structural joints. Flammability testing showed that the behaviour of these materials guarantees the flame resistance of the structures and hence people’s safety. The chemo-rheological models developed allowed for the optimization of the final product. The verification of the achievement of the ultimate goals was performed on the prototypes by means of destructive mechanical analysis (SLS single lap shear, DCB - double cantilever beam, damping), non-destructive methods (thermography), smoke emission tests (FST - fire smoke and toxicity tests) and morphological tests. Finally, guide-

lines were produced for the bonding of stringers with the developed systems. The replacement of metallic joints (generally bolted joints) two-component epoxy system with the two-component epoxy system allows for the a 5% weight reduction in a stringer panel (and consequently the reduction of fuel consumption and environmental impact). The cost reduction of the glueing process with the two-component paste is even more significant and amounts to 10%, since curing is done out of autoclave (with reduction of energy consumption, elimination of custom moulds, inert gases and consumables). A 10% reduction of the cost of operation is also achieved in the case of film adhesives developed for repair applications, due to the opportunity of exploiting a film (allowing for a a quicker placement and a continuous strip of glue) that positively affects the adhesive precision and the time required for its application. Some of the most important outcomes of the project, stemming from the dissemination of expertise and partnerships created between the members taking part in the research activities, are the increased skills in the design of adhesive joints and in the evaluation of the influence of technological parameters on the bonding process, the knowledge of new adhesive systems that are not conventionally used in the aviation industry, and the opportunity of implementation of adhesive films with out-of-autoclave curing capabilities in repair operations. These skills were developed also thanks to the interdisciplinarity of the project, where the automotive (Elasis e Centro Ricerche Fiat), shipbuilding (Cetena), railway (AnsaldoBreda) and aviation (Alenia) industries shared their expertise in terms of design and development of adhesive joints.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Cross section of the Boeing 787 fuselage Fig.2: Composite fuselage panel of a cargo aircraft with ‘omega’ currents and C-shaped frames showing increased vibro-acoustic properties, developed in the framework of the ARCA project Fig.3: A step in the lamination process Fig.4: Composite panels being tested for the damping efficiencyPannello in composito strumentato per la valutazione dell’efficacia dello smorzamento Fig.5: FEM model of the ARCA panel Fig.6: Emergency door in thermoplastic composite materials developed during the CESPERT project Fig.7: Experimental apparatus the fiber placement set up by CIRA, a member of IMAST Fig.8: Hail Impact Test Fig.9: Stringer-skin bonding with two-component adhesive past developed during the ASAP project Fig.10: SLS ASTM D3165-07 (left) and DCB ASTM D552801 (right) of the bonded specimens

Compositi

MAPEI

Dopo la rimozione della finitura superficiale, sulle superfici è stato applicato a rullo un primo strato di MAPEWRAP EQ ADHESIVE

Posizionamento sul solaio dell’armatura MAPEWRAP EQ NET

Il tessuto di rinforzo è stato impregnato con una seconda mano di MAPEWRAP EQ ADHESIVE

A Gorizia un liceo in sicurezza con la tecnologia FRP In Italia i problemi connessi alla conservazione e alla prevenzione sismica del patrimonio edilizio ordinario e di pregio storico-monumentale (tra cui molti edifici scolastici ancora in funzione) sono oggetto di crescente attenzione. Gli interventi di recupero e consolidamento, anche se limitati soltanto ad alcune parti della struttura architettonica complessiva, devono anche essere finalizzati al miglioramento sismico. Le necessità del restauro conservativo orientano la ricerca di materiali e tecnologie che siano compatibili con le caratteristiche meccaniche della muratura. Gli interventi devono prevedere tecniche di rinforzo non invasiva e compatibile con la conservazione e la salvaguardia dei manufatti storico-monumentali. In alternativa ai materiali e alle tecniche di rinforzo tradizionali esistono ora materiali polimerici fibrorinforzati (fibre reinforced polymer - FRP) per il consolidamento mediante placcaggio di elementi curvi come archi e volte, e il rinforzo a taglio e/o a flessione di pannelli murari. Gli FRP sono materiali compositi sviluppati recentemente, costituiti da una matrice polimerica di natura organica con la quale viene impregnato un rinforzo in fibra continua con elevate proprietà meccaniche. Offrono una serie di vantaggi: elevate prestazioni meccaniche, basso impatto architettonico, alta durabilità, facilità di applicazione e reversibilità degli interventi. I calcestruzzi rinforzati con FRP si ottengono associando alle strutture in calcestruzzo armato normale o precompresso tessuti, barre, lamine e nastri in materiale composito fibrorinforzato. L’associazione dei due materiali è utilizzata sempre più di frequente per il recupero di strutture esistenti, evitando così la demolizione delle stesse. TECNICHE ALL’AVANGUARDIA Un esempio concreto di applicazione di FRP è costituito dall’intervento effettuato sulle strutture del Liceo Ginnasio Dante Alighieri di Gorizia. Il nucleo dell’edificio attuale risale al 1629 e negli anni ’90 la storica sede di Palazzo Formentini era già stata restaurata, per conservarne il pregio architettonico e garantire la funzionalità didattica. Quest’anno, nell’ottica di una riqualificazione rispettosa delle norme antisismiche, committente e progettista hanno interpellato l’Assistenza Tecnica Mapei per intervenire sulla parte dell’edificio realizzata in tempi più recenti, per un problema di sfondellamento dei solai. L’intervento consigliato ha previsto l’impiego di MAPEWRAP EQ SYSTEM, un sistema sviluppato per distribuire efficacemente i carichi dinamici su elementi non strutturali particolarmente fragili. Il sistema viene considerato come un “wallpaper” grazie alla sua capacità di adattarsi a qualsiasi forma geometrica. Nel caso specifico, il sistema aveva la funzione di connettere efficacemente i vari pannelli in muratura (superficie totale 750 m2 ) con il telaio in calcestruzzo armato. Per evitare un eventuale ribaltamento in caso di sisma e aumentare il tempo di evacuazione della struttura in caso di ter-

Compositi

Esterno del Liceo remoto, durante l’intervento si è proceduto ad assicurare tutto il tamponamento rispetto all’interfaccia fra la muratura e il telaio in calcestruzzo armato. Inizialmente dal solaio è stata rimossa la finitura superficiale sino a raggiungere l’intonaco, che doveva presentarsi meccanicamente resistente e privo di parti danneggiate. Di seguito sulle superfici oggetto dell’intervento è stato applicato a rullo il primo strato di MAPEWRAP EQ ADHESIVE, adesivo monocomponente all’acqua a base di dispersione poliuretanica a bassissime emissioni di sostanze organiche volatili (VOC). Dopo questa operazione lungo ogni singola superficie è stata posizionata l’armatura bidirezionale in fibra di vetro apprettata MAPEWRAP EQ NET. È seguita una seconda applicazione a rullo di MAPEWRAP EQ ADHESIVE in modo da impregnare completamente il tessuto di rinforzo. Dopo circa 24 ore, le superfici sono state livellate con rasatura con la malta cementizia monocomponente PLANITOP 210. Una volta rasate, le superfici sono state primerizzate con il fondo a base di resine acriliche micronizzate in dispersione acquosa MALECH, e i giorni successivi è stata stesa l’idropittura lavabile a base di resine acriliche modificate DURSILITE. MAPEWRAP SYSTEM Mapei ha messo a punto MAPEWRAP, un sistema completo per il rinforzo strutturale con FRP composto da un’ampia serie di prodotti da utilizzare da soli o in abbinamento con altri della linea. A questa famiglia appartengono anche MAPEWRAP EQ NET e l’adesivo monocomponente MAPEWRAP EQ ADHESIVE. MAPEWRAP EQ NET è una speciale armatura composta da fibre di vetro trattate con un appretto a base poliuretanica resistente agli alcali, in grado di conferire alla muratura rinforzata un’elevata duttilità poiché determina una ripartizione più uniforme delle sollecitazioni dinamiche. Il prodotto ha un’ottima resistenza a trazione, è inalterabile, resiste alle aggressioni chimiche del cemento e agli agenti atmosferici, non arrugginisce, è leggero e facile da tagliare e adattare alla conformazione del supporto, rapido nell’applicazione e nella messa in opera.

Alessandra Passaro, Antonella Tarzia - Consorzio CETMA

Una nuova filiera per il riciclo di fibre di carbonio Lo scenario relativo al riciclo delle fibre di carbonio appare frastagliato e in evoluzione. Una comunicazione efficace tra gli attori coinvolti è fondamentale per una vincente penetrazione nel mercato, attraverso il pieno sfruttamento delle potenzialità offerte dalle fibre di carbonio da riciclo.

a continua crescita nell’uso dei materiali compositi pone in maniera sempre più cogente la necessità di prevedere processi di riciclo sia tecnicamente che economicamente sostenibili. La letteratura scientifica si è popolata negli ultimi vent’anni di innumerevoli studi su tale tema. I compositi a matrice termoplastica hanno, sulla carta, maggiori potenzialità di riciclo, in quanto offrono, rispetto ai compositi termoindurenti, la possibilità di essere triturati, fusi e riformati con un completo recupero del materiale originario; la presenza della fibra implica una necessaria diluizione con polimero vergine. Tale potenzialità, sicuramente valida da un punto di vista tecnico, spesso rappresenta un elemento utilizzato a fini commerciali dai venditori di compositi termoplastici e dai relativi utilizzatori che possono fregiarsi dell’uso del Design For Recycling come approccio progettuale. In realtà, benché l’interesse della ricerca scientifica sembra essere diviso in maniera equa tra compositi a matrice termoplastica e compositi a matrice termoindurente, le uniche esperienze di riciclo di compositi a livello industriale riguardano quelli a matrice termoindurente. Ciò è una probabile conseguenza della maggiore presenza di tale tipologia di materiale nei settori di utilizzo e quindi della più pressante necessità, oltre che convenienza, di mettere a punto idonei processi di riciclo. Le possibili alternative, con particolare riferimento ai processi per i compositi termoindurenti, si posso riassumere nel seguente elenco: • riciclo meccanico mediante triturazione e riutilizzo delle polveri/ granuli risultanti come riempitivi per: - SMC o BMC - compositi a matrice termoplastica - pellet termoplastici da stampaggio - calcestruzzo • riciclo chimico mediante pirolisi, con ottenimento di composti a più basso peso molecolare (idro-

carburi liquidi o gassosi) e recupero della fibra • processo a letto fluido per il recupero della fibra • incenerimento controllato con eventuale recupero delle fibre. Ad eccezione quindi del caso in cui i prodotti del riciclo vengono usati per il calcestruzzo, si ottengono materie prime seconde destinate ancora al settore dei materiali compositi. L’industrializzazione e l’immissione sul mercato delle materie prime seconde sono resi particolarmente ardui per diversi fattori. Sicuramente il comparto risente delle difficoltà tipiche legate allo sviluppo di nuove filiere produttive con origine da materiali riciclati (restrizioni di tipo legislativo, necessità di prevedere una logistica idonea per la raccolta, specie nel caso di recupero dei prodotti post-consumo, difficoltà nell’immissione sul mercato legata alla diffidenza tipicamente associata all’uso di materiali riciclati). A ciò si aggiungono (a monte del riciclo) le problematiche di carattere tecnologico dovute alla natura composita del materiale da riciclare, che implica la necessità di gestire porzioni completamente diverse in termini di proprietà fisiche, chimiche e meccaniche. A valle del riciclo occorre invece far fronte alla complessità tipica del mondo dei materiali compositi, a cui sono destinate le materie prime seconde: il pieno sfruttamento delle potenzialità di un materiale composito, perseguito con la contestuale ottimizzazione delle risorse da dedicare al time-to-market, richiede competenze integrate e approfondite relative ai materiali (fibra, matrice, additivi, sizing, binder), ai processi di trasformazione (impregnazione e formatura), ai metodi di progettazione del materiale composito e dei componenti da realizzare, ai metodi di caratterizzazione di materiali e componenti. Ciascuno di questi aspetti non può prescindere dagli altri. Il materiale riciclato (si pensi ad esempio alla fibra di carbonio), rappresenta solo uno degli ingredienti del materiale composito finale; lo sviluppo di proces-

si di riciclo tecnicamente ed economicamente sostenibili, non può prescindere dalla messa a punto del materiale nel suo complesso e del relativo processo di trasformazione. Sul fronte della ricerca tutte le strade elencate in precedenza sono ancora attuali, ma sembra che le uniche soluzioni che abbiano raggiunto una fase industriale e di commercializzazione siano quelle che prevedono il recupero delle fibre di carbonio mediante pirolisi, soluzione, questa, incoraggiata da un lato dall’elevato costo delle fibre di carbonio vergini e dall’altro delle buone caratteristiche delle fibre recuperate per pirolisi associate al loro minor costo rispetto alle fibre vergini. A ciò si aggiungono, come elementi trainanti, le previsioni di una sempre maggiore richiesta di fibre di carbonio nei settori aeronautico ed automobilistico e quindi di una sempre maggiore disponibilità di fibra da riciclare. Anche nel caso della fibra da pirolisi l’ingresso sul mercato è comunque lento e macchinoso. Uno degli elementi che ritarda tali processi e che si aggiunge alle difficoltà accennate in precedenza, è dato dal fatto che spesso i potenziali attori della nuova filiera produttiva non hanno piena consapevolezza del fatto che si ha a che fare con un materiale nuovo, che ha caratteristiche diverse dalla fibra di carbonio vergine e da qualunque altro tipo di fibra esistente in commercio. Se ci aspetta che le fibre da riciclo (in forma milled, chopped o aggregata in un qualunque tipo di architettura), abbiano comportamento in fase di processo e forniscano prestazioni uguali a quelle delle fibre vergini, l’esito della valutazione sarà con molta probabilità negativo. Smorzati gli entusiasmi per il costo fino al 40% inferiore, si ha un conseguente inutile rimpallo tra fornitore di fibra da riciclo e possibile acquirente. Occorre quindi che l’utilizzatore delle fibre da riciclo sia opportunamente informato sulle peculiarità della materia prima seconda, che spesso devono solo essere opportunamente gestite, ma in alcuni casi richiedono studi opportuni di ottimizzazione di materiale e processo.

Compositi

- Una nuova filiera per il riciclo di fibre di carbonio -

Component producers

Semi-finished products producers

Recycled carbon fiber producers Resins, plastic materials, additives developers of

Plant and equipment producers

Alcuni degli elementi di diversità tra fibra vergine e fibra da riciclo per pirolisi sono di seguito riportati, insieme alle possibili modalità per una loro opportuna gestione. • Diversi articoli riportano informazioni abbastanza concordi sul fatto che le fibre da pirolisi hanno una resistenza meccanica fino al 20% inferiore rispetto a quella delle fibre vergini, mentre il modulo risulta simile. Una possibile soluzione vincente quindi, che assicura un pieno sfruttamento delle potenzialità della fibra di carbonio riciclata, è quella che prevede l’utilizzo della stessa in sostituzione della fibra di vetro: sostituire fibre chopped di vetro con fibra di carbonio da riciclo implica sicuramente il vantaggio di un maggior rapporto resistenza/peso. • Le fibre da riciclo chopped hanno tipicamente l’aspetto di “fluff”; nel caso in cui vengano destinate a pellet termoplastici avranno una densità apparente minore rispetto a quella delle fibre vergini, ciò implica un adattamento del processo di granulazione. In particolare sarà necessario gestire opportunamente l’alimentazione in tramoggia: nella maggior parte dei casi è sufficiente sostituire l’alimentazione per gravità della fibra con l’alimentazione forzata.

• L’aggregazione della fibra chopped per la produzione di strutture “nonwoven” tipicamente dà origine a strutture che hanno un aspetto diverso dal tradizionale mat in carbonio: a seconda degli specifici impianti di tessitura che si utilizzano, il “nonwoven” può avere, specie in superficie, un aspetto più o meno “lanoso” e può presentare zone di disuniformità in termini di distribuzione della fibra. Occorrerà quindi che i produttori di semivalorati (prepreg) adattino le proprie attrezzature alla nuova morfologia dei prodotti da riciclo. La scelta di una terminologia opportuna, che differenzi i prodotti da riciclo da quelli vergini, può aiutare a fare chiarezza e ad una corretta gestione del materiale. Può risultare fuorviante infatti riportare il prodotto con il tradizionale termine di “mat”, come spesso accade; la dicitura non-woven appare sicuramente più opportuna. A quanto sopra riportato si aggiunge il fatto che la pirolisi comporta l’eliminazione del sizing originario presente sulla fibra. Tale sizing deve essere opportunamente ripristinato prima di prevedere l’impregnazione con la matrice, se non si vogliono compromettere le prestazioni meccaniche del composito finale. A livello europeo, aziende che producono fibre di carbonio riciclate per pirolisi

Pyrolysis

milled

chopped

compounding

Thermoplastic pellet Injection moulding

Injection moulding

Thermoplastic composite component

Fig.1: Catena produttiva della fibra di carbonio da riciclo: attori coinvolti e possibili scenari

INGLESE Compositi

non-woven Pre-impregnation

End-user

sono presenti in Germania (CFK Valley Stade RECYCLING GmbH & Co. KG), Regno Unito (ELG Carbon Fibre) e Italia (Karborek RCF). Un caso a sé è rappresentato dall’esperienza BMW, che produce i modelli i3 e i8 con porzioni in fibra di carbonio da riciclo nel tettuccio e nella i3 anche nella struttura del sedile. BMW ha promosso un ciclo chiuso e una completa integrazione verticale di filiera: le fibre da riciclo provengono dagli scarti di lavorazione delle porzioni di tessuto secco di carbonio, che, opportunamente trattate meccanicamente dalla SGL Automotive Carbon Fibers, vengono poi impregnate per RTM ad alta velocità per la produzione dei nuovi componenti. Non si tratta quindi di fibre provenienti da pirolisi. In questo scenario frastagliato e in continua evoluzione, anche l’Italia sta facendo la sua parte. L’azienda Karborek RCF, collocata in Puglia a Martignano (Lecce) ha raccolto l’eredità di Karborek SpA e in meno di due anni ha ultimato un impianto di riciclo per pirolisi attualmente in fase di avvio. L’azienda ha ricevuto un forte impulso dalla presenza dell’importante polo aeronautico pugliese, trainato da Alenia Aermacchi (Foggia e Grottaglie), da Agusta Westland (Brindisi) e dal relativo indotto, costituito da molteplici aziende operanti nel settore dei compositi. Karborek RCF, che riceve un buona parte del materiale da trattare dal settore aeronautico, è in grado di fornire fibre da pirolisi in for-

BMC - SMC

Prepreg

 

 

Thermosetting composite component

Infusion RTM

PRODUCTION

ma di milled (100÷300 µm) e chopped (15÷50 mm), con sizing e senza sizing. A pieno regime sarà in grado di trattare 1.500 tonnellate di materiali di scarto. Uno dei punti di forza dell’azienda è rappresentato dalla collaborazione con gruppi di ricerca dell’ENEA (sede di Brindisi), dell’Università del Salento e del CETMA, eccellenze nel settore dell’innovazione sui materiali compositi. Il CETMA in particolare si pone come obiettivo quello di fornire il giusto supporto tecnico alle aziende, grazie alla sua capacità di dialogare su un piano tecnico con tutti gli attori della filiera produttiva, dagli sviluppatori di materiali polimerici, ai produttori di attrezzature. Nell’ambito di un progetto finanziato dal Ministero dello Sviluppo Economico, è attualmente in fase di sviluppo nei laboratori del CETMA un componente per il settore auto su specifiche CRF (Centro Ricerche FIAT); l’obiettivo è quello di impregnare il nonwoven Karborek con una resina innovativa epossidica termoplastica mediante RTM. Attualmente si è nella fase di ottimizzazione del binder per la produzione della preforma. Oltre al CRF, le aziende con cui il CETMA dialoga per lo sviluppo del componente sono: • Karborek RCF che fornisce il non-woven da riciclo e che otterrà utili indicazioni per l’ottimizzazione dello stesso in vista dell’utilizzo per il processo di RTM, • l’azienda che fornisce la resina innovativa che dovrà essere opportunamente ottimizzata per renderla idonea al processo in questione, • EMS Griltech che è stata individuata come una delle aziende di riferimento per l’ottimizzazione di un formulato da usare come binder per un’opportuna realizzazione della preforma, • AFROS che fornirà supporto nella fase di scaling up del processo, con l’uso di RTM ad alta velocità. AFROS ha già sviluppato attrezzature e processi idonei per le fibre di carbonio da riciclo grazie alle attività svolte nel progetto CRESIM (Carbon Fiber Recycling through Special Impregnation), in cui sono stati definiti i processi di liquid lay-down ed RTM Gap injection idonei per nonwoven da riciclo. A livello italiano è da tempo particolarmente attiva anche la Polynt: sono in fase di ottimizzazione lo stampaggio a iniezione di fibra corta con resina epossidica e lo stampaggio a compressione di SMC ottenuti per pre-impreganzione del non-woven con resina epossidica e vinilestere; in entrambi i casi la fibra da riciclo proviene da Karborek RCF. I settori di sbocco di riferimento sono l’automotive e l’aeronautico; in particolare nel caso del settore aeronautico si punta allo sviluppo di stampi. Come si è potuto desumere da quanto sopra riportato, ad oggi, risulta difficile scovare sul mercato europeo prodotti contenenti fibra di carbonio da riciclo. La scelta di un’integrazione verticale sicuramente è risultata vincente per BMW, che, grazie al completo controllo del ciclo produttivo chiuso messo in atto, ha potuto accelerare i tempi e proporre i primi componenti in fibra da riciclo, per quanto non provenienti da pirolisi. Come si può desumere dalla schematizzazione di figura 1, le alternative possibili sono in realtà molte e può apparire arduo per le singole aziende identificare le soluzioni che offrono maggiori opportunità di finalizzazione. In ogni caso, qualunque sia il livello di integrazione verticale che ciascun segmento della filiera decide di adottare, una comunicazione efficiente ed efficace tra gli attori rappresenta uno degli elementi fondamentali per raggiungere lo scopo comune, rappresentato da una vincente penetrazione nel mercato, attraverso il pieno sfruttamento tecnico ed economico delle potenzialità che sicuramente offrono le fibre di carbonio da riciclo.

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Alessandra Passaro, Antonella Tarzia - Consorzio CETMA

A new value chain for the recycled carbon fibers The scenario relevant to the carbon fiber recycling appears still very irregular and in continuous evolution. An efficient and effective communication among the involved actors of the value chain is a fundamental element to reach the common goal to reach a winning market penetration, by the full technical and economical exploitation of the potentialities offered by the carbon fiber recycling.

he continuous growth of the composite material use points out in a more and more compulsory way the need to define recycling processes efficacious both from a technical and economical point of view. The scientific literature has been crowded with innumerable studies on this subject in the last twenty years. The thermoplastic matrix composites offer theoretically more potentialities for recycling, as they give the possibility to be grinded, melted and re-shaped with a complete recovery of the original material; the presence of the fiber involves the need of dilution with virgin matrix. This possibility is surely valid form a technical point of view, but it is often an element used for marketing purposes by thermoplastic composite sellers and end-users that can be titled of the use of Design For Recycling approach. Actually on spite of the scientific interest seems to be equally divided between thermoplastic matrix composite and thermosetting matrix composite, the unique industrial composite recycling experiences are relevant to thermosetting composites. This is a possible consequence of the higher presence of this kind of material in the relevant sectors and so of the more pressing need and convenience in the development of suitable recycling processes. The possible alternatives, with particular reference to the processes for thermoset composites are reported in the following list: • Mechanical recycling by shredding and re-use of the resulting powders/granules as filler for: - SMC or BMC - Thermoplastic matrix composites - Thermoplastic pellet for injection moulding - Concrete • Chemical recycling by pyrolysis and production of chemicals with low molecular weight (liq-

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uid or gaseous hydrocarbon) and fiber recovery • Fluidized bed process for fiber recovery • Controlled incineration and possible fiber recovery. Excluding the use of recycled material in the concrete, the secondary raw materials are still destined to the composite material sector. The industrialization and introduction into the market of the secondary raw materials are make particularly hard for several factors. Surely there are the typical difficulties linked to the development of new value chain originated by recycled materials (laws restrictions, need to foresee a suitable logistic system for the collection, in particular in the case of post-consuming products recovery, difficulties in entering the market due to the typical diffidence in the use of recycled materials). Moreover there are the technological complications due to the composite nature of the virgin material, that imply the need to manage portions that are completely different in terms of physical, chemical and mechanical properties. Afterwards the recycling, the typical complexity of the composite material world has to be faced: the full exploitation of the composite material potentialities, pursued with the contemporary optimization of the resources dedicated to the time-to-market, needs integrated and deep skills on materials (fiber, matrix, fillers, sizing, binder), transformation processes (impregnation and moulding), material and components design methods, material and components testing methods. Each of these aspects cannot leave the others out of consideration. The recycled material (think for example to the carbon fiber) is only one of the ingredient of the final composite materials; during the development of recycling processes both technically and economically sustainable, the whole material development

and the relevant transformation processes must be taken into account. From the research activities point of view all the pathways previously listed are still topical, but the unique solutions that seem to have reached the industrial and commercialization stage are the ones that foresee the recovery of the carbon fibers by pyrolysis; this solution is encouraged by the high virgin fibers cost on one side and the good characteristics of the fibers recovered by pyrolysis on the other, associated to the lower cost with respect to the virgin fibers. Moreover the prevision of an increasing demand of carbon fibers in aeronautic and automotive fields (and so of fibers availability for recycling) is another pulling factor. Even in the case of fibers by pyrolysis the first step in the market is slow and complex. One of the elements that retards such processes and that has to be added to the previous mentioned difficulties, is the lack of awareness by the possible actors of the value chain of the fact that they are facing a new material, with characteristics different form the virgin carbon fiber and from any other kind of fiber existing on the market. The recycled fibers, in filled, chopped or nonwoven form, have properties different from the virgin ones, both in terms of behavior during the transformation process and in terms of performances they provide to the final composite material. So after the initial interest due to the lower cost, often there is a useless rebound between the recycled fiber provider and the potential customer. The users of the recycled fibers should be properly informed on the peculiarity of the secondary raw material, that often have just to be duly managed, but in some cases require suitable studied for the material and process optimization. Some differences between virgin and recycled fibers (by pyrolysis) are here reported, together with the possible modality for their suitable management. • Many scientific papers agree on the fact that the fibers obtained

by pyrolysis have the mechanical strength that is 20% lower than the one of the virgin fibers, whereas the modulus is quite the same. So a possible winning solution, that ensures the full exploitation of the recycled carbon fiber, is to use it substituting the glass fiber: the substitution of chopped glass fibers with recycled carbon fibers surely imply the advantage of a higher strength/weight ratio. • The recycled chopped fibers typically have a “fluff” aspect; if they are destined to thermoplastic pellet reinforcement they will have a lower bulk density with respect to the virgin fibers; as a consequence the adaptation of the compounding process is needed. In particular the feeding should be properly managed: it could be sufficient to substitute the gravity feeding with forced feeding. • The binding of chopped fibers for the nonwoven structures production typically lead to structures having a different morphology from the traditional carbon mat: on the basis of the specific textile equipment used, the nonwoven could have a “woolly” aspect, in particular on the surface, and could present irregular zones in terms of fiber distribution. As a consequence the semi-finished product (prepreg) manufacturer could be required to adapt their own equipment to the new morphology of the recycled products. The use of an appropriate terminology can help to clarify. The use of the term “mat” could be misleading; the words “non-woven” are more appropriate. Moreover the pyrolysis involves the destruction of the original fiber sizing. Such sizing has to be duly restored before the impregnation stage, otherwise the mechanical performances of the final composite are compromised. At European level companies that produce recycled carbon fibers by pyrolysis are present in Germany (CFK Valley Stade RECYCLING GmbH & Co. KG), United Kingdom (ELG Carbon Fibre) and Italy (Karborek RCF). A separate cases is represented by the experience of BMW, that produces the i3 and i8 models containing portion of recycled carbon fibers in the roof. BMW promoted a closed loop and a complete vertical integration of the value chain:

the fibers come from the scrap of the dry portion of the woven fabric, that are duly handled by SGL Automotive Carbon Fibers, and then are impregnated by high speed RTM for the manufacturing of the new components. The BMW recycled carbon fibers do no come from pyrolysis. In this very irregular and continuous evolving scenario, Italy is actively participating to important initiatives. The company Karborek RCF, placed in Apulia, pick up the inheritance of Karborek SpA and in less than two years ultimate its pyrolysis recycling plant. The company surely received a great boost by the presence of the important Apulian aeronautical pole, driven by Alenia Aermacchi (Foggia and Grottaglie), Agusta Westland (Brindisi) and the relevant induced activity, represented by many companies working in composite field. Karborek RCF receives the main part of the material from aeronautical field and is able to provide recycled fibers by pyrolysis in form of milled (100÷300 µm) and chopped (15÷50 mm), with and without sizing. At full capacity it will be able to recycle 1.500 tons per year of waste material. One of the strength points of the company is represented by the cooperation with the research groups of ENEA, University of Salento and CETMA, that represent excellences in the field of composite materials. CETMA in particular has the aim to provide the right technical support to the industries, thanks to its capacity to dialogue on a technical layer with all the actors of the production chain, from the polymeric material developers to the equipment producers. Within a project funded by Italian Economic Development Ministry, CETMA’s researchers are developing a component for the automotive field on the basis of requirements provided by CRF (Centro Ricerche FIAT); the aim is to impregnate by RTM the felt produced by Karborek with an innovative thermoplastic epoxy resin. Now the binder for the preform manufacturing is being optimized. Apart from CRF, the other companies CETMA is dialoging with for the component development are: • Karborek RCF that provides the recycled felt; useful indications for the felt optimization will be given; • The company provider of the innovative resin, that will be duly optimized to make it suitable for the specific process; • EMS Griltech has been individuated as one of the company for

the binder optimization and a proper preform manufacturing; • AFROS that will provide support in the process scaling up, by the use of high speed RTM. AFROS has important experiences in the developing of equipment and processes suitable for the recycled carbon fibers, thanks to the activities carried out in the CRESIM project (Carbon Fiber Recycling through Special Impregnation); within this project AFROS defined the processes of liquid lay-down and RTM Gap injection suitable for recycled carbon nonwoven. At Italian level is also Polynt particularly active: the injection moulding of recycled chopped fibers with epoxy resin are now being optimized, together with the compression moulding of SMC obtained by pre-impregnation of non-woven with epoxy resin and vinyl ester resin; in both cases the recycled fiber comes from Karborek RCF. The outlet sectors are the automotive and the aeronautic ones; in particular the company aims at the development of tool for aeronautics. As one can deduce from the above shot description, today is difficult to found products containing recycled carbon fibers on the European market. The choice of a vertical integration has been a winning point for BMW that, thanks to a complete control of the closed production loop, could accelerate the time-to-market and propose the first components with recycled carbon fibers even if not obtained by pyrolysis. As one can deduce from the figure 1, there are many possible alternatives and in could appear hard for the each company to identify the solutions that offer the best opportunities. In any case, whatever could be the level of vertical integration that a company decides to adopt, an efficient and effective communication among the actors of the value chain is one of the fundamental elements to reach the common goal represented by a winning market penetration, through the full technical and economical exploitation of the potentialities that are surely offered by the recycled carbon fibers.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Recycled carbon fiber value chain: involved actors and possible scenarios

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Marco Giachi, Matteo Martignani, Stefano Maglio - Team Onda Solare

Emilia3: non è un aeroplano, ma quasi 3000 km nel “bush” australiano per il WSC (“World Solar Challenge”) a ottobre del 2013 e 1200 km nel deserto di Abu Dhabi lo scorso gennaio sono il biglietto da visita della nuova vettura sempre sviluppata dal team di Onda Solare con base a Castel San Pietro e la partecipazione dell’Università di Bologna.

Fig.1: Emilia3 in gara nel corso del WSC in Australia lo scorso ottobre

 Fig.2: Nel nuovo regolamento è stata prestata molta attenzione all’abitabilità. Al pilota deve essere garantita una certa visibilità e deve potersi muovere liberamente all’interno dell’abitacolo

Fig.3: Il nuovo regolamento impone un numero minimo di quattro ruote e questo ha posto problematiche nuove per lo studio dell’interferenza reciproca dei quattro passaruota sia tra loro che con la vasca centrale contenente l’abitacolo del pilota

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milia3 è la sfidante italiana nelle gare per auto a propulsione solare. L’auto é la naturale evoluzione di Emilia2 (vedi pubblicazione su Compositi magazine n°24 anno 2012). I risultati ottenuti dalla nuova vettura hanno già ampiamente soddisfatto le aspettative con un 10° posto in Australia ed un 9° ad Abu Dhabi (con 21 iscritti e solo 15 partenti che sono riusciti a superare le prove di qualificazione). Il risultato australiano è stato di grande prestigio in quanto la vettura è arrivata al traguardo finale in 48 ore e 25 minuti (147% del tempo del vincitore) e questo ha introdotto ufficialmente il team di Onda Solare (www.ondasolare.com) nella comunità mondiale delle vetture di questo tipo che vanta, tra i suoi membri, colossi della ricerca e della tecnologia come le Università di Stanford, del Michigan e l’olandese Delft University of Technology insieme all’ateneo giapponese di Tokai supportato direttamente da Panasonic e Toyota. Oltre all’Università di Bologna, il gruppo di Onda Solare è attualmente composto da un pool di aziende tra cui grafitecompositi (marchio di Metaltig srl), TEM electric motors srl, Solbian energie alternative, TBE automazioni industriali ed anche una moltitudine di tecnici di alto livello provenienti da aziende di svariati settori la totalità dei quali partecipano senza ritorni specifici se non la soddisfazione di far parte di una iniziativa affascinante per la tecnologia che comporta e le prospettive che offre in vista di una mobilità veramente sostenibile e non invasiva per l’ambiente che ci circonda. Anche la riscoperta di un automobilismo sportivo più genuino, vero banco di prova e di sviluppo di tecnologie nuove come era agli inizi della storia dell’automobile, ha il suo fascino. E senza perdersi nel gossip dell’automobilismo importante moderno, quello con la “A” maiuscola, spesso fatto di polemiche e regole che ben poco hanno a che fare con l’ingegneria e la progettazione, dovendo seguire gli interessi economici delle grandi case più che la competizione sportiva. Rispetto a Emilia2 la vettura é stata com-

Fig.4: Il telaio è basato su una struttura centrale portante realizzato completamente in carbonio con pannelli sandwich con anima in nomex pletamente riprogettata sia nell’aspetto strutturale che nella forma aerodinamica, quest’ultima rivista anche a causa di un regolamento nuovo che impone ora un numero minimo di quattro ruote (erano tre nel precedente regolamento) ed una visibilità minima per il pilota che comporta una posizione avanzata del posto di pilotaggio con il relativo cupolino. Con il nuovo regolamento l’aerodinamica esce penalizzata perché quattro ruote implicano problemi di interferenza reciproca dei passaruota molto maggiori ed il cupolino avanzato provoca - con il campo di pressione che genera sull’ala - una transizione anticipata dello strato limite da laminare a turbolento che aumenta di molto la resistenza di attrito. I valori attuali di Emila3 sono Cx=0.163 con una leggera deportanza Cz=-0.235. Una vettura neutra (o leggermente portante per diminuire l’attrito delle ruote) sarebbe anche più pagante in termini di prestazione ma andrebbe a scapito della stabilità e, per questo motivo, si è deciso di avere un assetto leggermente deportante, decisamente più sicuro. La parte strutturale e la componentistica sono state riviste completamente, in una naturale evoluzione del progetto, traguardando principalmente due aspetti: peso e accuratezza generale al fine di migliorare il rispetto della forma ideale calcolata dagli aerodinamici e la cura dei dettagli che, in questo genere di oggetti a bassa resistenza, sono molto importanti. Dal punto di vista della rigidezza del telaio già Emilia2 si era rivelata adeguata e si può dire che la riduzione di peso sia stata ottenuta a pari rigidezza. Il telaio di Emilia3 è basato su una struttura centrale realizzata completamente in carbonio con funzioni portanti alla quale sono attaccate le sospensioni e che contiene la cellula centrale con l’abitacolo del pilota. La struttura è realizzata con pannelli sandwich composti da due pelli realizzate ciascuna con due strati di

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tessuto T300 con interposto uno strato di nido d’ape in nomex. A questa struttura viene fissata l’ala composta in due metà inferiore e superiore completamente rimovibili per poter intervenire sulla parte elettronica (facilmente e velocemente). Il sistema frenante è un altro aspetto molto importante ed è stato completamente rivisto dopo l’esperienza di Emilia2. In particolare le nuove pinze autocostruite che non soffrono di surriscaldamento del liquido freno (fading) poiche’ il pistoncino non è a contatto con le pastiglie. Gli altri vantaggi delle nuove pinze sono riassumibili in una riduzione del peso del 40% rispetto alle precedenti, nella realizzazione di un sistema per il freno di parcheggio, e nella riduzione del tempo necessario per la sostituzione della pasticca del freno con nell’eliminazione della forza tangenziale sul pistone che si scarica, invece, sul corpo della pinza molto più robusto strutturalmente. Per quanto molto particolare un veicolo di questo tipo è pur sempre un’automobile che si sposta su strade aperte al traffico a velocità prossime ai 100 km/h e questo rende assolutamente necessario un sistema di sospensioni adeguate. Quelle di Emilia3 sono di tipo a balestra realizzate usando nanofibre speciali e realizzano un cinematismo che può essere modificato velocemente a seconda che si voglia realizzare un assetto più rigido al rollio o al beccheggio. Questo può essere fatto direttamente sul campo di gara nelle normali fasi di messa a punto del veicolo. Le altre zone completamente riprogettate dopo l’esperienza di Emilia2 comprendono i passaruo-

Fig.5: Telaio in carbonio nel quale si vede la balestra sul fianco sinistro e l’abitacolo

Fig.6: La sospensione è basata su un sistema a balestra che collega le ruote posteriori con quelle anteriori per realizzare un sistema anti-beccheggio. In particolari percorsi, dove è più conveniente avere un buon sistema anti-rollio, la stessa balestra può essere montata in senso trasversale collegando le ruote del lato destro con quelle del lato sinistro

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ta, più leggeri grazie ad un nuovo lay-up ed anche in questo caso si parla di un risparmio di peso importante, circa 800 gr ogni passaruota, per un totale di poco più di 3 kg. Attualmente la vettura si colloca nella prima metà della classifica e per salire ulteriormente i passi successivi riguarderanno la completa riorganizzazione dei flussi interni e la realizzazione di una nuova ala molto più levigata nella parte anteriore perché riuscire a realizzare un flusso laminare in quella zona è fondamentale per arrivare nelle prime posizioni. In questo senso il carbonio è un materiale che si presta molto per realizzare un montaggio integrato perfettamente a filo delle celle fotovoltaiche.

Fig.7: Le pinze dei freni sono uno degli elementi maggiormente sviluppati. Le nuove pinze, completamente in carbonio T300, sono il 40% più leggere delle precedenti usate su Emilia2

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Marco Giachi, Matteo Martignani, Stefano Maglio - Team Onda Solare

Emilia3: not an airplane, but very close to it 3000 km in the Australian bush for the WSC (“World Solar Challenge”) in October 2013 and 1200 km in the Abu Dhabi desert last January: this is the business card of the new vehicle developed by the Onda Solare Team based in Castel San Pietro with the participation of the Bologna University.

milia3 is the Italian competitor in the solar propulsion automobile races. The vehicle is the natural evolution of Emilia2 (see article published in Compositi Magazine #24, year 2012). The results achieved by the new car have already largely met expectations with the 10 th place in Australia and the 9 th place in Abu Dhabi (where only 15 among the 21 participants were able to pass the qualification process). The Australian result is particularly prestigious as the car reached the finish line in 48 hours and 25 minutes (147% of the winner time), thus introducing the Onda Solare team (www.ondasolare.com) to the world community of this type or vehicles, a community boasting among others some international staples of research and technology like Stanford and Michigan University in the US, the Dutch Delft University of Technology and the Japanese Tokai University, which is directly supported by Panasonic and Toyota. Besides the University of Bologna the Onda Solare Team presently comprises a pool of companies including Grafite Compositi (a Metal T.i.g. srl brand), TEM Electric Motors srl, Solbian Energie Alternative srl, TBE Automazioni Industriali and a multitude of high-profile technicians from companies operating in different fields. These players do not participate in the project with the aim of a financial gain, they are instead fascinated by technological implications and the perspectives of the initiative in terms of a truly sustainable transport, in full respect of the environment. There is also an inherent charm in the rediscovery of a genuine approach to motor sports, seen as a true test bench and development environment of new technologies as it was at the beginning of automobile history – an approach free from the usual gossip of modern fist-class motor sports, whose controversies and rules have little to do with engineering and design since they must rather deal with the economic interests of big brands than with sport competitions. With respect to Emilia2 the vehicle was completely redesigned both in structural and aerodynamic terms. The aerodynamics had to be reviewed also due to new rules imposing a minimum of four wheels (three was the minimum according to the previous rules) and an minimum visibil-

ity level for the pilot which requires the position of the cockpit and its fairing to be moved forward. The new rules negatively affect the aerodynamics since four wheels produce much greater mutual interference problems between the wheel arches and the advanced fairing – due to the pressure field generated on the wing – causes an earlier transition of the boundary layer from laminar to turbulent flow, thus significantly increasing friction. Emilia3’s present figures are Cx=0.163 and a slight downforce Cz=-0.235. A car with null balance (or with a slight lift in order to reduce wheel friction) would yield better performances but this would be at the expense of stability and for this reason a slight downforce was chosen to improve safety. The natural evolution of the project brought to a complete overhaul of structural design and components, with a focus on two main aspects, i.e. weight and general accuracy, in order to improve the rendition of the ideal configuration drawn by the aerodynamics designers, and a great attention to details, whose importance is crucial in such low-drag objects. Emilia2 had already proved to be satisfactory in terms of chassis rigidity and we can say that the weight reduction was achieved without altering the rigidity. Emilia3’s chassis is based on a central part completely made out of carbon with structural functions. The central cell with the pilot’s cockpit is placed inside it and suspensions are attached to it. The structure is realized with sandwich panels made out of two skins. Each skin is assembled from two layers of T300 fabric and a nomex honeycomb layer in between. The wing is attached to this structure and is composed of an upper and a lower half. Both can be entirely removed in order to easily and quickly operate on the electronics. The brake system is another very important issue and it was completely revised after the Emilia2 experience. In particular the new brake calipers are not prone to overheating of the braking fluid because the piston has no contact with the braking pads. The other advantages of the new calipers can be summarized as a weight reduction of 40% with respect to the previous ones, the realization of a parking brake system and the reduction of the time required to replace the brake pad with

the elimination of the tangential force on the piston, conveyed instead to the much more robust caliper structure. Although it is a very peculiar vehicle, this is nevertheless a car traveling on roads open to a normal traffic with speeds close to 100 km/h and hence a suitable suspension system is absolutely necessary. Emilia3 is equipped with leaf springs that are built with special nanofibers and allow for a kinematic motion quickly adjustable in order to reduce rolling or pitching. This setup can be performed directly on the racetrack during the usual vehicle trimming sessions. Further parts that were completely redesigned after the Emilia2 experience include wheel arches, which were made lighter thanks to a new lay-up and once again allowed for a considerable weight reduction, i.e. about 800 g per wheel arch totaling little more than 3 kg. Presently the car is in the upper half of the classification and the next steps to climb further up the ranking will be the complete reorganization of internal flows and the realization of a new wing with a much smoother front area, since a laminar flow in that area is fundamental to reach the first positions. In this respect carbon is a suitable material that lends itself to a perfect flush mounting with the photovoltaic cells.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Emilia3 racing in the Australian WSC last October Fig.2: New rules reserve much attention to habitability. The driver must be guaranteed a minimum level of visibility and he must be able to move freely inside the cockpit Fig.3: The new regulations impose a minimum of four wheels, which gave rise to new problems due to the interference of the four wheel arches with one another and with the central shell containing the pilot cockpit Fig.4: The chassis is based on a central frame with structural functions completely made out of carbon with sandwich panels and nomex core Fig.5: Carbon chassis. The left leaf spring and the cockpit can be seen Fig.6: The suspension is based on a leaf spring that links the front and back wheel in order to avoid pitching. On particular tracks where a system to avoid rolling is preferred the leaf spring can be mounted in the transverse direction so that the right and left wheels are linked Fig.7: The brake calipers are one of the most advanced elements. The new calipers are fully made of T300 carbon and are 40% lighter than the previous ones used in Emilia2

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

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A cura di SkyronLab Design

Il progetto “Miniproto 2015”

Fig.2: Andamento dei flussi e distribuzione delle pressioni su scafo, deriva e foil

Fig.1: La barca in navigazione lo scorso autunno

n progetto tutto made in Italy per sfidare l’oceano in solitario. Un giovane consorzio tra Promostudi La Spezia e Yacht Club Italiano di Genova, ha messo assieme i giovani ingegneri di SkyronLab Design ed un giovane e promettente skipper, Alberto Bona, affiancati da esperti di livello in tutti i settori che permettono un’adeguata gestione del progetto e alimentano il contatto con le realtà lavorative. Il progetto comincia con l’incontro di due realtà, Promostudi La Spezia, fondazione che gestisce la sede distaccata Spezzina dell’Università di Genova con punta di diamante la facoltà di Ingegneria Nautica La Spezia, e lo Yacht Club Italiano, che è da sempre primo promotore per imprese sportive di alto livello. La sfida che il sodalizio si trova ad affrontare è quella di rivisitare una barca già esistente, modificandone le parti sensibili, come la chiglia e le appendici di prua, e prendere parte alla prossima edizione della regata Mini Transat 2015. Il team è variegato e con i sui membri copre competenze che vanno dalla progettazione alla vela professionistica, dal managing, all’ingegneria, alla lavorazione dei materiali compositi.

LA BARCA Il Mini 756 è un prototipo full carbon originariamente progettato da Sam Manuard nel 2008. La categoria dei “Mini Transat” prevede fondamentalmente una lunghezza massima di 6,5 metri, larghezza massima di 3 metri, immersione massima di 2 metri. La barca deve essere autoradrizzante, ma non ci sono limiti di peso. Scafo e coperta erano stati costruiti in sandwich con anima in Nomex e pelli in fibre di carbonio unidirezionale preimpregnate in epossidica alternate a impregnazione manuale. Tutte le strutture interne originali sono state realizzate in pre-preg. L’albero è stato costruito in fibra di carbonio ad alto modulo con sartiame di PBO. LE “ELABORAZIONI” DEL 2015 Partendo da uno scafo già esistente la possibilità di sfruttare meglio “la potenza del motore” (le vele) risiede principalmente nel migliorare “la tenuta di strada” aumentando la stabilità dinamica e riducendo al minimo il peso di tutte le strutture. Con questo obiettivo il team si è trovato coinvolto nella progettazio-

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Fig.3: Tensioni nella leva di azionamento

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Fig.4: Tensioni nel trave della deriva ne di soluzioni idrodinamiche e strutturali quali una deriva basculante che abbia la possibilità di scorrere lungo il suo asse al variare dell’angolo di canting, senza oltrepassare l’immersione massima definita dal regolamento. La grande

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- Il progetto “Miniproto 2015” novità è quindi la traiettoria quasi orizzontale che percorre il bulbo al variare dell’angolo di rotazione, traiettoria che, su una deriva basculante standard, descrive un arco di circonferenza. La progettazione idrodinamica delle appendici si è basata su di un processo di ottimizzazione condotto su migliaia di geometrie. Sono stati inizialmente definiti i vincoli progettuali e di conseguenza i parametri su cui fare variare le geometrie. Attraverso simulazioni CFD si sono definite le prestazioni delle varie coppie di derive e foils. LA PROGETTAZIONE STRUTTURALE Su queste barche ogni grammo di peso è vitale. Quindi l’obiettivo era la realizzazione dei nuovi componenti con il minimo peso possibile mantenendo ampi fattori di sicurezza. I carichi dinamici derivanti dalla deriva sono stati valutati con approcci analitici. Un’analisi accurata è stata fatta non solo sull’orientamento e le sequenze di laminazione, variando dettagliatamente il numero ed il tipo di rinforzi a seconda delle zone, ma specialmente curando la

Fig.5: Semi madieri e baglio realizzati fuori opera e pronti per il montaggio

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- Il progetto “Miniproto 2015” forma geometrica delle nuove strutture sia per ottenere i migliori risultati dalle caratteristiche specifiche dei materiali compositi, sia per ottenere la migliore qualità di costruzione. Il sistema di movimentazione della nuova deriva è basato su di un perno realizzato in lega 17-4 PH che ne permette la rotazione trasversale ed una struttura a portale incernierata sulla testa di due madieri che funge da leva di azionamento. Questa leva è uno dei componenti maggiormente sollecitati e di difficile realizzazione con i materiali compositi. La forma finale è stata raggiunta dopo varie evoluzioni verificate di volta in volta con l’analisi ad elementi finiti. Il nuovo sistema ha inoltre richiesto la progettazione e ricostruzione di tutte le strutture della zona centrale della barca. Per comprimere i tempi di realizzazione, diminuire le operazioni all’interno della barca in spazi estremamente ristretti le nuove strutture sono state concepite per essere realizzate fuori opera e successivamente incollate a bordo. La fase di assemblaggio dei componenti del meccanismo richiede tolleranze millimetriche per permettere il mo-

vimento contemporaneo di rotazione e traslazione su assi eccentrici paralleli e quindi deve essere realizzata con estrema precisione. Per il perno, la deriva, la leva e i nuovi madieri sono stati realizzati modelli di analisi ad elementi finiti. La deriva è stata progettata all’interno del team e costruita presso l’azienda Avant Garde nel basso Garda. L’ottimizzazione fluidodinamica richiede profili sottili che ne rendono critica la rigidità longitudinale e torsionale. Contemporaneamente i limiti di “budget” e di tempo richiedono soluzioni semplici. Quindi è stata scelta una soluzione di compromesso costruendo uno stampo economico per la carenatura laminata con biassiali prep-preg in autoclave e realizzando un trave monolitico di carbonio unidirezionale, sempre in autoclave, ma senza utilizzare stampi. La forma esatta per poterlo incollare nella carenatura è stata ottenuta fresandolo a controllo numerico. La deriva è stata equipaggiata di sensori per monitorarne le deformazioni in navigazione. A marzo la barca navigherà ed avrà già partecipato alle prime regate di preparazione alla Mini transat.

Fig.6: Carenatura e trave durante le operazioni di assemblaggio

Fig.7: Dettaglio dei sensori

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By SkyronLab Design

The “Miniproto 2015” project

wholly Italian project for singlehanded ocean challenges. A young consortium between Promostudi in La Spezia and Genoa’s Yacht Club Italiano put together SkyronLab Design’s young engineers and a young and promising skipper, Alberto Bona, seconded by qualified experts in all sectors for an adequate management of the project and close contact with the work environment. The project began with the meeting of two entities, Promostudi La Spezia, a foundation that manages the local branch of the Genoa University, and the Yacht Club Italiano, which has always been a promoter of high level sport enterprises. The challenge facing the association is to revisit an existing boat, modifying its key parts like keel and bow appendices, and to take part in the next edition (2015) of the Mini Transat regatta. The team is multi-faceted and its members’ competences run the gamut from design to professional sailing, from management to engineering, to composite materials manufacturing. THE BOAT Mini 756 is the full carbon prototype originally designed by Sam Manuard in 2008. The “Mini Transat” Class essentially contemplates a 6.5 meter maximum length, 3 meter maximum beam and 2 meter maximum draft. The boat must be self-righting, but there are no weight limits. Hull and deck were built using a Nomex core sandwisch and prepreg unidirectional carbon skins alternated with manually impregnated ones. All original internal structures are prepreg. The mast was built using high modulus carbon fiber with PBO rigging.

2015 MODS Starting with an existing hull, the possibility of better using “engine power” (the sails) mainly resides in imprproving “road holding” by increasing dynamic stability and minimizing the weight of all structures. With this objective the team found itself involved in the design of hydrodynamic and structural solutions such as a canting keel that can slide along its axis as the cant angle varies, without exceeding the maximum draft defined by the Class Rule. The great novelty is therefore the near - horizontal path taken by the bulb as the cant angle varies, while in a standard canting keel such path is a circumference arc. The hydrodynamic design of appendices is based on an optimization process carried out on thousands of geometries. Design constraints were initially defined, and consequently the parameters varying geometries. The performances of the various keel/foils combinations were defined through CFD simulations. STRUCTURAL DESIGN On these boats, every gram is vital. Therefore the objective was buiding new components with the minimum possible weight, while maintaining ample safety factors. Dynamic loads originated by the keelwere evaluated by analytical methods. An accurate analysis was carried out not only on the orientation and lamination sequences, varying individually the number and type of reinforcements according to areas, but especially shaping the new structures both in order to obtain the best results from composites’ specific properties, and to achieve the best possible quality of construction. The new canting keel actuation is based on an alloy 17-4 PH pin that al-

lows crosswise movement, and a gantry structure hinged over the bases of two cross-members, that acts as actuating lever. This lever is one of the most stressed components, and it was difficult to make it using composites. Its final shape was reached after several evolutions, each checked by finite elements analysis. The new system also required the redesign and reconstruction of all structures in the boat’s central area. In order to shorten fabrication times and limit toperations inside the boat in extremely close spaces, the new structures were conceived for external construction and subsequently glued onboard. The mechanism components assembly phase requires millimeter tolerances, in order to allow the simultaneous movements of rotation and translation over parallel, excentric axes. It must therefore be executed with extreme precision. Finite elements analysis models were made for the pin, the lever and the new cross-members. The keel was designed within the team and built at the Avant Garde factory, lower Garda lake. The hydrodynamic optimization requires thin profiles, which entail critical longitudinal and torsional stiffness. At the same time, budget and time constraints require simple solutions. A compromise solution was therefore selected, building an economical mould for the autolaved biaxial prepreg fairing, and fabricating a monolithic, unidirectional carbon, also autoclaved beam but not requiring a mould. The exact shape required for glueing it to the fairing was achieved by CNC milling. The keel was equipped with sensors, in order to monitor deformations under load. By the March the boat will be sailing and will already have taken part in the first preparation regattas for the MiniTransat.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: The boat sailing last autumn Fig.2: Flow layout and pressure distribution over hull, keel and foil Fig.3: Tensions in the actuator lever Fig.4: Tenions in the keel beam Fig.5: Half-lower and top cross-members fabricated outside and ready for assembly Fig.6: Fairing and beam during assembly operations Fig.7: Sensors detail

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COMPOTEC

Comincia la ripresa!

Si è appena conclusa la 7° edizione di Compotec, la Rassegna Internazionale dedicata ai materiali compositi e alle tecnologie correlate. Il successo di Compotec è stato decretato dalla presenza di 91 marchi, di cui 21 stranieri, e dal fitto programma di convegni tecnici che, come ogni anno, caratterizzano la manifestazione e ne fanno un appuntamento irrinunciabile per tutti gli addetti ai lavori. All’interno del padiglione D di CarraraFiere, riservato al Compotec, hanno esposto produttori, distributori e istituti di ricerca; realtà leader del mercato che hanno presentato quanto di meglio l’industria dei compositi ha da offrire in termini di materie prime, tecnologie e servizi. Le aziende presenti, così come gli organizzatori, hanno espresso soddisfazione per questa edizione della manifestazione, segno di una ripresa anche in Italia di un comparto in continua crescita nel mercato europeo, grazie agli stimoli provenienti dai settori trasporti e costruzioni. In Europa l’industria dei compositi ha mostrato un aumento del 2% nel suo segmento più grande – la vetroresina – superando per il 2014 le attese del settore. Compotec ha consolidato l’alto profilo qualitativo della manifestazione attraverso alcuni convegni e workshop di carattere tecnico che in una vera e propria maratona di tre giorni hanno presentato al pubblico le tecnologie e le nuove soluzioni applicate all’industria. Vale la pena ricordare il convegno organizzato da Assocompositi – da quest’anno in partnership con la manifestazione - e dal Politecnico di Milano dedicato alla tecnologia RTM, e quello organizzato da CarraraFiere su come “progettare con i materiali leggeri per una nuova mobilità” durante il quale tecnici e utilizzatori hanno esaminato il potenziale dei compositi termoplastici nelle applicazioni più avanzate nel settore dei trasporti. Grande successo anche per il convegno dedicato alla stampa 3D accompagnato dalla presentazione del prototipo in scala 1:14 dello yacht a vela Livrea26. Il modello del Livrea26 ha focalizzato l’attenzione dei visitatori così come le 2 stampanti 3D che hanno consentito di mostrare dal vivo la realizzazione di oggetti attraverso questa nuova tecnologia ed hanno rappresentato una novità importante all’interno dell’offerta fieristica di quest’anno. Inoltre, i visitatori hanno potuto ammirare anche un idrovolante realizzato in compositi di vetro-kevlar-carbonio; non un modello ma un esemplare funzionante del velivolo progettato dallo Studio Lenci. Oltre al puro momento espositivo, gli espositori di Compotec hanno preso parte anche quest’anno agli incontri B2B organizzati da CarraraFiere in collaborazione con ICE – l’Agenzia per la promozione all’estero e l’internazionalizzazione delle imprese italiane – che come ogni anno coordina l’incoming di buyers

selezionati per incrementare le opportunità di business delle aziende presenti in fiera. La partecipazione di questi operatori, provenienti da vari paesi europei ed extra europei, rappresenta un valore aggiunto sia per le imprese che per il profilo internazionale della manifestazione. Ma la vera novità di quest’anno è stata la partecipazione di un gruppo di startup, 11 in totale, che hanno aderito all’iniziativa startup@SeatecCompotec in uno spazio dedicato interamente alle idee innovative di queste realtà, frutto della creatività di giovani imprese in cerca di un loro spazio sul mercato. In particolare, le 4 startup presenti per la sezione dei compositi hanno presentato interessanti innovazioni dal punto di vista dell’analisi dei materiali. CarraraFiere si pone così come focalizzatore di innovazione in settori, quello della nautica e dei compositi, già profondamente caratterizzati dall’alto contenuto tecnologico. Compotec si è tenuta congiuntamente alla 13° edizione di SEATEC, la rassegna internazionale di tecnologie, subfornitura, e design per imbarcazioni, yacht e navi e alla 5° edizione di Yare, il salone dedicato al refit dei superyacht. Un’offerta espositiva sempre più completa e qualificata, che ha visto la presenza di 8.000 visitatori professionisti e un totale di 486 marchi in esposizione. Compotec, Seatec e Yare vi danno appuntamento al 2016! Le date della prossima edizione saranno pubblicate a breve. CarraraFiere, dietro richiesta delle aziende, sta valutando l’opportunità di modificare il calendario della manifestazione, posticipando la data di apertura, al fine di andare incontro a tali richieste e consentire un maggior afflusso di visitatori in un periodo più favorevole dal punto di vista climatico.

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Marco Regi e Francesco Sintoni

I compositi per l’architettura d’interni Applicazioni di materiali plastici e compositi nel settore dell’architettura degli interni e nell’architettura urbana. L’obiettivo del designer è coniugare le proprietà del materiale con le esigenze di stile, moda, gusto anche in termini di sostenibilità ambientale e di costo.

er creare un prodotto per l’architettura d’interni, del fashion, dei complementi d’arredo, utilizzando efficacemente i materiali compositi, è necessario intendere il design come un “mondo” che si fonda su tecnologie che sono allo stato dell’arte e che si riferiscono a linguaggi delle forme standard, consumi razionali e comportamenti logici aderenti al binomio domanda-offerta; questo rispondendo alla concorrenza degli altri materiali attraverso un processo di diversificazione in grado di proporre un’offerta globale. Al di là di un’analisi che aiuta a definire le linee guida concettuali da seguire con l’obiettivo di far dialogare il “materiale” con il mondo del design, della moda e dell’architettura, è necessario rendere evidente la possibilità attuale di realizzare materiali “plastici” (cioè uno dei due componenti del composito) con una serie di proprietà che li declinano come ignifughi, autoestinguenti, trasparenti, opachi, brillanti, luminescenti, rifrangenti, riflettenti, fotocromatici, fosforescenti, termocromatici, autopulenti, elastici, duttili, aromatizzati, antimacchia, vibroassorbenti, autopellanti, antistatici, traspiranti, conduttori, impermeabili, assorbenti, autolubrificanti, antifrizione, a memoria di forma - in sintesi, “customizzare” un materiale per ogni esigenza espressa dal mercato. Con riferimento alle applicazioni d’interni la prima domanda a cui sia il designer che l’utilizzatore è bene diano risposta è: “Per il concept che si sta sviluppando si sta impiegando un materiale naturale o artificiale?”. La storia dei materiali plastici ruota sostanzialmente attorno al polietilene, il

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cui elevato punto di fusione ha aperto la possibilità di sviluppo di applicazioni innovative e, ancor di più, attorno alla scoperta del polipropilene isotattico che valse a Giulio Natta il Premio Nobel insieme al Tedesco Karl Ziegler del 1963. Sono gli anni della parola Moplen che ha accompagnato la pubblicità e la crescita di un’intera generazione nel periodo del boom economico. Un materiale richiede tre elementi: materia, energia e tecnologia. E deve essere finalizzato a un’idea/prodotto (materia → materiale → oggetto). Il premio Nobel Manfred Eigen ha definito «architetti delle molecole» i chimici progettisti dei nuovi materiali tailor made, ovvero tagliati su misura per rispondere a ogni specifico requisito ed esigenza. L’aspetto forse più affascinate del composito è che consente di produrre oggetti di largo consumo a basso costo, ma anche elementi per applicazioni critiche come quelle medicali, le sonde spaziali, barche da competizione, dispositivi elettronici, il tutto passando attraverso tessuti glamour, occhiali alla moda, borse, orologi, lampade, oggetti per la cucina, divani, sedie, etc. Ovvero, esprimendo un potenziale tecnologico e commerciale pressoché illimitato. Questo è favorito dalla facile reperibilità delle materie plastiche, oltre che da una diffusione del benessere che ha modificato le dinamiche della società nell’uso dei beni. Un esempio emblematico sono le calze di Nylon che nel solo primo anno di commercializzazione hanno visto la vendita di oltre 90 milioni di pezzi. In molti settori commerciali il passaggio dal materiale “tradizionale” (es. metallico) a quello “innovativo” (composito)

si è tradotto in una crescita esponenziale del business di questa innovazione di breakthrough. Un elemento che rende accattivante l’uso del composito nell’architettura d’interni è la possibilità di additivarlo con cariche naturali e/o artificiali che, oltre a garantire specifiche caratteristiche strutturali, conferiscono ad esso proprietà particolari (es. l’uso di pigmenti dà al materiale composito colorazioni di tutti i generi fino ad arrivare, nel caso del polietilene, a garantire anche effetti di fosforescenza). Ed è nell’ambito della tecnologia dei compositi colorati che si espandono prospettive applicative di estremo interesse perché sostenibili in termini ambientali come risposta ai processi di rapida deforestazione e ai problemi di smaltimento dei materiali plastici. È ormai più di un trentennio che la società giapponese EIN Engineering ha sviluppato Wood Plastic composites come sostituti del legno usando scarti di legno tenero e resine polimeriche riciclate. Ormai fabbricati con molteplici tonalità cromatiche tipiche di legni rari detengono in Asia circa il 60% del mercato dell’arredo dei paesaggi architettonici. Maggiore permanenza della colorazione nel tempo, resistenza ai processi di degrado ed usura connessi all’esposizione ambientale rendono oggigiorno di estrema attualità questi materiali come trent’anni fa nella ricerca di nuovi pigmenti ed additivi idrorepellenti, e di processi di pre-impregnazione delle fibre di legno. Il composito non è un surrogato di materiali più ‘’nobili’’, ma un nuovo materiale, innovativo e flessibile che ha modificato anche mode, costumi e abitudini. Un’esperienza significativa per l’industria delle materie plastiche e dei compositi è quella dello sviluppo dei tessuti detti tecnici (bi e tri - dimensionali) capaci di fornire resistenza al fuoco, alle macchie, alle muffe, all’abrasione, oltre che garantire impermeabilizzazione, antistaticità, isolamento termico, protezione dalle onde elettromagnetiche, con ricadute anche nel mondo del fashion e dello sport.

Un altro settore è quello degli elementi sottili (ottenuti attraverso la tecnica della microlaminazione): da citare sono la prima pellicola in materiale retroriflettente per la segnaletica stradale del 1939, le pellicole per la conservazione degli alimenti, i prodotti per i settori dell’illuminotecnica e dell’elettronica miniaturizzata. Le plastiche possono essere usate anche come collanti (nastri adesivi, colle, sigillanti, etc.) ed elementi di giunzione. Renzo Piano le ha paragonate a ciò che rappresentava la saldatura per gli architetti di un tempo. Paragone, da declinare tenendo conto delle seguenti linee guida: • resistenza e leggerezza • isotropie o anisotropie del materiale • nuovi stili e forme geometriche • processi di produzione (laminazione, iniezione, etc.) • soluzioni ibride (composito + metallo, ovvero plastica + metallo). Giunzioni nanostrutturate incollate in acciaio inossidabile con acciaio inossidabile, acciaio-alluminio, acciaio-legno anche al posto della saldatura e così via per raggiungere un’elevata riflettanza in arredi e mobili per ufficio, o una migliore continuità ottica in forme complesse in un tentativo continuo volto ad aumentare le soluzioni tecnologiche avanzate e nuove a disposizione dei designer di interni che vogliono garantire i migliori effetti di colore, una maggiore durata del prodotto e soluzioni originali che erano prima inimmaginabili. Quello sottolineato in precedenza è evidente non solo nelle linee di tendenza che stanno prevalendo nell’architettura di interni, ma anche nel restauro e nel consolidamento strutturale di edifici dove materiali come i compositi polimerici rinforzati con fibre di carbonio intrecciate stanno ricevendo crescente attenzione dagli addetti ai lavori. In questo contesto i compositi diventano ancora più sofisticati, permettendo l’incapsulamento dei sensori (es. fibra ottica) per il controllo del loro invecchiamento e comportamento strutturale nel tempo (health monitoring mediante l’approccio diagnostico e prognostico alle questioni di sicurezza delle strutture). Pertanto, non è possibile discutere in modo moderno dell’architettura di interni che interiorizzi l’impiego dei materiali compositi se i progettisti e gli architetti non considerano questioni come la sicurezza (sicurezza, tossicità, ciclo di vita) e la sostenibilità ambientale (processi e di smaltimento). Un materiale plastico (busta, bottiglia, forchetta, etc.) é nella sua accezione comune considerato come un materiale di scarso valore e rispondente al criterio “usa e getta” (discorso diverso

per un composito strutturale dove uso e dismissione seguono principi e regole diverse); questo fa associare ad esso un attributo di ‘’elemento negativo’’ nel contesto della sostenibilità ambientale e dell’emergenza inquinamento (smaltimento). Un polimero, infatti, ha una notevole inerzia chimica che da un certo punto di vista garantisce ad esso lo status di “igiene” durante la sua vita utile, dall’altro lato lo rende critico nella fase del suo smaltimento. Il composito polimerico è un materiale di sicura prospettiva nel settore delle infrastrutture civili ed industriali, offre un’elevata resistenza alla corrosione rispetto al calcestruzzo ed ai metalli e questo lo rende vantaggioso nella realizzazione di tubi, serbatoi, condotti, rivestimenti per tetti e pareti, paratie marine. Inoltre, consente la sostituzione di rivestimenti in muratura danneggiati nelle parti alte di edifici, l’aggiunta di volumi abitabili ad edifici, la realizzazione di strutture e fondazioni di edifici. Un altro settore applicativo nell’architettura d’interni è quello della contaminazione e del filtraggio. Con i tessuti polimerici è possibile realizzare sofisticati sistemi di filtraggio, soprattutto in ambienti fortemente aggressivi (temperature elevate, presenza di acidi e di fumi); l’interesse notevole ad utilizzarli per queste applicazioni dipende dal rapporto che intercorre tra le dimensioni tipiche delle particelle trattenute per osmosi inversa con il tessuto. Sono possibili anche processi di ultrafiltrazione e di nano filtrazione con metodologie che operano a livello molecolare. Tra le altre applicazioni, vanno citati i pannelli polimerici a nido d’ape a struttura capillare utilizzabili con i doppi vetri: questa applicazione fornisce ai vetri simultaneamente proprietà di isolamento termico e di diffusione luminosa. I laminati trasparenti con decorazioni interne tridimensionali, quelli con inclusioni in fibra naturale poste in superficie e disposte randomicamente per conseguire su essi effetti artistico e quelli ibridi, ov-

vero a matrice di legno con interposti inserti polimerici. Le strutture a nido d’ape note in ambito strutturale come pannelli honeycomb trovano anche in architettura diverse applicazioni, sia di tipo estetico-decorativo, che funzionale. Interessanti sono gli honeycomb tubolari prodotti in USA per l’isolamento dei vetri da camera. L’arredamento può trovare nel composito, così come già è nel caso del materiale plastico, il campo di maggiore applicazione. Sedie, tavoli, lampade, oggetti decorativi possono essere prodotti in forme geometriche, colori e qualità illimitate; l’inserimento di pigmenti opportuni all’interno del materiale plastico consente di ottenere un qual si voglia colore, tonalità o pattern complessi e policromatici. Così, il composito polimerico ‘’si mette a disposizione’’ del designer nella ricerca di soluzioni originali e complesse non solo per le geometrie avvolgenti, ma anche per l’accoppiamento di soluzioni policromatiche. Con i gel poliuretani e con i policarbonati vengono regolarmente prodotte sedie e lampade con tecniche rapide ed economiche quali quelle a stampo unico. Il vantaggio sta nel poter ottenere forme innovative e moderne che rendono l’oggetto una vera e propria opera d’arte. L’uso della tecnologia del laser sintering (rapid prototyping) permette l’ottenimento di forme dalla complessità tridimensionale illimitata senza l’uso di stampi. Vanno citati anche i tessuti per divani e poltrone idrorepellenti ed antimacchia nonché mobili di piccole dimensione in materiale composito e polimero. Notevole come applicazione sono le Listening Shells, ovvero poltrone/sculture (DuPont Corian glacier white) particolarmente attraenti per tutti coloro che cercano un modo particolare di ascoltare musica. All’interno di ogni shell-scultura, infatti, la musica viene percepita dall’orecchio in modo particolarmente nitido e pulito, in quanto il Corian, progettato per essere un materiale acusticamente inerte, non da origine a riso-

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- I compositi per l’architettura d’interni nanze. Il suo design è stato realizzato, nel 2004, da Dody Nash e Julian Brown per il «Berio lounge» della Royal Festival Hall di Londra.

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Per i cultori della tecnologia una listening shell è una struttura realizzata partendo da due semistampi (maschio femmina) in compensato, dai quali si realizzano 4 semigusci che vengono poi uniti attraverso l’impiego di adesivi e finiti superficialmente prima dell’assemblaggio finale. In Francia sono stati prodotti, invece, pannelli trasparenti in resina acrilica con “annegate” piante, fiori e piume al proprio interno. In ogni caso, quanto detto non chiude certamente qualsiasi discorso sui campi di applicazione dei materiali polimerici e compositi, perché è un dato di fatto che essi vedono progressivamente aumentato un ruolo primario nel contesto delle cose relative alla sfera umana del glamour, delle risposte creative alle esigenze e dei bisogni più o meno importanti o vitali della nostra vita quotidiana, per gli oggetti che usiamo tutti i giorni e che rappresentano l’effetto di una rivoluzione in atto nei nostri costumi, abitudini volta a trovare soluzioni più utili e confortevoli, ma anche originali. Anche il settore della medicina è interessato anche ai polimeri (cuscini pneumatici schiume elastomero con mem-

brane impermeabili, materassi in lattice e così via), così come oggi ogni elemento delle cucine è realizzato da plastica e compositi secondo le forme, i colori sempre più innovativi e accattivanti; e tra le applicazioni sviluppate in questo campo i materiali per la conservazione degli alimenti. Non vanno dimenticate applicazioni complesse quali il Sony Center a Potsdamer Platz a Berlino (progetto di Helmut Jahn) che su una superficie di 26.000 m² presenta sette edifici con zone commerciali, turistiche e d’intrattenimento. Sono stati necessari 4 anni per realizzarlo (inaugurato il 14 giugno del 2000) con un costo di circa 600M€. Ha una pianta triangolare al cui estremo è presente la BahnTower, un edificio alto ben 103 m che si affaccia sulla Kemperplatz, di fronte alla Filarmonica di Berlino. I progettisti hanno adottato su di essa una soluzione composita molto complessa costituita da uno strato di fibra di vetro ricoperta da un rivestimento in teflon protettivo che permette di ottenere la pulizia della pioggia; la sua inerzia sia alla luce UV che all’ umidità e ai microrganismi mantiene questo tessuto bianco che forma il tetto traslucido nel tempo.

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Composite materials for interior An overview on the applications of plastic and composite materials in the field of the interior design and more extensively in the urban and landscape architecture. The goal of the designer is to match the properties of the materials to what is demanded by style, fashion, taste operators even in terms of environmental sustainability and cost.

o create a product for interior architecture, fashion, furnishing accessories and urban architecture by effectively using composite materials, the word “design” is to be considered as a “world” based on the state-of-the-art technologies, but at the same time referring to standard forms of languages, rational consumption and logical behaviors which are normally fitted to the binomial demand-supply; all this also responding to competition from other materials through a process of diversification able to propose a diversified and global offer. Beyond the analysis which helps to define the conceptual guidelines to be followed in order to bridge the “material” into the design, fashion and architecture environments, it is necessary to put into evidence that the current capacity to make plastics (that is, one of the components of the composite materials) means a wide set of products with a number of properties which decline them as flame retardant, self-extinguishing, transparent, opaque, bright, luminous, reflective, photochromic, phosphorescent, thermochromic, self-cleaning, elastic, ductile, flavored, stain-resistant, vibration-absorbing, antistatic, breathable, conductive, waterproof, absorbent, self-lubricating, anti-friction, shape memory - in short, plastics and composites are “customizable” materials for almost every need expressed by the market. With reference to interior applications the first question which both designers and users are requested to answer to is: “For the concept being developed are we using a natural or artificial material?”. This story basically rotates around the plastics polyethylene, whose high melting point opened new possibilities in the development of innovative applications and, even more, around the discovery of isotactic polypropylene that earned the Nobel Prize Giulio Natta with the German Karl Ziegler, in 1963. These were the years of the word “Moplen” that for a long and daily accompanied the TV advertising and the growth of an entire generation during the period of the economic boom. A material requires three elements - matter, energy and technology - and must be targeted to an idea-product able to drive the creative designer to turn the matter into the material, and the material itself

into the object. The Nobel laureate Manfred Eigen has called “architects of the molecules’ the chemists who are designers of new tailor-made materials or materials tailored to meet any specific requirement or need. Perhaps, the most fascinating aspect of the composite material is a sort of double nature which makes it suitable to both mass consumption items low cost productions, and to components for such critical applications as medical instruments, space probes, racing boats, electronic devices, without forgetting, anyway, that this does not prevent their large use in such fashion items as glamor tissues and stylish glasses, bags, clocks, lamps, kitchen items, sofas, chairs, etc. all enviroments of the human culture where they are expressing an almost unlimited technology and business potentiality. This has been surely facilitated by the large availability of plastics, as well as by the growth of the wealth of the western society which has trusted a change of the mentality in the use of more and more available assets; nylon stockings were the first example of this revolution in consumption with sales which surpassed 90 million units in the first year of launch. In many areas the transition from a “traditional” commercial material (eg metals) to the “innovative”one (for example, polymeric composite) resulted in an exponential growth of the business of the product innovated in this way. An element that makes really attractive the use of the composite material in the internal architecture and more generally in innovative solutions in urban and rural applications is its natural inclination to be treated with additives, both natural fillers and/or artificial ones. This attitude, besides guaranteeing specific structural characteristics, bestow on it specific properties, as it occurs as a conseguence of the addition of pigments which give the composite material all kinds of colors and even phosphorescent effects, as it happens in the case of polyethylene, too. And it is within the technology of colours that composites applications of extreme interest expand their role to become outstanding for an environmentally friendly sustainable growth as a response to the processe of rapid deforestation caused by the market demand for hard woods

and to the problems of plastic materials storage and disposal. It is now more than thirty years that the Japanese EIN Engineering company has developed Wood Plastic Composites (WPC) as wood substitutes using scraps of recycled softwood and polymer resins; now manufactured with several different colors and with hues typical of rare woods, this innovative material hold in Asia about 60% of the market of “furnishing for architectural landscapes”. Greater permanence of colors over time, more resistance to wear and degradation processes caused by environmental exposure nowadays make these materials extremely topical as thirty years ago, as it is demostrated by the on-going active research for both new pigments and hydrophobic additives and processes of wood fibers pre-impregnation. Thus, the composite is not a substitute for ‘’noble’’ materials, but a new material - innovative and flexible – able to redirect fashions, customs and habits. A meaningful experience for the plastic and composite industry is the development of such tissues as two and three - dimensional technical ones because of their capacity to provide fire resistance, stain, mildew, abrasion, as well as to ensure waterproofing, antistatic, thermal insulation and protection against electromagnetic waves, even for the repercussions that it can produce in the world of fashion and sport. Another area of remarkable interest is that of the thin laminates obtained through the microrolling techniques; with respect of this are to be mentioned the first retroreflective material film for road signs in 1939, films for food storage, the products in the areas of lighting and miniaturized electronics. Plastics also can be used as adhesives (adhesive tapes, glues, sealants, etc.) for junction elements. Renzo Piano has compared them to what was the welding technology for the Architects in the past; comparison to be declined by taking into account the following guidelines: • strength and lightness • Isotropy or anisotropy of the material • new styles and geometric shapes • production processes (rolling, injection, etc.) • hybrid solutions (composite + metal + plastic or metal).

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- Composite materials for interior Steel-steel, steel-aluminum, steel-wood nano-structured glued junctions even in place of welding and so on, in order to reach a high reflectance in furnitures and office cabinets, or better optical continuity in complex shapes in a continuous attempt aimed at increasing advanced and new technological solutions available to interior designers who want to ensure the best color effects, a longer life of the product and original solutions that were previously unimaginable. What we have highlighted above is also evident not only in the trend lines which are actually going to prevail in the architecture of Interiors, but also in the restoration and structural consolidation of buildings where such materials as polymer composites with woven carbon fibers are receiving increasing attention from insiders. In this context composites become even more sophisticated, allowing the encapsulation of sensors (eg. Optical fiber) for the monitoring of their structural ageing and behavior over time (health monitoring by means of the diagnostic and prognostic approach to structures safety issues). Thus, it is not possible to argue in a modern way about the architecture of Interiors which internalizes the use of composite materials if designers and architects do not consider such issues as security (safety, toxicity, life cycle) and environmental sustainability (processes and disposal). In its ordinary meaning plastics (bag, bottle, fork, etc.) are considered low added-value materials matching the criteria “disposable”, differently from a structural composite where the use and disposal follow more restrictive principles and rules; This associates it the attribute of ‘’negative element’’ in the context of environmental sustainability and pollution emergency (disposal). A polymer, in fact, has a considerable chemical inertness that from a certain point of view guarantees to it the status of “hygiene” during its useful life, on the other side makes it critical in its disposal phase. The polymeric composite is a material which has a safe prospect in the field of civil and industrial infrastructures; it offers, infact, high corrosion resistance compared to concrete and metals, and this makes it beneficial in making pipes, tanks, ducts, roof coverings and walls, and marine bulkheads. It also enables the easier replacement of masonry damaged coatings in the high parts of buildings, the manageable and less costly addition of habitable volumes, and construction of structures and foundations in buildings. Another area of application in interiors architecture is that concerning contamination and filtering issues. Polymeric fabrics makes possible the realization of sophisticated filtering systems, especially in such very aggressive environments as those chracterized by high temperatures and by the presence of acids and

Compositi

fumes; the substantial interest to use them for these applications depends on the ratio between the typical dimensions of the particles retained by reverse osmosis within the fabric. They also make possible ultrafiltration and nanofiltration processes according with methods that operate on the molecular level. Among other applications, capillary structured polymeric honeycomb panels are to be mentioned for their use in the double glazings: this kind of application on windows simultaneously provides them thermal insulation and light diffusion characteristics. The laminates with three-dimensional transparent internal decorations, those with inclusions in natural fiber placed on the surface and arranged randomly on them to achieve artistic effects and those hybrids, or matrix of wood with interposed polymeric inserts can be further stimulating experiences for architects and designers wishing to equip their creations with something special. The honeycomb structures, wellknown in structural applications as honeycomb panels, can also have various applications in architecture, both aesthetic and decorative, and functional. In this respect interesting are the honeycomb tubular products manufactured in the USA for insulating glass chambers. Furniture can be also, as it already happened in the case of plastic materials, a great field of applications for composites; chairs, tables, lamps, decorative items can be potentially produced in unlimited geometric shapes, colors and qualities. The insertion of suitable pigments within the plastic material allows to obtain any desired color, tint or complex polychromatic pattern. Thus, the composite polymeric material puts itself at disposal of the designer in the search for original and complex solutions not only for enveloping geometries, but also for polychromatic solutions it allows to obtain. Chairs and lamps are today regularly produced by gel polyurethanes and polycarbonates according with quick and inexpensive techniques such as the single mold ones. The advantage is that in this way it is viable to get very innovative and modern forms that make the concept a real work of art object. The use of the laser sintering technology (rapid prototyping) allows the obtainiement of three-dimensional forms of unlimited complexity without the use of molds. Here should be also mentioned water repellent and stain-resistant fabrics for sofas and armchairs and small sized furniture made by composites and more generally polymer materials. Remarkable as applications are Listening Shells or chairs/sculptures (DuPont Corian glacier white) especially attractive to anyone looking for a special way of listening to the music. Within each shell-sculpture, in fact, the music is perceived by

the ear particularly clear and clean, since the Corian, designed to be an acoustically inert material, does not lead to resonances. Its design was made in 2004 by Dody Nash and Julian Brown for the “Berio lounge” of the Royal Festival Hall in London. For lovers of technology a listening shell is a structure made from two half-molds (male-female) through plywood, by which 4 half-shells are realized and then combined through the use of adhesives before the final surface finishing and assembly. Differently, in France are produced transparent panels through acrylic resin with internally “drowned” plants, flowers and feathers (Note 1). In any case, the above said does not close any discourse on the application fields of polymeric materials and composites, because it is a matter of fact that they are progressively seeing increased a primary role in the context of the things pertaining to the human sphere of glamor, of creative responses to the needs of more or less important or vital needs of our daily life, for the objects that we use every day and which represent the effect of a revolution taking place in our customs, habits aimed at finding more useful, comfortable, but also original solutions. Thus, it appears clear at the analisys that the medical industry is also interested in polymers (pneumatic cushions elastomer foams with waterproof membranes, latex mattresses and so on) as well as that today each element of kitchens is made by plastics and composites according to forms, shapes, colors more and more innovative and appealing; among the applications developed in this field the materials for the preservation of food are to be highlighted, too. We must not forget complex applications such as the Sony Center at Potsdamer Platz in Berlin (draft Helmut Jahn) that has seven buildings with commercial areas, tourist and entertainment distributed over an area of 26,000 m². It took four years to make this huge architechtural work ( it was inaugurated on June the 14th, 2000) which costed around €600M. It has a triangular shape at the extreme of which is the BahnTower, a tall 103 meters high construction well overlooking the Kemperplatz, in front of the Berlin Philharmonic. This frame is made mainly of glass and steel, and includes an oval plaza covered by a spectacular structure consisting of roof-shaped umbrella secured with ties to a huge steel ring which is constrained on buildings. The designers adopted a very complex composite solution on it made of a glass fiber thick layer covered by a protective teflon coating which allows to obtain the cleaning of rain; its inertness to both UV light, and humidity and microorganisms maintains this white fabric forming the roof translucent over time.

Anteprima JEC AIRTECH ADVANCED MATERIALS GROUP PAD. 7.3 STAND D48

Innovative products and services NEW MULTI-PURPOSE PRESSURE SENSITIVE TAPE Wrightlease 2 is a fluoropolymer PS Tape for multi-purpose use in the manufacture of composite parts. The tape is an extruded fluoropolymer film coated with silicone pressure sensitive adhesive. The orange color is highly visible helping to reduce time stripping after use and avoid incomplete removal. Wrightlease has a high elongation and tensile strength so it can be applied wrinkle free over complex shaped parts. Benefits: • excellent release from all common resin systems means it can be used for semi-permanent release applications • good adhesion to metal, composite, tooling block and rubber tooling makes it a good choice for multiple applications in the workshop • high elongation allows an easier covering of complex contour surfaces. VACUUM BAGGING FILM, UP TO 140” WIDE Airdraw 2 vacuum bagging film is embossed with a ‘’cracked ice’’ pattern which allows for rapid air removal when placed under vacuum. The film has been formulated to provide increased stiffness to assist in maintaining a breathable pattern. Airdraw 2 is not affected by environmental conditions and will not soften in high humidity, allowing superior breathability. It is designed primarily for ply compaction with the added benefits of not requiring a breather. It is embossed from one side of the film, under close examination the film has a flat side and a raised side. The outer surface of the roll is the raised side. For best results, place the raised side against the part surface on top of a perforated release film. Benefits: • embossed pattern provides network of air passageways, eliminating need for separate layer of breather • improved stiffer formula keeps air path open resulting in better vacuum levels, faster • wide width (up to 140”) makes compacting large parts even faster with no seams required. CARBON TOOLING BOARDS TB-G48 Airtech’s TB-G48 Carbon Tooling boards can be used to build composite mould tool support structures, bonding jigs, drill fixtures, post cure braces and for many more stable tooling pieces. Airtech employs the very latest in resin and manufacturing technology to produce our low cost and performance optimized carbon tooling boards TB-G48. Benefits: • the high glass transition temperature (247 °C) de-

ALTAIR PAD. 7.3. STAND S18

Metodi di progettazione guidati da simulazione per i compositi

Altair presenterà le proprie soluzioni per la progettazione ed ottimizzazione dei compositi, oltre ad altre storie di successo dei propri clienti all’European JEC show. Spaziando da casi di applicazione come quello di Rolo Bike, che verrà mostrato durante lo show, al supporto fornito ad Artemis per la partecipazione all’America’s Cup, nel quale è stato utilizzato HyperWorks per progettare ed ottimizzare il loro nuovo catamarano, ed un processo di sviluppo e produzione automatico di compositi con il metodo FPP - Fiber Patch Preforming (Manz AG), Altair mette a disposizione la sua esperienza e competenza nella progettazione ed ottimizzazione dei compositi in numerosi settori industriali. Grazie alle soluzioni Altair, gli ingegneri sono guidati nella creazione di strutture composite ottimali. Seguendo il pluripremiato processo di progettazione a tre fasi per il design delle strutture in laminato, è possibile produrre le più leggere strutture possibili mantenendo invariate le performance. Oltre alla presentazione della sua suite software per la computer-aided engineering (CAE) HyperWorks®, i traguardi ottenuti dai propri partner e l’intera offerta dei servizi aziendali, Altair darà il benvenuto al suo partner della Altair Partner Alliance (APA) Componeering ed al suo cliente di lunga data CEDREM come co-espositori presso il proprio stand. Componeering è specializzata nell’analisi strutturale e nella progettazione di strutture in composito. L’azienda deve il suo successo ad ESAComp, un progetto software per l’analisi e la progettazione di compositi. CEDREM è un centro di competenza per le strutture in composito e l’idrodinamica. L’azienda offre supporto nella creazione di concept, la gestione di test di convalida (esplosioni, impatti iperveloci, etc.), la caratterizzazione di materiali e la ricerca nel settore dei compositi. Un significante esempio del lavoro di CEDREM è la modalità in cui hanno utilizzato HyperWorks® per la simulazione di impatto ad alta pressione di assorbitori di energia dei pannelli sandwich 3D, un progetto con il quale l’azienda ha ricevuto il 40 th Ingenieur Général Chanson Award nel 2013.

livers stability at high temperature, ensuring long tool life and reducing life cycle costs • both sides of the panel have a highly visible Peel Ply layer in place, providing surface protection during storage and machining. Removal of the Peel Ply leaves a textured surface for bond preparation • in addition to the standard board sizes, the Airtech TB-G48 can also be supplied custom manufactured in thick section, ideal for when boards need to be machined to profile for Bonding Jigs • laminate constructions can be optimized for cost or performance by selection fabric styles and orientations.

Compositi

Anteprima JEC ASSYST BULLMER PAD. 7.2 STAND 53

Crescere in performance ed automazione riducendo i costi Bullmer progetta e realizza una vasta gamma di soluzioni di automazione per la sala taglio. Ingegnerizzazione “Made in Germany”, con oltre 80 anni di esperienza meccanica, per solidità costruttiva, soluzioni flessibili e tecnologicamente avanzate, in grado di rispondere ad ogni esigenza di taglio del settore dei compositi. I dati di vendita degli ultimi esercizi danno conferma degli investimenti Bullmer verso soluzioni sempre più performanti in termini di velocità, flessibilità e prestazioni, in particolare nei mercati automotive ed aerospace, come dichiara Marc Hasler, Ceo della società tedesca. Nonostante il contesto generale dei mercati, la crescita di fatturato Bullmer nel settore del tessile tecnico è cresciuto del 25%, ed anche per il 2015 si prevede di proseguire nel trend di crescita. Bullmer sarà presente in 12 esposizioni internazionali, a partire dal prossimo Jec Paris e dai successivi Texprocess ed Interzum, presentando l’evoluzione delle tecnologie di taglio dal foglio singolo con il Premiumcut ELC al medio/alto spessore, integrate nelle soluzioni di automazione di processo per la gestione del materiale a monte con i magazzini rotoli e sistemi di svolgimento/riavvolgimento ed a valle con estensioni per la raccolta pezzi. Non solo taglio ma soluzioni complete e personalizzate per materiali e dimensioni. Soluzioni modulari ed espandibili nel tempo, a tutela dell’investimento con una vasta gamma di strumenti di taglio (coltello oscillante pneumatico/elettrico, coltello a trascinamento tangenziale, taglio-V, kiss cut, stampante inkjet, fresa, trapano, lama rotativa tangenziale, taglio ultrasuoni, mola). Un solo investimento per una molteplicità di impieghi. Qualità strutturale e costruzione intelligente per ridurre e semplificare il cambio strumenti e la manutenzione. Premiumcut ELC, grazie alla testa di taglio modulare è la soluzione di taglio per ogni esigenza: dai pre-impregnati alla fibra di carbonio, dalla fibra di vetro alla plastiche, al PVC ed altro ancora. Le principali aziende europee del settore automotive ed aerospace hanno scelto Bullmer. La gamma Bullmer comprende oltre al taglio foglio singolo Premiumcut ELC, soluzioni complete ed integrate per l’automazione del processo: magazzini rotoli, caricatori, stenditori a culla ed asta, taglio pelle con proiezione laser e nesting interattivo ed automatico. Oggi Bullmer conta 150 addetti nella sede di Mehrstetten (Germania) e produce oltre 460 sistemi all’anno, con la garanzia Made in Germany.

BRETON PAD. 7.2 STAND Q46

Centro di lavoro a 5 assi EAGLE è un centro di lavoro a portale con trave mobile a 5 assi interpolati per operazioni di fresatura ad alta velocità su alluminio e materiali compositi. La macchina è particolarmente indicata per la lavorazione di elementi aventi forma tridimensionale complessa quali quelli nel settore aeronautico. Le varie configurazioni di EAGLE consentono di eseguire anche le lavorazioni più impegnative con la massima flessibilità ed efficienza operativa con campi di lavoro che vanno da 2.500x2.000x1.000 mm fino a 20.000x5.000x2.500 mm ed oltre, con doppia traversa e doppio cannotto, permettendo la lavorazione in pendolare. Le peculiari caratteristiche di rigidezza e dinamica consentono di affrontare le varie tipologie di particolari con la massima velocità di lavorazione e capacità di asportazione. EAGLE infatti, grazie alle velocità degli assi lineari che arrivano fino a 85m/ min e alla testa simmetrica e rototiltante con rotazione continua dell’asse C e rotazione dell’asse “A” da 0° a +115°, mostra capacità di lavorazione non comuni proprio nell’esecuzione di profili complessi a cinque assi continui con la massima precisione e dinamica anche in sottosquadra. La testa birotativa, posizionabile in qualsiasi angolazione del suo campo operativo, permette di utilizzare un mandrino fino a 40 kW di potenza e 28.000 rpm conferendo alla macchina

Compositi

una notevole capacità di asportazione. La struttura completamente chiusa ed i cinematismi posti tutti nella parte superiore della macchina conferiscono il massimo grado di sicurezza per l’operatore e la massima affidabilità e precisione durante la lavorazione.

Anteprima JEC FUTURE MATERIALS GROUP PAD. 7.3 STAND G72

GSI PAD. 7.2 STAND D21

Continued investment and expansion

Guardare lontano per creare sviluppo

As a measure to facilitate future growth, Future Materials Group (FMG), the strategic growth advisors to the advanced composite materials, chemical and high value manufacturing sectors, will be announcing plans for continued investment and expansion at JEC 2015. FMG assists businesses at all stages of development from start-up to maturity, by creating and increasing value through accelerating and managing growth. FMG’s attendance at JEC 2015 follows a hugely successful year in which the company has seen explosive growth having concluded a number of deals - one of which was the most significant deal in the global composites market during 2014. The venture involved Sumitomo Bakelite Co.’s (SB) strategic acquisition of Vaupell Holdings Inc. for $265 million and allowed SB to extend its high performance plastic technologies offering, from its leading position in automotive components, to the dynamic aircraft interiors market. FMG will be discussing dynamic investment plans for 2015 that will include, amongst others, continued expansion with the opening of new offices in the UK and representation in other strategic regions. As a result, the company will continue to recruit new talent, develop and nurture their global client base. FMG’s senior directors will be attending JEC 2015 and would welcome the opportunity to discuss and share their insights on growth strategy development, mergers & acquisitions, developing strategic partnerships and sourcing and managing growth finance.

Per Global System International la presenza al JEC Europe riveste un’importanza fondamentale per dare visibilità alla società e relazionarsi in un network globale che riunisce i più importanti esperti del settore. Essere al JEC significa anche apprendere e fare tesoro delle ultime novità in campo, oltre che tessere potenziali relazioni con i top player del mondo dei compositi, dai clienti ai fornitori, dalla stampa ai partner finanziari. GSI ha raggiunto nel 2014 un fatturato di 78 milioni di euro, in costante crescita grazie ai nuovi mercati esteri. Ed è proprio sull’internazionalizzazione che GSI si è concentrata dal 2002, anno della sua fondazione. Oggi il Gruppo è presente con propri stabilimenti in Europa (Italia, Germania, Regno Unito e Austria), Cina, Stati Uniti e Brasile. I recenti sviluppi multinazionali della società testimoniano la ferma volontà di essere “partner everywhere”, in linea con la visione aziendale “think global, be local”, ovvero affermarsi su scala mondiale con impianti localizzati in prossimità dei maggiori clienti. Questa rete di relazioni tra i vari stabilimenti permette una sinergia vincente e consente di cogliere le diverse opportunità che i mercati offrono. L’implementazione nelle singole realtà locali è un passaggio conseguente. La costante ricerca della qualità e dell’efficienza produttiva resta al centro dell’attenzione in tutte le sedi del Gruppo e viene monitorata quotidianamente da un team di esperti che, grazie ad un know-how riconosciuto e all’implementazione del World Class Manufacturing, è teso al miglioramento continuo del sistema produttivo e delle condizioni di lavoro.

FORMAX PAD 7.3 STAND H63

Range of bespoke multiaxial reinforcements for Sporting Goods The use of advanced composites in the Sporting Goods sector continues to evolve and expand due to the increased demand for lightweight, high performance, impact resistant equipment. As a result, FORMAX will be showcasing their range of multiaxial fabrics that can be fully optimised for this niche sector at JEC 2015. FORMAX’s carbon, glass and aramid reinforcements are already used extensively in the manufacture of many competitive sporting components such as race bikes, kayaks, surfboards, tennis rackets and diving fins.

In addition, as the Winter Sports market becomes more aggressive it becomes increasingly important for manufacturers to exploit the significant performance benefits of advanced multiaxial fabrics. FORMAX has responded by developing a range of composite fabrics that can be individually engineered and optimised to suit each customer’s spec - whether it is for a ski, snowboard, kiteboard or racing skull. The resulting fabrics are tailor-made and entirely unique to the application.

Compositi

Anteprima JEC KRAUSSMAFFEI PAD. 7.2 STAND S29

Smart lightweight construction in Paris At the JEC Composites Show KraussMaffei is presenting intelligent solutions for manufacturing fiber-reinforced plastic components (FRP), technologies and systems for processing thermoplastic and thermoset matrix systems from a single source. PERFECT FOR LARGE POLYURETHANE COMPOSITES Large components with excellent, immediately paintable surfaces for trucks and agricultural machines can be manufactured using the LFI (long fiber injection) process in combination with the R-RIM process (reinforced reaction injection molding). R-RIM is the process for polyurethane fiber composite applications where the reinforcement material is contained directly in one component. It features a high degree of automation and short cycle times. The low viscosity of the components makes it possible to manufacture large, complex, thinwalled, high-strength parts. These applications feature high temperature stability and an excellent impact strength and already have paintable surfaces. At JEC KraussMaffei is presenting a fender for agricultural machines from Parat.

seconds and, therefore, production processes that are ready for large series. FiberForm has been predominately used in the automotive industry. For example, seat shells and backrests are developed here in series production. Whether extra stiffness through adding ribs, shaped openings with a reinforced edge or complex geometries - the FiberForm process can be used to produce many things that would be nearly impossible as a sheet metal part. And all of this in only one process. At JEC KraussMaffei is presenting infotainment holders developed jointly for Audi with partners Audi, Lanxess and Christian Karl Siebenwurst. Compared to a traditional steel sound holders, the FiberForm variant is half the weight, provides advantages in installation and the integration of additional functions. But the product range of FiberForm is not just limited to applications in vehicle manufacturing. The most recent example, which can also be seen in Paris, is a multi-function stringer in the new Kingpin touring ski binding from Völkl. The basic body is made up of composite sheet, which is molded with a fiber-reinforced plastic and provided with multiple function elements. On a small, narrow surface, the multi-function stringer contains three highly loaded function elements, all made from fiberglass-reinforced polyamide. In summation, the binding combines high function and safety, while maintaining a low weight at the same time.

FUNCTIONAL INTEGRATION MADE EASY WITH FIBERFORM The FiberForm process developed by KraussMaffei combines the thermoforming of composite sheets and injection molding in one process. The strength level of fiber-reinforced plastic components is increased through this procedure. The fully automated process enables short cycle times of less than 60

RESIPOL PAD.7.3 STAND F47 - POLYNT PAD.7.2 STAND M42,45

Il pre-preg epossidico dal nuovo Carbon Look Negli stand di Polynt e di resipol, distributore esclusivo per l’Italia, saranno esposti oggetti HiTech, come il prezioso trolley di Orobianco by Tecknomonster l’esclusiva poltrona Manta di Mast Element o il raffinatissimo modulo rack Aeon di Bassocontinuo (prodotto da RO.BI Compositi). La possibilità di unire le caratteristiche meccaniche del composito avanzato ad un’estetica superficiale particolarmente innovativa e identificata, stanno qualificando l’EPOPREG, il pre-preg epossidico di Polynt dal nuovo Carbon Look, come la vera novità del 2015 nel mondo del design, per le supercar e le supermoto, nei componenti d’arredo e nell’illuminotecnica, nella valigeria top level, per i prodotti sport and leisure. Isotropo, EPOPREG è disponibile nelle versioni in carbonio da 3k, 12k e 48K, in vetro (in diverse grammature e anche colorato in massa). Stampabile con i classici processi in autoclave, utilizzabile anche a pressa, co-stampabile con la maggior parte dei prepreg epossidici, EPOPREG si sta via via affermando anche nella costruzione di

Compositi

stampi per compositi, proprio per la sua isotropia, per la facilità di deposizione e perché non genera alcun scarto.

Anteprima JEC SCIGRIP PAD. 7.3 STAND F69

High strength MMA adhesive solutions for transportation markets At JEC Europe SCIGRIP will be focusing on the demand for high strength adhesives within the transportation sector. Already an established supplier to the Marine industry, SCIGRIP is introducing advanced bonding solutions formulated specifically for the automotive, heavy truck, bus and rail markets. Long term fatigue and short term crash resistance of vehicle components allied to efficient and effective assembly processes are essential considerations for all manufacturers in this sector. In response, SCIGRIP has developed a range of specialist methyl methacrylate (MMA) adhesives that address these issues with high temperature performance, excellent fatigue and impact resistance. SCIGRIP’s SG805 two component bonding system allows customers greater flexibility in terms of substrate material selection and processing operations, including paint curing cycles. It requires no surface priming and with an open cure time of 5 minutes, offers a rapid bond on composites, metals and most thermoplastics.

SELCOM PAD. 7.3 STAND P30

I tessuti multiassiali per i compositi rinforzati Con alle spalle una pluriennale esperienza nel settore tessile tradizionale, nel 1991 Selcom intravede nel settore tessile tecnico per materiali compositi rinforzati un mercato con notevoli possibilità di sviluppo. Nel 1992, anno di nascita dell’attuale società, viene installato il primo impianto per la produzione di tessuti tecnici multiassiali, all’epoca poco conosciuti e sviluppati a partire dagli anni ‘80 per l’industria aerospaziale. I tessuti multiassiali Selcom sono l’armatura ideale per i compositi rinforzati. Le fibre, disposte parallelamente, formano strati a peso variabile che possono essere disposti con orientazioni da +30º a +150º. Questi vengono successivamente sovrapposti e cuciti assieme con un filo di poliestere testurizzato ad alta elasticità molto sottile. Ne consegue così la possibilità di realizzare una gamma infinita di tessuti diversificati tra loro in base a tipologia di fibre, numero di strati, peso e orientazione di ogni singolo strato. È possibile ottenere tessuti multiassiali da 2 a 6 strati che inoltre possono essere accoppiati con MAT, veli e feltri in diverse posizioni: su un lato, internamente, o su entrambi i lati. Il mercato internazionale nell’ultimo periodo è stato caratterizzato dall’aumento della richiesta di tessuti multiassiali realizzati in fibra di carbonio per il settore nautico, automotive e nei trasporti in generale, dovuto principalmente alla necessità di ridurre il peso dei manufatti così da contenere il consumo di carburante e di conseguenza ridurre le emissioni inquinanti in atmosfera. Per la produzione di questi tessuti Selcom dispone di impianti di tessitura all’avanguardia in grado di lavorare filati molto delicati come la fibra di carbonio, senza alterarne le proprietà meccaniche originali. Nell’ottica di soddisfare la maggiore richiesta di questi tessuti, di recente Selcom ha deciso di dotarsi di un nuovo impianto multiassiale di ultima generazione che permetterà all’azienda di soddisfare richieste di quantitativi elevati in tempi rapidi offrendo soluzioni con differenti grammature e orientazioni degli strati di fibra.

SPECIALINSERT PAD. 7.2 STAND Q81

Nuovi sistemi di fissaggio La Specialinsert è, da oltre 40 anni, impegnata nella realizzazione di inserti adatti alle necessità di fissaggio di differenti materiali. L’azienda, nel tempo, ha mantenuto l’iniziale specializzazione nei sistemi di fissaggio meccanici, affiancando alla realizzazione di soluzioni in proprio la distribuzione di prodotti in esclusiva. Dotata di un proprio stabilimento di produzione, e di un ufficio studi e progettazione, destina la maggior parte dei propri investimenti in Ricerca e Sviluppo finalizzati a ideare nuovi sistemi di fissaggio, applicabili nei settori oggi emergenti. Grazie a questa continua ricerca la Specialinsert propone di-

verse soluzioni di fissaggio adatte al mondo dei compositi, tra queste: Master-Plate®. È un sistema molto semplice che sfrutta l’ausilio di appositi collanti per il fissaggio su ogni genere di materiale, non richiede particolari lavorazioni meccaniche per la predisposizione della sua sede, il montaggio avviene annegando il particolare su di un idoneo collante, precedentemente individuato. Le varie combinazioni tra piastrina di base ed il fissaggio offrono ampie possibilità di progettazione ai tecnici. Master-Plate® prevede una piastra di base di varie forme (tonda, quadrata, rettangolare ecc) con attacco filettato, che può essere perno o boccola, viene prodotta in acciaio zincato e acciaio inox AISI 316.

Compositi

Anteprima JEC SAERTEX PAD. 7.2 STAND Q16

SICOMIN PAD. 7.3 STAND F64

Glass, carbon and aramid reinforcement solutions

Clear and foaming epoxy systems for automotive and industry accredited resins for rail and aerospace

The SAERTEX® Group is a global market leader in developing and producing glass, carbon and aramid reinforcement solutions to make composite parts lighter and better. Above all, the wind energy, shipbuilding, transportation, automobile and aviation industries rely on plastics strengthened with SAERTEX® products. 3D fabrics 3D fabrics – the newest addition to the SAERTEX® product portfolio – are created using endless fibers arranged in layers oriented at 0˚ and 90˚. The decisive components of this material are, however, the endless reinforcement fibers that are incorporated through the full thickness –called Z-fibers. These hold the layers at 0˚ and 90˚ together and deliver several key advantages which SAERTEX® will present on its booth. SAERfoam® This ultralight foam matched with additional reinforcement provided by 3D glass bridges was certified by Germanische Lloyd in 2014. Its weight, compressive strength, bending and shear load performance can all be modified by engineering the glass fiber bridges’ density and directions inside the PU foam of the composite core. SAERTEX® will show successful ways to achieve weight or performance advantages by replacing PVC and Balsa solutions. SAERTEX LEO® This innovation combines reinforcement NCF, core material, gel or top coat and resin to accomodate even the highest safety standards in offshore, marine and railway industries. The new generation of SAERTEX LEO ® passed IMO FTP tests and fulfils EN 45545-2 criteria. As the first product of its kind, it is proven to offer the highest levels of fire safety, in addition to excellent mechanical performance. At the same time, SAERTEX LEO ® is non-toxic – both during processing and when fire breaks out. MORE GL CERTIFICATES FOR THE SAERTEX® TEST LABORATORY German Lloyd has carried out an additional audit to expand the certified range of the SAERTEX® test lab in Saerbeck, Germany. Employees, facility and procedures were approved according to GL standards for testing fiber reinforced plastics. The tests available are no longer limited to static ones such as tensile resistance, bending resistance and ILSS. Now, material fatigue can also be tested, fiber/resin content measured and NCF drapability data ascertained. Determining the Poisson ratio, which is an important parameter, was also added to the laboratory’s tensile testing capabilities, as well as pressure and sheer stress testing.

At JEC Sicomin will present a range of foaming and clear systems for the manufacture of automotive secondary structures plus a selection of accredited fire retardant products for the rail and aerospace markets. FOAMING EPOXIES Developed specifically for the production of challenging geometric laminates, Sicomin’s foaming epoxy systems are suitable for the production of strong, high quality, structural parts that are too expensive or complex to create using a rigid foam or honeycomb core. In a market that demands speed and ease of processing, Sicomin’s epoxy foaming range negates the time and expense of CNC machining rigid cores. Instead, a closed cell foaming system, that is tailored to suit the customer’s production environment, generates a low pressure controlled expansion within the mould to produce a high quality finished part with no shrinkage. TOP CLEAR A new generation, lightweight clear resin system designed for the manufacture of laminates with a translucent finish making it ideal for the production of clear carbon parts. Sicomin’s ultra-fast clear coating range provides a high mechanical performance with superior UV stability. A brilliant clear yet tough finish is achieved. ACCREDITED FIRE RETARDANT PRODUCTS Sicomin’s accredited range of fire retardant products are used extensively by many European Aerospace OEM’s. The company’s position as a leading supplier to the German rail market also gathers pace with Sicomin’s advanced resin system SR1124 recently awarded a Deutsche Bahn certification. SR1124 epoxy resin offers exceptional fire resistance as required for automotive, rail, aerospace and construction applications. Designed for hand laminating and filament winding processes, SR1124 has been optimised to ensure Halogen free and flame retardant properties with low smoke opacity and toxicity levels. Sicomin will also present its new fire retardant prepreg resin, SR 1526. A two component epoxy system designed to suit in-house prepreg processes due to its ideal viscosity and range of combination hardeners. SR1526 has been awarded a number of accreditations for Aerospace cabin interiors and is also suitable for Rail applications.

ZHERMACK PAD. 7.2 STAND B15

Silicone rubbers as well as alginates For the 3rd time, Zhermack SpA will participate at JEC Europe 2015. Zhermack Industrial Division’s competitive advantage lies in a strong synthesis department for the manufacturing of RTV-2 silicone rubbers (liquids and putty) as well as alginates. The products are found in a wide variety of applications, including mould making, art casting, rapid prototyping, pad printing, concrete moulding, jewellery, special effect and vacuum casting. The dimensional stability and high resistance to alkaline environments make Zhermack’s addition-cured RTV-2 silicone rubbers especially preferred for cement applications. One of Zhermack’s newest products is a ZA 22 Spray, a RTV-2 silicone spray especially developed for composite applications.

Compositi

SEE YOU AT JEC HALL 7.3 STAND K25

Carbon fiber and composites

Technology for composites textile industry

Tel/FAX +39 031 88 11 70 â&#x20AC;˘ Mobile +39 334 78 66 506

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