Numero 39 - Marzo 2016

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Organo ufficiale di Assocompositi

anno XI - numero 39 marzo 2016

JEC WORLD

Come and visit us

Hall 5A Stand D38

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ph. Fabio Cattabiani

moma comunicazione _ bg

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L’AFFIDABILITà

Editoriale

Prof. Roberto Frassine, Presidente Assocompositi

New milestone for composites in construction

Nuova pietra miliare per i compositi nelle costruzioni

On January 11 the JRC has published the technical-scientific report issued by the WG4 of CEN/ TC 250 on the Guidelines for new guidance in the design of FRP. This publication is a Science and Policy Report by the Joint Research Centre, the European Commission’s inhouse science service.

It aims to provide evidence-based scientific support to the European policy-making process and will prepare the adoption of composite materials by the Eurocodes (the European standards for structural design and geotechnical engineering).

Over the last twenty years, many innovative solutions have confirmed the usefulness of composite structures realized with FRPs. The need of European standards for use of fibre-reinforced polymer composites in civil engineering was justified in 2007 in the JRC Report EUR 22864 EN. The new European technical rules will be developed using the existing organization of CEN/ TC250. The JRC report is intended to stimulate the debate to reach a harmonized European vision on the design and testing of such structures.

This is therefore a new milestone for the applications of composite materials.

On behalf of the scientific and technical community we are grateful to the Italian Chairman of WG4, Prof. Luigi Ascione, for the excellent work done so far and we assure the full support of our Association for future steps to be taken.

In data 11 gennaio il JRC di Ispra ha pubblicato il rapporto tecnico scientifico redatto dal WG4 del CEN/ TC 250 riguardante le Linee Guida per la progettazione con FRP nel settore delle costruzioni.

Questa pubblicazione è un rapporto scientifico ad uso della Commissione europea che servirà a preparare l’adozione dei materiali compositi da parte degli Eurocodici, che sono le norme europee per la progettazione strutturale e geotecnica nel settore delle costruzioni.

Negli ultimi vent’anni, infatti, molte soluzioni innovative hanno confermato l’utilità di strutture composite realizzate con FRP e la necessità di norme europee per il loro utilizzo era stata invocata sin dal 2007 nel CCR relazione EUR 22864 IN. Il rapporto del JRC è destinato a stimolare il dibattito per raggiungere una visione europea armonizzata sulla progettazione e la verifica di tali strutture.

Si tratta pertanto di una nuova pietra miliare per le applicazioni dei materiali compositi.

Ringraziamo a nome di tutta la comunità scientifica e tecnica italiana il chairman del WG4, Prof.

Luigi Ascione, per l’eccellente lavoro svolto finora e garantiamo il pieno appoggio della nostra Associazione per i futuri passi da intraprendere.

Compositi

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Sommario

Anno XI – Numero 39 Year XI – Issue 39 Marzo 2016 March 2016 Periodicità trimestrale Quarterly review abbonamento Italia € 25,00 abbonamento Estero € 50,00 una copia € 7,00

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EDITORIALE VITA ASSOCIAZIONE Sfide meccanico-strutturali nello sviluppo di un lanciatore Structural mechanics challenges in the development of a launcher Paolo Gaudenzi

VETRINA

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Analisi del danneggiamento a fatica mediante l’utilizzo di metodi termici Umberto Galietti, Giuseppe P. Demelio, Rosa De Finis, Davide Palumbo.

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Compotec

Robotic manufacturing system will build biggest composite rocket parts ever made Nasa

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The IASS Project Liberata Guadagno

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Supporto dei CND alle indagini distruttive di compositi a matrice polimerica NDT in support of destructive investigations of polymer matrix composites Fabrizio Montagnoli, Marianna Cardone

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La termografia all’infrarosso nella caratterizzazione Characterization with infrared thermography C. Meola, S. Boccardi, G.M. Carlomagno, N.D. Boffa, F. Ricci, G. Simeoli, P. Russo

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VETRINA

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La situazione Italiana dei CND nel settore avio-spazio visto dai Livelli 3 The Italian NDT situation in avio-space seen by 3 Levels Anna Rita Fanella, Filomena Paradiso, Gabriella Silvestro

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A new, life-saving aircraft Vladimir Tatarenko

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VETRINA Un approccio alla progettazione con nuovi materiali EVolution funded project overview Elena Cischino

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Local anisotropic visco-elastic material models for NVH FEA

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Noiseless generation: il valore del silenzio

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VETRINA

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Anteprima JEC

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VETRINA

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Analisi sperimentale delle proprietà meccaniche di compositi rinforzati con fibre di lino e basalto Experimental analysis of mechanical properties of composites reinforced by flax and basalt fibres Ana Pavlovic, Cristiano Fragrassa, Carlo Santulli

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Registrazione al tribunale di Milano n. 189 del 20/03/2006 Pubblicità e Marketing via Delle Foppette, 6 20144 Milano – Italy tel. +39 0236517115 fax. +39 0236517116 e-mail: marketing@tecneditedizioni.it Progetto grafico impaginazione e fotolito Photo type – setting Bonazzi grafica - Sondrio Stampa - Printed by Bonazzi grafica - Sondrio È vietata la riproduzione, anche parziale, senza l’autorizzazione della casa editrice Reproduction even partial is forbidden, without the permission of the publisher Direttore responsabile Publishing manager Liliana Pedercini Coordinamento di redazione Editing Co-ordination Anna Schwarz Ufficio Commerciale Sales office Sara Sturla 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 Simone Boccardi Natalino Daniele Boffa Marianna Cardone Giovanni Maria Carlomagno Elena Cischino Rosa De Finis Giuseppe P. Demelio Anna Rita Fanella Cristiano Fragrassa Umberto Galietti Paolo Gaudenzi Liberata Guadagno Carosena Meola Fabrizio Montagnoli Davide Palumbo Filomena Paradiso Ana Pavlovic Fabrizio Ricci Pietro Russo Carlo Santulli Gabriella Silvestro Giorgio Simeoli Vladimir Tatarenko

Compositi

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Bilancio attività, riconoscimento giuridico e campagna associativa 2016

Assocompositi ha chiuso il 2015 con un bilancio molto positivo sia dal punto di vista economico che della tenuta della base associativa. Abbiamo inoltre il piacere di comunicarvi che, lo scorso dicembre, abbiamo ottenuto il tanto atteso riconoscimento giuridico: questo ci permetterà di strutturare la nostra Associazione in maniera più funzionale e di poter prendere parte a nuovi progetti nazionali ed europei. Dal punto di vista degli eventi, Assocompositi ha organizzato a Milano il suo 4° Convegno nazionale e ha rinnovato la partecipazione con collettive italiane sia a JEC che a Composites Europe. Lo scorso luglio abbiamo inoltre potuto darvi notizia dell’attesa pubblicazione da parte del MIT delle Linee Guida Ministeriali per la qualificazione degli FRCM nelle costruzioni, alla cui stesura i nostri Soci del settore hanno fornito un contributo di fondamentale importanza. Inoltre Assocompositi è stata coinvolta da EuCIA come partner del progetto europeo per lo sviluppo dell’EcoCalculator, uno strumento di calcolo LCA dei materiali compositi che verrà reso disponibile entro la metà del prossimo anno. Tra i nostri obiettivi per il 2016 riveste grande rilievo il potenziamento dei servizi per i Soci e uno sviluppo più incisivo del marketing associativo.

Verranno inoltre attivati dei comitati tecnici che possano rispondere con maggiore efficienza alle esigenze degli associati e saranno pubblicati position paper sullo stato dell’arte dei compositi nei vari settori applicativi. Ricordiamo infine che la campagna associativa Assocompositi 2016 è ancora aperta e prevede per le nuove aziende iscritte uno sconto di 600 € sulle quote del primo anno. Per ulteriori informazioni e per il modulo di adesione vi preghiamo di contattare la nostra Segreteria all’indirizzo: info@assocompositi.it

4a Scuola estiva Assocompositi

È in via di definizione l’organizzazione della quarta edizione della nostra Scuola estiva compositi che si svolgerà a Salerno nella prima metà di settembre. La Scuola è rivolta a studenti, ricercatori, tecnici e progettisti con preparazione tecnica sui materiali compositi, interessati ad approfondire le proprie competenze su proprietà, tecnologie di processo e di controllo e nuove applicazioni. La Scuola includerà anche una visita aziendale. Ulteriori informazioni e il programma saranno disponibili a breve nel nostro sito web.

Compositi e sostenibilità protagonisti a Bruxelles

Il 19 gennaio scorso EuCIA ha organizzato a Bruxelles un importante seminario sulla sostenibilità dei materiali compositi. All’evento hanno preso parte circa cinquanta delegati. Tra i temi trattati: riduzione dell’Eco footprint, sostenibilità dei compositi nel settore dei trasporti e sostenibilità dei compositi nel settore delle costruzioni. Tra gli speaker figurano anche membri della Commissione Europea. Gli atti dell’evento saranno resi disponibili online e gli interventi più interessanti pubblicati sul prossimo numero di questa rivista. Per informazioni www.eucia.eu

Settore delle costruzioni: avanzamento della normativa nazionale

Nel mese di gennaio Assocompositi ha redatto un documento di posizione allo scopo di chiarire quale sia la normativa esistente per i compositi fibrorinforzati a matrice polimerica (FRP) e per i compositi fibrorinforzati a matrice cementizia (FRCM), quali siano i limiti di applicabilità e l’argomento della durabilità. Invitiamo gli interessati a consultarlo nel nostro sito web nella sezione “normativa” o a richiederlo alla nostra Segreteria.

Padiglione Italia a JEC 2016

Assocompositi coordina il Padiglione Italia all’interno della nuova edizione di JEC World che si terrà dall’8 al 10 marzo presso la Fiera Paris Nord Villepinte. L’area italiana, situata nella Hall 5A, stand D83 (di fronte al VIP Club del JEC) ospita i soci CEL Components, Duna-Corradini, FIN.CO, Mates Italiana, Park Lab e Vetorix. Vi invitiamo a visitarci!

Seminario a Compotec 2016

Il 6 aprile dalle ore 11:00 alle ore 13:00 l’Associazione organizza nell’ambito di Compotec 2016 il seminario tecnico gratuito dal titolo “Compositi e sostenibilità”. Gli interventi verteranno sui seguenti temi: “Ruolo dei compositi nella riduzione dell’eco-footprint”, “Riutilizzo di fibre di carbonio riciclate”, “CO2 reduction potential opportunities in GRP pipes systems”, “Sostenibilità delle fibre di vetro”. La registrazione è gratuita ed è già effettuabile nella sezione “eventi” del sito www.compotec.it

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Compositi

CALENDARIO PROSSIMI EVENTI Fiere

Conferenze

JEC World 2016 8-10 marzo, Francia

13th Pultrusion Conference 3-4 marzo, Rep. Ceca

Aircraft Interiors 2016 5-7 aprile, Germania Compotec 2016 7-8 aprile, Italia MACH 2016 11-15 aprile, UK Composites Australia 12-14 aprile, Australia

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Paolo Gaudenzi, Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, Università di Roma La Sapienza

Sfide meccanico-strutturali nello sviluppo di un lanciatore

L

o sviluppo di un sistema aerospaziale innovativo comporta sfide di natura tecnologica, oltre a coinvolgere i processi di produzione, verifica e testing e la consegna del prodotto in condizioni operative. In tale ambito risultano fondamentali le prestazioni richieste sotto il profilo meccanico strutturale alla struttura primaria del veicolo e ad ogni componente dell’intero sistema. Questo si è verificato durante lo sviluppo del lanciatore Vega, del quale vengono evidenziate alcune sfide nell’ambito meccanico strutturale.

rapporto alla densità del materiale), tipico dei compositi, si sono dovute affrontare le difficoltà legate alla complessità ed al costo del manufacturing, in particolare per la realizzazione delle interfacce e degli elementi di giunzione. Le complesse strutture di tali motori hanno comportato difficoltà di realizzazione non solo per gli elevati livelli di pressione della camera di combustione ma anche per la difficoltà realizzativa degli elementi di collegamento e di giunzione, da realizzarsi limitando la difettosità inerente alle realizzazioni in composito.

I COMPOSITI PER LE PROTEZIONI TERMICHE DELL’UGELLO Strutture in materiale composito sono utilizzate in Vega nelle parti delicate dell’ugello di eiezione del motore ed in particolare nei rivestimenti che proteggono la parte metallica dell’ugello rispetto al surriscaldamento prodotto dai gas prodotti dalla combustione. In questo caso la sfida tecnologica era quella di garantire che l’onda di calore generata nella vita utile del motore non raggiungesse le parti metalliche della strut-

LO SVILUPPO DI VEGA: PROBLEMI STRUTTURALI Un esempio molto efficace dell’importanza dell’analisi e del progetto strutturale nei moderni veicoli aerospaziali è rappresentato dal caso del lanciatore Vega. Questo sistema di trasporto spaziale, ormai collaudato dal successo di numerosi lanci, ha rappresentato un successo per l’ingegneria spaziale italiana nel contesto dello sviluppo europeo dei sistemi di trasporto spaziale.

Pensato come lanciatore per missioni satellitari di orbita bassa, tipicamente di osservazione della terra, Vega ha dimostrato di poter efficacemente e, con pieno successo, mettere in orbita satelliti e veicoli spaziali con missioni molto diverse tra di loro, rispettando in pieno le caratteristiche tecniche per il quale era stato concepito. Fin dalla sua concezione, il lanciatore doveva caratterizzarsi per una ridotta massa strutturale (per la massimizzazione della disponibilità della massa per il propellente e per il payload) e per il basso costo, aspetto quest’ultimo di difficile realizzazione in sistemi di nuova concezione.

LE STRUTTURE IN FIBRA DI CARBONIO PER I MOTORI A PROPELLENTE SOLIDO La riduzione della massa strutturale a fronte di elevate prestazioni di resistenza e rigidezza è stata raggiunta in Vega grazie all’adozione di strutture in materiale composito, utilizzate in particolare negli involucri dei tre motori a propellente solido P80, Z23 e Z9, realizzati in fibra di carbonio con utilizzo prevalente di tecnologie di manufacturing filament winding. A fronte dei vantaggi in termini di prestazioni strutturali specifiche (cioè in

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Compositi

Fig.1: I sistemi di controllo della direzione della spinta ed i giunti flessibili

tura dell’ugello. Sono stati utilizzati materiali compositi di tipo Carbon Carbon per dar vita a componenti a geometria assialsimmetrica che prevedono anche spazi utili a consentire l’espansione termica degli stessi. Una ulteriore difficoltà consisteva nella necessità che queste strutture garantissero anche una adeguata resistenza all’usura, specialmente nella sezione di gola del motore.

I GIUNTI FLESSIBILI DEL CONTROLLO DELLA DIREZIONE DELLA SPINTA (TVC THRUST VECTOR CONTROL) I compositi sono stati anche utilizzati in recenti sviluppi delle parti flessibili dei giunti presenti nel meccanismo di controllo della direzione della spinta dei motori (fig.1).

In tali dispositivi il contributo della flessibilità è garantito da materiali ad elevata flessibilità, appartenenti alla famiglia delle gomme. È facile immaginare la difficoltà di garantire la sopravvivenza di tali materiali in zone così prossime alle elevatissime temperature della camera di combustione. Questo elemento fa considerare come nell’ambito delle sfide più importanti per la progettazione meccanico strutturale di un lanciatore sia indispensabile poter condurre un’analisi non solo strutturale dei carichi meccanici ma anche dei carichi termici, in modo da poter prevedere il comportamento termomeccanico e garantire ai componenti strutturali di sopravvivere a un ambiente particolarmente aggressivo sotto entrambe queste categorie di azioni.

In queste analisi è indispensabile la corretta considerazione delle non linearità dovute alla variazione delle proprietà termiche - ad esempio della conducibilità termica - e di quelle termo strutturali, cioè del coefficiente di espansione termica al variare della temperatura.

IL COMPORTAMENTO DINAMICO STRUTTURALE E LE ANALISI AEROELASTICHE I carichi meccanici che vengono generati nel corso del lancio di un sistema di trasporto spaziale hanno una natura tipicamente dinamica, cioè variabile nel tempo, per l’evoluzione delle accelerazioni medie conferite al lanciatore, per le inevitabili irregolarità del valore della spinta e per i fenomeni collegati con l’accensione, lo spegnimento ed il distacco degli stadi durante le fasi di volo. Fenomeni come quello delle oscillazioni di pressione nelle camere di combustione dei motori spaziali sono da sempre all’attenzione degli esperti e costituiscono una sfida sempre viva per i progettisti. L’ambiente vibrazionale caratterizza le condizioni di lancio per il satellite ospitato a bordo e raggiungere condizioni di buon “confort” per il “passeggero” ha costituito un risultato di grande importanza nello sviluppo del lanciatore. Nello sviluppo di Vega, in ambito della dinamica delle strutture, è stato importante analizzare il comportamento accoppiato tra la struttura e l’ambiente aerodinamico circostante, soprattutto per scongiurare fenomeni di instabilità aeroelastica del veicolo.

In Vega, le aziende responsabili dello sviluppo del lanciatore (ELV) e dei suoi principali motori e componenti (AVIO) hanno colto le opportunità delle strutture in materiale composito e hanno superato i diversi aspetti critici del comportamento meccanico strutturale. In tale sforzo di sviluppo, l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) che aveva commissionato lo sviluppo del sistema, ha dato il contributo di supporto e di indirizzo proprio del cliente. L’Agenzia spaziale italiana ed il sistema dei centri di ricerca e delle università italiane hanno fornito un supporto di idee, di progettualità, di analisi e di verifica che ha reso Vega il frutto di uno sforzo collettivo del sistema paese, perfettamente integrato nel contesto europeo. L’Università di Roma La Sapienza, con i docenti dell’area di costruzioni e strutture aerospaziali, ha dato il proprio contributo su ognuna delle tematiche descritte.

Compositi

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Paolo Gaudenzi, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of Rome La Sapienza

Structural mechanics challenges in the development of a launcher

T

he development of an innovative aerospace system implies technological challenges besides involving manufacturing, verification and testing processes as well as the delivery of the product in operational conditions. In this context a fundamental factor is the required structural mechanics performance of the primary structure of the vehicle and of each component of the whole system. This scenario occurred during the development of the Vega launcher, which we discuss here highlighting some structural mechanics challenges.

THE DEVELOPMENT OF VEGA A very effective example of the importance of the structural analysis and design in modern aerospace vehicles is represented by the case of the Vega launcher. This space transportation system, by now tested with a number of successful launches, represented a success of the Italian aerospace engineering industry in the framework of the European development of space transportation systems. Envisaged as a launcher for low-orbiting satellite missions (typically meant for Earth observation), Vega demonstrated its capability of effectively and successfully bringing into their orbit satellites and space vehicles with a range of very different mission profiles, fully respecting the technical features it was designed for. Since its conception the launcher was meant to be characterized by a reduced structural mass (in order to maximize the mass available to fuel and payload) and by a low cost, the latter being a difficult feature to achieve in systems of new conception.

THE CARBON FIBER REINFORCED PLASTIC STRUCTURE The reduction in the structural mass in spite of high strength and stiffness requirement was achieved in Vega thanks to the implementation of composite structures, which were used especially in the cases of the three solid fuel engines P80, Z23 and Z9, made up of carbon fibre with manufacturing technologies mainly based on filament winding. While this choice brought the typical advantages of composite materials in terms of the specific structural performance (i.e. in relation to the material density), new issues had to be faced related to the manufacturing complexity and cost, especially concerning the production of interfaces and jointing

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Compositi

elements. The complex structures of these engines caused manufacturing problems not only due to the high pressure levels in the combustion chamber but also due to the difficulties posed by the manufacturing of the connection and jointing elements, which had to be produced limiting the inherent defects of composite elements.

THE THERMAL PROTECTION OF THE NOZZLE Structures made up of composite materials were used in Vega in the delicate parts of the ejection nozzle of the engine, in particular in the coatings protecting the metallic part of the nozzle from the overheating due to the gases produced by the combustion. In this case the technological challenge consisted in guaranteeing that the heat wave generated during the engine operational life would not reach the metallic parts of the nozzle structure. Carbon-carbon composite materials were used to create axially-symmetric components with free spaces allowing for their own thermal expansion. A further issue consisted in the necessity of these components being wear-resistant, especially in the throat section.

THE FLEXIBLE JOINTS Composite materials were also used in the recent development of the flexible parts of the joints used in the control mechanism of the engine thrust direction (fig.1).

In these devices the flexibility is ensured by highly flexible materials belonging to the category of rubbers. It is easy to imagine how difficult it is to guarantee the survival of such materials in areas so close to the very high temperatures of the combustion chamber. As a consequence, among the challenges faced during the structural mechanics design of a launcher, both a thermal and a structural analyses are needed in order to foresee the thermal-mechanical behaviour and to guarantee the survival of structural components in a particularly aggressive environment with respect to both aspects.

This analysis must correctly take into account the non-linearities due to the variation of thermal properties – for instance, thermal conductivity – and of thermo-structural properties, i.e. of the thermal expansion coefficient as a function of the temperature.

THE STRUCTURAL DYNAMICS BEHAVIOR AND THE AEROELASTIC ANALYSES The mechanical loads generated during the launch of a space transportation system have an intrinsically dynamical nature, i.e. time-varying properties, due to the evolution of the mean acceleration applied to the launcher, to the unavoidable irregularities of the thrust and to the phenomena related to the ignition, shutdown and detachment of the stages of the launcher. Phenomena such as the pressure oscillations in the combustion chambers of the space engines have always been at the centre of the attention of experts and represent an neverending challenge for the designers. The vibration environment characterizes the launch conditions of the satellite hosted on board and reaching good ‘passenger comfort’ conditions represented an important result in the development of the launcher. Concerning the structural dynamics, in the development of Vega great importance was given to the analysis of the coupled behaviour of the structure and of the surrounding aerodynamic environment, with a particular focus on avoiding aeroelastic instabilities of the launcher.

In the case of Vega, the companies in charge of the development of the launcher (ELV) and of its main engines and components (AVIO) have caught the opportunities offered by composite structures and succeeded in the different facets of the structural mechanics behaviour. In such development effort, The European Space Agency (ESA), that commissioned the development of the system, has offered its contribution as a customer in the form of support and guidance. The Italian Space Agency and the network of research centres and Italian universities have supplied ideas, design, analysis and verification inputs that have made Vega the result of a collective effort of the whole country, fully integrated in the European context. The University of Rome La Sapienza has given its contribution in each of the discussed topics through the effort of the professors of Aerospace Structures of the Dept. of Mechanical and Aerospace Engineering.

All the mentioned figures refer to the Italian version Fig.1: Thrust vector control systems and flexible joints

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NASA

Robotic manufacturing system will build biggest composite rocket parts ever made

The robot’s head has 16 spools of composite fiber tape.

Credits: NASA/MSFC/Fred Deaton A titan now resides at NASA’s Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama. This titan is no Greek god, but one of the largest composites manufacturing robots created in America, and it will help NASA build the biggest, lightweight composite parts ever made for space vehicles.

“Marshall has been investing in composites for a long time,” said Preston Jones, deputy director of Marshall’s Engineering Directorate. “This addition to Marshall’s Composites Technology Center provides modern technology to develop lowcost and high-speed manufacturing processes for making large composite rocket structures. We will build and test these structures to determine if they are a good fit for space vehicles that will carry humans on exploration missions to Mars and other places.”

It takes a myriad of different materials to build a space vehicle like NASA’s new Space Launch System, a heavy-lift rocket designed to take explorers on deep space missions. The lighter the rocket, the more payload (crew, science instruments, food, equipment, and habitats) the rocket can carry to space. Lightweight composites have the potential to increase the amount of payload that can be carried by a rocket along with lowering its total production cost. NASA is conducting composites manufacturing technology development and demonstration projects to determine whether composites can be part of the evolved Space Launch System and other exploration spacecraft, such as landers, rovers, and habitats.

“The robot will build structures larger than 8 meters, or 26 feet, in diameter, some of the largest composite structures ever constructed for space vehicles, “said Justin Jackson, the Marshall materials engineer who installed and checked out the robot and who helped build and test one of the largest composite rocket fuel tanks ever made. “Composite manufacturing has advanced tremendously in the last few years, and NASA is using this industrial automated fiber placement tool in new ways to advance space exploration. Marshall’s investment in this robot will help mature composites manufacturing technology that may lead to more affordable space vehicles.”

The robot is mounted on a 40-foot-long track in Marshall’s Composites Technology Center that is part of NASA’s National Center for Advanced Manufacturing. This center already has support infrastructure necessary for composite manufacturing: large autoclaves, curing chambers, test facilities, and digital analysis systems.

To make large composite structures, the robot travels on a track, and a head at the end of its 21-foot robot arm articulates in multiple directions. The head can hold up to 16 spools of carbon fibers that look like pieces of tape and are as thin as human hairs. The robot places the fibers onto a tooling surface in precise patterns to form different large structures of varying shapes and sizes. In what looks like an elaborate dance, the tooling surface holds the piece on a rotisserie-like system on a parallel track next to the robot. The robot head can be changed for different projects, which makes the system flexible and usable for various types of manufacturing.

The first project that the robot will tackle is making large composite structures for a Technology Demonstration Mission (TDM) program managed by Marshall for the Space Technology Mission Directorate. For the project, engineers will design, build, test and address flight certification of large composite structures similar to those that might be infused into upgrades for an evolved Space Launch System.

“These new robotic fiber placement tools are game changers because they can drastically reduce the cost and improve the quality of large space structures,” said John Vickers, the manager for NASA’s National Center for Advanced Manufacturing and the manager for the TDM composites project. “The automated digital capability aids in the design and development process and makes it more precise and efficient. This helps NASA meet the high reliability standards required to develop a process for building space vehicles that transport humans on deep space missions.”

The large structures built by the robot will be tested in nearby Marshall structural test stands where spaceflight conditions can be simulated.

“Composite materials are used across NASA projects for everything from aircraft to human space vehicles to planetary probes,” said Larry Pelham, a Marshall composites expert who is leading manufacturing operations with the robot.

The 21-foot robot arm moves on a track. The robotic system can build large structures held by a rotisserie-like structure.

Credits: NASA/MSFC/Fred Deaton

Compositi

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Liberata Guadagno, Università degli Studi di Salerno

The IASS Project

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l progetto IASS (Improving the Aircraft Safety by Self-Healing Structure and Protecting Nanofillers), relativo al miglioramento della sicurezza degli aerei tramite strutture autoriparanti e nanofiller protettivi, è stato guidato dall’Università degli Studi di Salerno che ha coordinato le attività di gestione, sviluppo e ricerca. In qualità di coordinatrice del progetto, la Prof.ssa Liberata Guadagno si è posta l’obiettivo principale di voler sviluppare, per applicazioni aeronautiche, un materiale composito multifunzionale che possa ripararsi autonomamente e che sia in grado di contrastare le forti criticità degli attuali materiali compositi disponibili in commercio.

I materiali compositi multifunzionali possono potenzialmente rivoluzionare il modo di progettare i componen-

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ASS was a Level 1 Collaborative project funded by the European Commission under the 7th Framework Programme. The project focused on overcoming the existing drawbacks related to technical targets required for aeronautical composite materials through the development of new multifunctional self-healing reinforced composites. These multifunctional composites can reduce the effects of accidents and the operating costs of aircrafts through the reduction in fuel consumption due to development of new cost- effective lightweight materials, leading to significant improvements in transport safety.

The improvement in the aircraft safety by self-healing structures and protecting nanofillers is a revolutionary approach to obtain a novel generation of multifunctional aircraft materials with strongly desired properties and design flexibilities. An aircraft with inherent self-healing and protective abilities could help to significantly extend the inspection intervals, thereby increasing aircraft availability. Alternatively, existing inspection intervals could be maintained with significantly thinner structures, thereby saving airframe weight and hence reduce fuel burn, in-service cost and the environmental impact.

The IASS project bound together Universities, Research Organisations, Airframe manufacturers, large Industries and SMEs from 6 European countries.

The IASS Consortium consists of 10 partners and is coordinated by the Uni-

ti strutturali di aerei e avere un effetto importante su molti aspetti del settore aerospaziale. I vantaggi includono una maggiore affidabilità degli aerei, e quindi una riduzione del tasso di incidenti di oltre il 60%. Un altro vantaggio è la riduzione dei costi operativi, che potrebbe scendere del 50% grazie alle abilità protettive e rigenerative che potrebbero contribuire a estendere gli intervalli di ispezione e a ridurre la necessità di riparazioni. Questo si traduce in una diminuzione dei tempi morti. Il progetto IASS ha portato allo sviluppo di resina epossidica multifunzionale caratterizzata da elevata conducibilità elettrica, alta resistenza alla fiamma, eccellenti proprietà meccaniche e capacità di autoripararsi in modo autonomo.

L’idea è stata quella di incorporare sia nanocariche conduttive nella resina

epossidica per creare una composito conduttivo fibrorinforzato, sia microcapsule contenenti un agente autorigenerante capace di reagire con il catalizzatore già disperso nella resina.

Quando si innescano micro-fessurazioni, le capsule si rompono e rilasciano l’agente riparante, che viene in contatto con il catalizzatore. La reazione risultante (ROMP) chiude le parti danneggiate della microfessura. Affinché questo funzioni, il crack non può essere molto grande, ma deve essere nell’ordine del micrometro. Questa reazione avviene anche a temperature molto basse e quindi alla temperatura di esercizio dei velivoli. Inoltre, il catalizzatore (appositamente sintetizzato) non si disattiva alle alte temperature programmate per il processo di “curing” (solidificazione) del composito.

versity of Salerno. The challenge in this research project is to develop and apply a multifunctional autonomically healing composite for structural applications.

Starting from September 2012, the project has been completed at the end of August 2015.

This project specifically targeted composites tailored for multifunctional applications such as lighting strike protection, impact damage and flame resistance, something that restricts the current performance of composites.

The overall objective of the project was to combine different functionalities in a single multifunctional composite.

Promising results have been achieved through: • The use of functionalised nanofillers to create a conductive network in the resin of the composite and to activate self-healing reaction • Implementation of new catalytic pathways and concepts for catalysis, in particular in the field of the “click” – reactions and ROMPbased processes • Investigation on the possibility to apply the “click” reactions to enable high yielding, reactivity in ambient conditions and fast reaction kinetics.

The IASS project has led to a development of material with characteristics of high electrical conductivity, high flame resistance, excellent mechanical properties and self-healing capacities.

Promising multifunctional resins able to simultaneously increase flame resistance, electrical conductivity and to im-

part regenerative ability have been recently patented by some members of this consortium. Moreover, Multifunctional carbon fiber reinforced panels (CFRPs) have been manufactured using the multifunctional resin. CFRPs (impregnated using the resin with all functionalities integrated) have been manufactured by Resin Film Infusion (RFI) using a non-usual technique to infuse a nano-filled resin into the carbon fiber dry preform. Several flat panels have been produced and tested. The manufactured panels have been tested with respect to all the integrated functionalities. The electrical conductivity was found to be about 2x10 4S/m in the direction parallel to the fibers, whereas a value between 3.0 and 4.0 S/m was found in the directional orthogonal to the fibers. These values are among the highest values reached until now for nanofilled resins impregnating carbon fibers. The panels also highlighted enhanced flame resistance properties (LOI ~ 56, Ignition time (s) ~ 81).

Furthermore, due to the autorepair ability (hydrogen reversible bonding interactions), a significant decrease in the fatigue crack growth rate by approximately 80% was found. A limited number of panels have been manufactured and many of the strategies identified for the self-healing and to further increase electrical conductivity have been not transferred to aeronautical panels. The members of the IASS consortium are planning to complete this work in the next 3 years.

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Fabrizio Montagnoli, Marianna Cardone - Finmeccanica Helicopters, Cascina Costa, Inspections&Analysis

Supporto dei CND alle indagini distruttive di compositi a matrice polimerica

I

n aeronautica, ogni volta vi sia un importante cedimento di un componente che causi un inconveniente in esercizio o un incidente, la Failure Analysis è chiamata ad investigarne la modalità e le possibili cause. Questa indagine deve essere la più completa ed oggettiva possibile, anche per fornire risposte alle Autorità competenti. In questo primo contesto, la Failure Analysis vuole essere il trait d’union tra la causa e l’effetto, ma può anche rivestire un importante ruolo di supporto alla progettazione di un elicottero. In questo secondo contesto, è impiegata in fase prototipale sui componenti critici provati a fatica per verificare se le modalità di cedimento, nelle simulate condizioni operative (carichi e ambientali), siano coerenti con quanto previsto dal modello progettuale Damage Tolerant.

Vista la criticità di questi due scenari, la Failure Analysis deve essere condotta con molta attenzione, evitando la creazione di artefatti che possano falsare le valutazioni. I Controlli Non Distruttivi (CND) sono perciò impiegati come preliminare supporto alla Failure Analysis per fornirle i primi dettagli relativi a forma, dimensione, posizione dei danneggiamenti.

CND La prima ispezione è un accurato controllo visivo per individuare i danneggiamenti affioranti. Questa è la fase utile a identificare le zone visibili di danno su cui saranno eseguiti CND più approfonditi. È tuttavia opportuno ricordare che i CND usati a supporto della Failure Analysis hanno il compito di indagare l’intero componente per mappare tutti i potenziali siti che abbiano contribuito alla failure: infatti, il cedimento potrebbe essersi generato da una specifica discontinuità che è divenuta critica proprio a causa dell’esistenza di altre. Si adoperano varie metodologie per indagare i materiali compositi polimerici: Ultrasuoni (UT), Radiografia (RT) e Liquidi Penetranti (PT) sono le più note convenzionalmente. Nel caso di compo-

siti polimerici, la complessità della stratificazione e l’alternanza di diversi materiali rendono più complessa l’indagine CND convenzionale e l’interpretazione dei suoi risultati. Sulla base di ciò e della reperibilità di tecniche CND avanzate, la microtomografia ad alta risoluzione (µCT) è divenuta un utilissimo strumento, che permette di apprezzare dettagli spinti grazie alle risoluzioni spaziali dell’ordine dei micron (fig.1).

Le difettologie sono così localizzate nel volume del componente e caratterizzate per forma, dimensione e posizione, permettendo una mirata indagine distruttiva.

Vi sono però limiti interpretativi nell’analisi µ-CT a causa di artefatti che si generano nel caso di accoppiamenti tra compositi polimerici e metalli (fig.2) e di parti aventi una geometria complessa con spessori fortemente variabili (fig.3).

FAILURE ANALYSIS Dopo la mappatura CND, si hanno tutte le informazioni per pianificare l’attività investigativa distruttiva, governata da una

Fig.1: Impianto di µ-CT ad alta risoluzione

Fig.2: Artefatto tomografico dovuto a bussole metalliche in componente in composito

Fig.3: Artefatto tomografico dovuto a variazioni importanti di spessori attraversati

Compositi

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- Supporto dei CND alle indagini distruttive di compositi a matrice polimerica -

Fig.4: Linea di cedimento “tracciata”dal penetrante rosso su GFRP

Detriti + residui di allumina

Fig.5: Esempio di detriti e residui di allumina dovuti alla lucidatura

normativa più carente per i compositi a matrice polimerica rispetto ai metalli.

La manipolazione delle parti e l’estrazione delle sezioni da indagare al microscopio è una fase molto delicata, in particolare per i componenti in composito polimerico, per i quali il rischio di generare artefatti è più elevato rispetto a quelli in metallo, a causa della loro tipica eterogeneità per stratificazione e proprietà meccaniche. La preparazione si articola in due fasi: una prima sgrossatura con dischi diamantati seguita da una lucidatura con panni imbevuti di pasta diamantata o allumina. Qualora sia utile investigare più approfonditamente il danneggiamento, è necessario indagarne le originali superfici di frattura che devono essere separate, senza contaminarle. L’apertura indotta in laboratorio è generalmente caratterizzata da una morfologia di sovraccarico la quale è identificabile precisamente con il Microscopio Elettronico a Scansione (SEM) che permette di stabilire la morfologia dell’originale superficie di frattura e di osservarne le tipiche tracce di propagazione (hackles, rivermarks, striature di fatica, ecc), fornendo così infor-

mazioni sulla tipologia della sollecitazione applicata e sulla direzione di carico.

Qui i CND possono essere un valido supporto anche per delimitare la frattura prima della sua apertura. I liquidi penetranti sono perciò impiegati come tracciante: i “colorati rossi” per parti in fibra di vetro (GFRP), mentre l’allumina, usata durante la lucidatura, per parti in fibra di carbonio (CFRP). I primi si applicano su superfici lucidate “metallograficamente”, osservando la parte al microscopio subito dopo lo sviluppo per ridurre il “bleed-out”: il cedimento è ora apprezzabile direttamente al microscopio come indicazione rossa nella trasparenza delle fibre di vetro (Fig.4).

La seconda, invece, è utilizzata durante la lucidatura e si insinua all’interno della rottura insieme a tutti i detriti; terminata questa fase e aperta la frattura, la traccia di colorazione biancastra lasciata dall’allumina permette di distinguere l’originale propagazione del danno da quella indotta in laboratorio. La successiva indagine al SEM si limiterà perciò all’area dove sono presenti i detriti di lucidatura (fig.5) che divengono il “tracciante” della zona di interesse.

Fig.8: µ-CT: vista planare e laterale della discontinuità artificiale di figura 6

Fig.6: Discontinuità artificiale Fig.9: Sezioni micro-tomografiche che mostrano il dettaglio delle propagazioni

Fig.7: Mappatura Ultrasuoni (rif. Fig.6)

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Fig.10: Esempio di superfici di frattura con tracciante allumina (area chiara)

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- Supporto dei CND alle indagini distruttive di compositi a matrice polimerica CASI DI STUDIO Si riportano 2 differenti casi per porre l’accento sul differente approccio CND a supporto della Failure Analysis: il primo inerente l’investigazione di un componente provato a fatica, mentre il secondo di una parte proveniente da esercizio.

Parte provata a fatica Lo scopo del test è di verificare se le difettologie artificiali, introdotte deliberatamente (fig.6), e quelle naturali, rappresentative del processo produttivo, siano in grado di propagare e/o di degenerare in fratture nelle condizioni di esercizio simulate al banco. Prima di iniziare il test, è necessario mappare tutte le difettologie nel modo più completo possibile con Ultrasuoni e µ-CT: i primi usati per monitorare le difettologie (fig.7) durante i vari blocchi in cui si articola la prova, mentre la seconda per correlare lo stato complessivo dell’intero volume tra l’inizio e la fine della prova (fig.8) l’evoluzione di tutte le difettologie.

Gli impianti e i parametri delle ispezioni UT e µ-CT sono congelati per non introdurre discrepanze procedurali che rendano non confrontabili i risultati ai vari

Fig.11: Esempio di striature di fatica trovate sulla superficie di frattura.

Fig.14: Cricca su sezione lucidata

Fig.12: Danneggiamento rilevato in servizio e “manipolato” dal cliente

Fig.15: Cricca su una lezione lucidata

blocchi. In questo caso, sono state rilevate con UT due potenziali zone di propagazione senza poterne fornire una completa caratterizzazione. L’indagine con µ-CT ha permesso di raggiungere questo scopo (fig.9): due indicazioni inclinate e ramificate.

Grazie alla mappatura CND, è stato possibile isolare la zona di interesse e, tramite la lucidatura con allumina, analizzare le superfici di frattura (fig.10).

In corrispondenza dei detriti di lucidatura (fig.11), l’indagine al SEM ha riscontrato alcune striature di fatica, il cui conteggio non è correlabile alla velocità di propagazione, come invece accade per i materiali metallici.

Parte proveniente dall’esercizio La prima fase è un’ispezione CND della parte per mappare le difettologie presenti intorno alla zona di interesse, sulla base della nota di inconveniente. La Failure Analysis ha l’obiettivo di stabilire le effettive cause dell’inconveniente occorso e sue eventuali ripercussioni sulla flotta. In questo caso, il danneggiamento del componente è superficiale e visibile; si rilevano inoltre importanti segni di carteggiatura eseguiti dal cliente (fig.12), come riportato nella documentazione tecnica della parte.

Sulla base della stratificazione della parte e del danno visibile, la µ-CT ha permesso di determinarne la profondità e di stabilire, con buona approssimazione, quali strati siano stati danneggiati, guidando l’indagine distruttiva seguente (fig.13). È stato così possibile sezionare in modo mirato il componente con tagli ortogonali all’indicazione, quantificando con maggior precisione la dimensione del danno e gli strati coinvolti. L’osservazione allo stereo-microscopio (fig.14) e al SEM (fig.15) ha identificato una cricca intra-laminare che poi propaga come inter-laminare.

CONCLUSIONI I CND sono una fondamentale attività propedeutica alla Failure Analysis fornendo un’iniziale caratterizzazione non distruttiva del danno per posizione, geometria e dimensione utile a garantire un’analisi “post mortem” consapevole dello stato in cui si trova la parte, senza inficiarne i risultati. Visto l’utilizzo sempre più marcato dei compositi polimerici per applicazioni strutturali e critiche, questo ruolo dei CND appare sempre più rilevante.

BIBLIOGRAFIA/REFERENCES

Fig.13: Sezioni microtomografiche con dettaglio del danneggiamento

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Fabrizio Montagnoli, Marianna Cardone - Finmeccanica Helicopters, Cascina Costa, Inspections&Analysis

NDT in support of destructive investigations of polymer matrix composites

I

n Aeronautics, every time a relevant failure of a component which causes an occurrence (oppure incident) in service or an accident occurs, Failure Analysis is asked to investigate it and its possible causes. This investigation shall be as complete and objective as possible to provide answers to the relevant Authorities. In this first case, Failure Analysis aims to be the link between cause and effect, while, in a second case, it can also play the role of support to the helicopter design: it is used, at the prototype stage, on critical components tested for fatigue to evaluate whether the failure mode, in the simulated operating conditions (loads and environment), is consistent with Damage Tolerant design.

Basing on these two scenarios, Failure Analysis shall be carried out carefully to avoid the formation of artifacts that can distort the evaluation. Non-Destructive Testing (NDT) is therefore used as a preliminary support of Failure Analysis, able to provide the first details of the damage in terms of its shape, size and location.

NDT The first inspection is a thorough visual inspection to detect any surface breaking damage. This is the first step useful to identify areas of visible damage where dedicated NDT will be carried out. However, it is worth reminding that NDT, used to support Failure Analysis, has the task of investigating the entire component: in fact, failure may have been generated by a specific discontinuity which has become critical due to the presence of others.

Various methods are used to investigate polymer matrix composites: Ultrasonics (UT), Radiography (RT) and Penetrant (PT) are the most conventionally known. In the case of polymer composites, the complexity of the stratification and the alternation of different materials make more complex and difficult the interpretation of conventional NDT results. Based on this and on the availability of advanced NDT techniques,

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Compositi

high-resolution micro-tomography (μCT) has become a very useful tool, which allows appreciating small details due to the spatial resolution in the order of microns (Fig.1).

Defects are localized in the volume of the component and characterized by shape, size and position allowing a more accurate destructive investigation.

It has to be considered that there are interpretative limits of the μ-CT analysis due to artifacts generated in the cases of coupling between polymer composites and metals (Fig.2) and of parts having a complex geometry with highly variable thicknesses (Fig.3).

FAILURE ANALYSIS At the completion of NDT inspection, defective areas can be analyzed destructively. Applicable standards for failure analysis of polymer matrix components are weaker compared to what available for metals, so more attention must be paid in the survey.

Both handling of parts and extraction of sections, to be subsequently investigated at the microscope, are a very delicate phase, in particular for components in polymer composite, for which the risk of creating artifacts is higher compared to those in metal, due to their typical heterogeneity both in layers and in mechanical properties. The preparation consists of two phases: a first grinding with diamond-coated disks followed by polishing with cloths soaked by diamond paste or alumina. When a deeper investigation is required, the original fracture surfaces shall be separated without corrupting them. The opening induced in Lab is generally characterized by an overload morphology that is clearly identifiable with the Scanning Electron Microscope (SEM) being able to establish the original morphology of the fracture surface and to observe the typical traces of propagation (hackles, river marks, streaks of fatigue, etc.), providing details of the applied stress type and load direction.

Here NDT can be a precious support to limit also the damage in the extracted section. Liquid penetrant is used as

a tracer: “red coloured” liquid for parts made of glass fiber (GFRP), while alumina, used during polishing, for parts made of carbon fiber (CFRP).

The former applies on polished surfaces of metallographic quality, observing the part at the microscope immediately after the development, to reduce the typical “bleed-out”: failure is so identified directly by the microscope as a red indication in the whiteness of the glass fibers (Fig.4).

The latter is used during polishing and slips in the fracture along with all of the debris. Once the fracture is opened, the whitish traces left by alumina on dark background allow distinguishing the original fracture from the propagation induced in Lab. The subsequent investigation by SEM will be limited to the area where debris of polishing (Fig.5) are identified, becoming the “tracer” of the area of interest.

STUDY CASES Hereafter two different study cases are reported to highlight the different NDT approach as support to the Failure Analysis: the first inherent to the investigation of a component tested for fatigue, while the second of a part coming from service.

Fatigue tested part The purpose of the fatigue test is to verify whether both the artificial (Figure 6) and the natural discontinuities, representative of the production process, can propagate and / or generate fractures under the simulated operating conditions.

Before test starts, all of the discontinuities need to be marked by ultrasound and μ-CT: the former to monitor them (Fig.7) during several blocks which make up the test, and the latter to correlate the overall state of the volume between the beginning and the end of the test (Fig.8) providing a comprehensive evolution of all discontinuities.

Both equipments and parameters of the UT and μ-CT inspections are frozen to not introduce procedural discrepancies that could make difficult to compare

the NDT results between each inspection phase. In this study case, two potential areas of propagation have been detected by UT, without being able to provide a complete characterization.

The survey, carried out by μ-CT, has achieved this goal (Fig.9): two inclined and branched indications.

Thanks to the NDT assessment, it was possible both to isolate the area of interest and to analyze the original fracture surfaces highlighted by alumina (Fig.10).

In correspondence of the polishing debris (Fig.11), some fatigue striations have been detected by SEM. Their count does not allow estimating the rate of crack propagation in a polymer composite material as, on the contrary, happens with metals.

Service Part The first phase is the NDT inspection of the part to mark the discontinuities in the zone of interest, basing on the occurrence report. Failure Analysis aims to determine the cause of the occurred incident and its potential effect on the fleet, if any. In this specific situation, the damage of the component is superficial and visible. Furthermore, signifi-

cant marks of sanding, done by the Client, were detected (Fig.12), as reported in the technical documents of the part.

On the basis of both the stratification of the part and visible damage, μ-CT has allowed determining the depth and, in good approximation, which layers have been damaged, guiding the following destructive investigation (Fig.13).

Thanks to NDT, it was possible to dissect the component in well defined cuts, orthogonal to the indication, quantifying more precisely the size of the damage and the involved layers.

The observation at both stereo-microscope (Fig.14) and SEM (Fig.15) has identified an intra-laminar crack which then propagates as inter-laminar.

CONCLUSIONS NDT is a fundamental preliminary activity of Failure Analysis: it provides an initial non-destructive characterization of the damage in terms of its location, geometry and size to ensure a “post-mortem” analysis fully aware of the component status, without impacting the final investigation results. Furthermore, this special role of NDT becomes more and more important if we consider the increasing use of polymer

matrix composites for structural and critical applications.

All the mentioned figures refer to the Italian version Fig.1: High-resolution micro-tomography equipment.

Fig.2: Artifact due to metallic bushings in a composite components.

Fig.3: Artifact due to relevant variations of thicknesses.

Fig.4: Trace of failure marked by red penetrant on GFRP. Fig.5: Example of debris and alumina residues coming from polishing.

Fig.6: Artificial discontinuity.

Fig.7: Ultrasound mark (ref. Fig.6).

Fig.8: µ-CT: Planar and lateral views of the artificial discontinuity of Fig.6.

Fig.9: Micro-tomographic sections with detail of the propagation.

Fig.10: Example of fracture surfaces highlighted by alumina (whitish area).

Fig.11: Example of fatigue streaks on the fracture surface.

Fig.12: Service damage sandpapered by the Client.

Fig.13: Micro-tomographic sections with detail of the damage.

Fig.14: Crack with Stereo-microscope.

Fig.15: Crack with SEM.

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Vogliamo ringraziarvi perchĂŠ tutti i giorni lavoriamo al vostro fianco con i nostri fornitori, fornendo materiali, servizi e soluzioni con impegno e passione.

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Carosena Meola, Simone Boccardi, Giovanni Maria Carlomagno, Natalino Daniele Boffa, Fabrizio Ricci Dipartimento di Ingegneria Industriale - Sezione Ingegneria Aerospaziale, Università di Napoli Federico II Giorgio Simeoli - CRdC Tecnologie s.c.r.l., Napoli Pietro Russo - Istituto per i Polimeri, Compositi e Biomateriali, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Pozzuoli (NA)

La termografia all’infrarosso nella caratterizzazione

L

a termografia all’infrarosso (IRT) consente di ottenere la mappa di temperatura su di una superficie, a geometria anche complessa, a partire dalla radiazione termica emessa da tale superficie nella banda dell’infrarosso. Si tratta di una tecnica completamente non distruttiva e non invasiva, in quanto non richiede alcun contatto fisico con la superficie da esaminare. L’ispezione è effettuata a distanza garantendo, al contempo, l’integrità della parte da ispezionare e la sicurezza dell’operatore [1].

Il controllo non-distruttivo mediante termografia all’infrarosso generalmente richiede stimolazione termica della superficie da ispezionare. È possibile anche un’ispezione di tipo passivo (senza alcuna stimolazione termica) mediante visualizzazione di variazioni di temperatura legate agli effetti termoelastici/plastici indotti da sollecitazioni meccaniche.

Meola e Carlomagno [2] sono stati i primi a sperimentare l’utilizzo della termografia all’infrarosso nel monitoraggio

Codice

Matrice

Fibre

Spessore (mm)

CFRP

Resina epossidica

Carbonio

2.4

GFRP

Resina epossidica

Vetro

2.9

PG

Polipropilene

Vetro

3.0

P CG

Polipropilene + 2% compatibilizzante

Vetro

3.0

Tab.1: Provini utilizzati

a

a Pendolo di Charpy b Piastra di alloggiamento provino e posizione della termocamera Fig.1: Apparato sperimentale per prove di impatto

Fig.2: Apparato sperimentale per prove di flessione

b

degli effetti termoelastici/plastici indotti dall’energia di impatto e a sottolineare che dall’analisi di tali effetti [3,4] è possibile trarre informazioni utili per stabilire le prestazioni dei materiali compositi.

La termografia all’infrarosso è utilizzata per monitorare on-line effetti termo-elastici/plastici indotti dalle sollecitazioni meccaniche quali l’impatto e la flessione ciclica.

INDAGINE SPERIMENTALE Sono considerate quattro tipologie di provino (Tabella 1); le dimensioni dei provini sono variabili in funzione del tipo di prova (impatto, o flessione) alla quale sono sottoposti. La termocamera utilizzata è la SC6000 (Flir Systems) con sensore QWIP LW con risposta spettrale nella banda 8-9 mm e risoluzione spaziale di 640x512 pixels full frame.

Prove di impatto Le prove di impatto sono effettuate con pendolo di Charpy modificato (fig.1). La modifica consiste essenzialmente nella sostituzione dell’impattatore (che normalmente è tagliente per prove di resilienza) con uno arrotondato a testa emisferica con diametro di 12.7 mm (fig.1a).

Nella figura 1b è visibile l’alloggiamento dei provini e la posizione della termocamera. In particolare, il provino è alloggiato tra due piastre con una finestra centrale di 15 cm x 7.5 cm che permette la percussione della superficie del provino con l’impattatore da un lato e l’accesso ottico per la termocamera dal lato opposto all’impatto.

La procedura di prova consiste nell’innalzare il braccio del pendolo ad una certa altezza e lasciar cadere l’impattatore. L’energia di impatto è variata scegliendo opportunamente l’altezza iniziale dell’impattatore. La termocamera acquisisce sequenze di immagini a un frame rate di 96 Hz. L’acquisizione parte qualche istante prima dell’impatto e continua anche poco dopo l’impatto per visualizzare le variazioni di temperatura rispetto all’ambiente e la loro evoluzione nel tempo.

Prove di flessione È utilizzata la configurazione di trave incastrata mostrata in figura 2. Sono effettuate prove di flessione ciclica con frequenza di sollecitazione fb = 2 Hz e

Compositi

25

- La termografia all’infrarosso nella caratterizzazione ampiezza Df = 1.5 cm. Il carico è applicato mediante un filo collegato ad una macchina di flessione da un lato e a una molla elastica dall’altro. La termocamera guarda una superficie del provino e acquisisce sequenze di immagini con frame rate fr = 60 Hz. ANALISI DEI RISULTATI Le sequenze di immagini termiche, acquisite durante la sollecitazione meccanica (impatto, o flessione) sono successivamente analizzate. In particolare, la prima immagine (t = 0, provino a temperatura ambiente) della sequenza è sottratta a ciascuna immagine successiva in modo da generare una sequenza di immagini ∆T: ∆T(i,j,t)=T(i,j,t)-T(i,j,0)

Fig.3: Immagini ∆T del provino CFRP a diversi istanti durante l’impatto a E = 10 J.

Fig.4: Immagini ∆T di provini di diversa tipologia ripresi a t = 0.02 s dall’impatto

Materiale

∆T (K)

CFRP

19.9

GFRP

24.7

PG

2.4

P CG

2.6

Tab.2: Valori di ∆T massimo per i vari materiali

26

Compositi

i e j rappresentano linee e colonne della matrice di temperatura superficiale.

Alcune immagini ∆T, acquisite a diversi istanti durante l’impatto sul provino CFRP, sono mostrate in figura 3. Si può notare come, prima dell’impatto, il ∆T (fig.3a) assuma valori praticamente nulli sull’intera superficie. All’impatto a 10 J, si verifica un taglio netto lungo la direzione orizzontale delle fibre con improvviso innalzamento di temperatura (fig.3b) che raggiunge il massimo (∆T @ 20 K) qualche frazione di secondo dopo (fig.3c). La successiva immagine (fig.3d) mostra sia il taglio sia l’estensione della delaminazione sottostante.

In figura 4 sono confrontate immagini ∆T relative all’istante t = 0.02 s per un impatto a 10 J delle quattro tipologie di provino. Le principali differenze che si possono notare sono: • presenza di rotture di fibre (fig.4a e b) nei materiali con matrice termoindurente • solo deformazione plastica nei materiali con matrice termoplastica • minori ∆T raggiunti nel caso dei materiali termoplastici.

Come si evince da Tabella 2, il massimo ∆T, assume valori prossimi a, o maggiori di, 20 K per CFRP e GFRP, mentre non va oltre 2.6 K per gli altri due provini.

Inoltre, si può notare come l’estensione della zona calda sia maggiore per il provino PG: questo perché la presenza del compatibilizzante nel provino PCG modifica la tenacità del materiale e ostacola la deformazione plastica [5].

Nella figura 5 sono mostrati alcuni risultati ottenuti dalle prove di flessione su due provini, uno in GFRP e l’altro in PG. In particolare, è riportato l’andamento del ∆T nelle quattro posizioni (x/L) lungo la lunghezza L di ciascun provino, rappresentate in figura 5a.

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- La termografia all’infrarosso nella caratterizzazione Per ciascun provino, si può osservare un andamento sinusoidale che riproduce perfettamente il carico ciclico con diminuzione/aumento di temperatura sulla superficie in trazione/compressione, rispettivamente. In accordo con il diagramma del momento flettente, il ∆T attinge la massima ampiezza vicino all’incastro (x/L = 0.09) e poi decresce allontanandosi dall’incastro [6]. Dal confronto degli andamenti per i due provini, si può facilmente constatare che il provino GFRP con matrice termoindurente assume valori di ∆T più elevati rispetto al provino PG con matrice termoplastica.

Fig.5: Distribuzione del ∆T al variare della distanza dall’incastro CONCLUSIONI Dai risultati ottenuti si evince che: • dall’impronta termica causata dall’impatto è possibile trarre informazioni sulla modalità di danneggiamento di materiali compositi differenti per matrice e/o rinforzo. In particolare, un brusco innalzamento locale di temperatura è indice di rottura di fibre, mentre lievi variazioni di temperatura sono dovute essenzialmente a delaminazione e/o deformazione plastica; • le variazioni di temperatura legate agli effetti termoelastici indotti dalla flessione ciclica dipendono dalle caratteristiche del materiale. In particolare, a parità di deflessione e frequenza di sollecitazione, il materiale a matrice termoindurente assume valori di ∆T più elevati rispetto al materiale con matrice termoplastica.

BIBLIOGRAFIA/REFERENCES

[1]. C. Meola, G. M. Carlomagno Recent advances in the use of infrared thermography, Measurements Science and Technology, (review article) vol. 15, R27-R58, 2004.

[2]. C. Meola, G.M. Carlomagno, Infrared thermography to impact-driven thermal effects, Applied Physics A, vol. 96, pp. 759762, 2009.

[3]. C. Meola, G.M. Carlomagno, Impact damage in GFRP: new insights with Infrared Thermography, Composites Part A, vol.41, 1839-1847, 2010.

[4]. C. Meola, G. M. Carlomagno and F. Ricci, Monitoring of impact damage in Carbon Fibre Reinforced Polymers, QIRT 2012, Napoli, June 11-14, 2012, paper n. 374, pp.8.

[5]. C. Meola, G.M. Carlomagno, S. Boccardi, G. Simeoli, D. Acierno and P. Russo, Infrared Thermography to Monitor Thermoplastic-matrix Composites Under Load, Proc. 11th ECNDT, Prague, Czech Republic, 6-10 October 2014, ISBN 978-80-214-5018-9.

[6]. S. Boccardi, G.M. Carlomagno, C. Bonavolontà, M. Valentino, and C. Meola, Infrared thermography to monitor Glare® under cyclic bending tests with correction of camera noise, Proc. QIRT 2014, Bordeaux, France, 7-11 July 2014, paper 215.

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Compositi

Carosena Meola, Simone Boccardi, Giovanni Maria Carlomagno, Natalino Daniele Boffa, Fabrizio Ricci Dipartimento di Ingegneria Industriale - Sezione Ingegneria Aerospaziale, Università di Napoli Federico II Giorgio Simeoli - CRdC Tecnologie s.c.r.l., Naples Pietro Russo - Istituto per i Polimeri, Compositi e Biomateriali, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Pozzuoli (NA)

Characterization with infrared thermography

I

nfrared thermography (IRT) allows to get a surface temperature map of any object, of even complex geometry, in a remote and non-intrusive way starting from the thermal energy radiated by such an object in the infrared electromagnetic band.

It is a completely non-destructive and non intrusive technique since it operates in remote way and does not require any contact with the part to be inspected.

This guarantees, at the same time, the safeguard of both the part and the personnel [1]. NDT with infrared thermography generally requires thermal stimulation of the surface under test. It is possible also to ascertain the conditions of a part in passive way (i.e. without any thermal stimulation) through the visualization of temperature variations linked to thermo-elastic/plastic effects induced by mechanical loads. Meola and Carlomagno [2] were the first to succeed in the visualization of thermo-elastic/plastic effects generated by impact tests and to prove the usefulness of IRT [3,4] for the comprehension of the composites materials under impact. Here the infrared thermography is used for monitoring ther-

mo-elastic/plastic effects generated by either impact, or cyclic bending, tests.

EXPERIMENTAL INVESTIGATION Four different specimens with some details reported in Table 1 are considered.

The dimensions in terms of length and width depend on the specific tests requirements. The used infrared camera is the SC6000 (Flir systems) equipped with a QWIP detector, working in the long wave spectral band 8-9 mm and having spatial resolution of 640x512 pixels full frame.

Impact tests Impact tests are carried out with a modified Charpy pendulum (fig.1) in which the sharp impactor is replaced by a hemispherical one 12.7 mm in diameter (fig.1a). Figure 1b shows the specimen lodge and the position of the infrared camera. In particular, the lodge is composed of two large plates, each with a central window 15 cm x 7.5 cm, which allows for the contact with the hammer from one side and an optical view (by the infrared camera) from the other one. The impact energy is set by suitably adjust-

ing the falling height of the Charpy arm.

The infrared camera acquires sequences of thermal images during impact tests at a frame rate of 96 Hz. To allow for a complete visualization of the thermal effects evolution with respect to the ambient temperature, the acquisition starts few seconds before the impact and lasts for some time after.

Cyclic bending tests Cyclic bending tests are performed with a cantilever beam specimen clamped on the bottom side (fixture) and free to bend under the cyclic harmonic displacement applied at the opposite end (Fig.2).

The bending is operated with a mechanical actuator through a wire and a return spring. The infrared camera is positioned to see one surface of the specimen.

Specimens are subjected to cyclic bending at a frequency fb = 2 Hz and with a deflection DF = 15 mm. Sequences of thermal images are acquired at a frame rate FR = 60 Hz during bending.

DATA ANALYSIS The sequences of thermal images acquired during either impact, or bending,

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Compositi

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- Characterization with infrared thermography tests are post-processed; in particular, the first image (t = 0 s) of the sequence, i.e. the specimen surface temperature (ambient) before impact, is subtracted to each subsequent image so as to generate a map of temperature difference ∆T: ∆T(i,j,t)=T(i,j,t)-T(i,j,0)

IROP

i and j representing lines and columns of the surface temperature map.

Some ∆T images of the specimen CFRP, taken at different instants during the impact, are shown in figure 3. It is possible to notice as, before the impact, ∆T is practically equal to zero over the entire surface (Fig.3a). Suddenly, at the impact at 10 J, breakage of fibres along the horizontal direction arises with an abrupt rise of temperature (Fig.3b) which attains its maximum (∆T @ 20 K) fractions of a second later (Fig.3c). The subsequent image (fig.3d) displays both the chopped fibres and the overall delamination extension.

Figure 4 shows a comparison between ∆T images relative to the instant t = 0.02 s for impact at 10 J of the four tested specimens. As main findings, it can be noted: • presence of fibres breakage (fig.4a e b) in materials involving a thermoset matrix; • only plastic deformation in materials 23-02-2009 8:59 Pagina 31 with a thermoplastic matrix;

• ∆T attains lower values in thermoplastic materials.

As shown in Table 2, the maximum ∆T, attains values close to, or higher than, 20 K for CFRP and GFRP, while it does not overpasses 2.6 K for the other two specimens. In addition, by comparing the images of two thermoplastic matrix based materials PG (fig.4c) and PCG (fig.4d), it is possible to note that the warm area is larger for the specimen PG. This is due to the presence of the compatibilizing agent in the P CG specimen prevents larger deformations [5]. At last, some ∆T evolutions coming from bending tests are reported in figure 5. In particular, plots of ∆T in four measurement points x/L (Fig.5a) along the length L of the two specimens GFRP and PG are shown as a function of time. It is possible to observe a sinusoidal trend that perfectly synchronizes with the cyclic displacement of the upper specimen end, with decrease/increase of temperature over the surface being in tension/compression, respectively. In agreement with the momentum diagram along the beam, ∆T attains its maximum amplitude close to the fixture (x/L = 0.09) and decreases moving away from it [6]. It is easy to notice that the specimen CFRP with thermoset matrix attains higher ∆T values with respect to the specimen PG with thermoplastic matrix.

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Compositi

CONCLUSIONS The obtained results show that: • the thermal signature caused by the impact supplies information about the impact damaging of composites which involve either a different matrix, or a different reinforcement. In particular, an abrupt rise of temperature bears witness for fibres breakage, while slight temperature variations indicate delamination and/or plastic deformation; • the temperature variations linked to thermoelastic effects coupled with cyclic bending depend on the thermal materials characteristics. In particular, for the same testing conditions, the material with thermoset matrix attains higher ∆T values.

All the mentioned figures refer to the Italian version Tab.1: The tested specimens Fig.1: Test setup for impact tests a Charpy pendulum b Specimen lodge and position of the infrared camera Fig.2: Setup for cyclic bending tests Fig.3: ∆T images of the specimen CFRP at different instants during the impact at E = 10 J. Fig.4: ∆T images of the different specimens taken at t = 0.02 s from the impact Tab.2: Maximum ∆T for the different materials Fig.5: Distribution of ∆T evolution for varying x/L Nata nel 1956, da molti anni IROP progetta e realizza

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Expansion of business in Europe To support its ambitious growth strategy, North Thin Ply Technology (NTPT), a world leader in lightweight prepreg materials, is pleased to announce the appointment of Bodo Möller Chemie GmbH as its distributor for the France, Spain and Benelux regions.

The distribution agreement covers NTPT’s complete range of prepreg materials and engineered composite products, including thin ply prepregs in weights down to 15 g/m2, conventional prepregs of 100-300 g/m2, multiaxial preforms and highly uniform carbon fibre tubes and machineable composite blocks. NTPT’s products are used in a wide range of high-performance composite applications in the marine, motorsports, aerospace, sports and luxury goods sectors.

Bodo Möller Chemie is a leading supplier of speciality chemicals to the composites, plastics, adhesives, coatings and other industrial sectors. NTPT’s products are complementary to Bodo Möller’s composites portfolio and the experience and technical expertise of Bodo Möller’s team will support the continued expansion of NTPT’s business in Europe.

Headquartered in Switzerland, with manufacturing facilities in Poland, NTPT is preparing for significant growth in 2016.

“We’ve seen strong demand for our products over the past two years and as a result we will put into place a number of initiatives during 2016 designed to cope with this demand and expand our business globally,” reports James Austin, CEO of NTPT. “With its expertise in our target markets Bodo Möller is the ideal partner to support this growth strategy.”

“The composites market is demanding high performance solutions and continuous weight reduction,” comments Lionel Breuilly, Managing Director of Bodo Möller France. “With the NTPT product range, we will propose innovative technologies to our customers in order to achieve their goals. We are delighted to promote NTPT’s unique composite solutions.”

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Anna Rita Fanella - Finmeccanica Divisione Elicotteri, Brindisi Filomena Paradiso - Avio Aero, Pomigliano d’Arco Gabriella Silvestro - Thales Alenia Space, Torino

La situazione italiana dei CND nel settore Avio-Spazio vista dai Livelli 3

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n’inchiesta ha preso in esame le problematiche vecchie e nuove che devono affrontare i Livelli 3 NDT nel Settore Avio-Spazio italiano. L’intento è di favorire una discussione propositiva sul background in cui esprimersi efficacemente, sia per le aziende di appartenenza, sia per il rispetto dei requisiti, vedendo i NDT come strumento positivo di miglioramento della qualità e non come onere da contenere.

Per fare il punto della situazione, ci si è basati essenzialmente su quanto emerso dall’inchiesta “Come pensano i Livelli 3 nel Settore Aerospazio” condotta tra novanta specialisti all’inizio del 2015.

Le domande dell’inchiesta erano tredici ma, per riassumere al meglio le opinioni dei partecipanti, abbiamo scelto quelle che hanno offerto maggiori spunti durante la tavola rotonda della Biennale Italiana CND dello scorso ottobre a Milano.

Domanda n.3 Sei soddisfatto del sistema attuale di qualifica del personale CND secondo EN4179 e basato su CAE (Centro Addestramento ed Esami) e ITANDTB (Italian Aerospace Non Destructive Board)?

La risposta ha fornito una media di gradimento sufficiente: 6.63/10. Dai commenti allegati alle risposte è emerso però che la maggioranza dei partecipanti desidererebbe un maggiore controllo/ audit sui CAE, auspicabile soprattutto se si considera fra di loro ci sono società a fini di lucro.

Domanda n.5 Sotto l’aspetto del rapporto qualità/costi, per la produzione di particolari per aero-spazio, gli Enti Ispettivi (Nadcap, ENAC, FAA, Cognizant Engineering Organization, ecc.) danno un contributo?

Media di gradimento 6.3/10 quindi maggioranza delle risposte affermative; interessante però sottolineare che un buon numero di commenti è stato “spesso gli AUDIT generano soprattutto entropia e creano terrorismo”.

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Domanda n.8 Sotto l’aspetto numerico, il personale CND qualificato dell’unità in cui operi è adeguato ai compiti da svolgere?

Risultato numerico positivo: i partecipanti hanno risposto con un voto medio pari a 7.10/10. Però non sono pochi quelli che lamentano personale sotto-organico ed insufficiente ricambio generazionale. Dai dati raccolti risulta che quotidianamente i Livelli 3 dedicano circa il 76% della loro giornata lavorativa ad attività nei CND ma ben il 38% di questo tempo è impiegato per compiti da Livelli 1 e 2 che, evidentemente, mancano.

Domanda n.12 È facile l’applicazione totale dei requisiti di cui sei responsabile nella realtà in cui operi?

Anche a questa domanda si è registrato un buon risultato: 7.45/10. Uno spunto di riflessione e di confronto è che alcuni hanno segnalato di subire delle pressioni per l’accettabilità dei particolari: questo perché molte volte i CND sono visti come il “collo di bottiglia della produzione”.

Domanda n.13 Se l’Azienda per la quale lavori ti desse l’opportunità di non occuparti più di NDT, saresti soddisfatto?

2.71/10 il risultato! Ma emergono comunque alcuni malcontenti: i CND spesso sono alla mercé della produzione ed, inoltre, in azienda è scarsa la possibilità di carriera per gli specialisti.

CND: PROCESSI A ZERO VALORE AGGIUNTO? Considerando i “voti”, il dato maggiormente rilevante è certamente la convinzione che “valga la pena lavorare in questo campo” e “non si desidera abbandonare i CND”. E c’è di più: la maggioranza dei Livelli 3 si dichiara disponibile ad attività extra-aziendali.

Si può facilmente notare una chiara e diffusa notevole scontentezza. Nel tentativo di risolvere questa apparente contraddizione abbiamo allora provato ad analizzare i principali problemi, comuni alla maggior parte degli esperti.

Primo tra tanti sembra essere la scarsa considerazione che, all’interno delle aziende italiane, si percepisce ver-

Finmeccanica Divisione Elicotteri: un allineamento perfetto della macchina ad ultrasuoni a 12 assi in AW BR, NutroniK GE

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so i CND e che, secondo gli intervistati, è dimostrata dal mancato coinvolgimento degli esperti nei processi aziendali non strettamente produttivi. Differentemente, nelle grandi aziende aeronautiche del resto del mondo i Livelli 3 sono coinvolti, già a partire dalla fase di progettazione, per lo studio dell’ispezionabilità e per valutare la formulazione dei limiti di accettabilità. Riguardo a questo ultimo aspetto, inoltre, la mancata collaborazione tra i progettisti ed i Livelli 3 genera un’ulteriore difficoltà, denunciata dagli interpellati, ovvero quella di dover trasferire ai Livelli 2 degli standard spesso complessi o non perfettamente applicabili al relativo metodo CND. A rafforzare questa sensazione di “esclusione” si aggiunge, in molti casi, la vecchia e cieca visione dei controlli come processi a “zero valore” aggiunto, perché non strettamente di fabbricazione.

Continuando nell’analisi emergono infine delle problematiche più pratiche, ovvero la difficoltà del trasferimento di esperienza tra le diverse generazioni di specialisti e quella di aumentare le proprie conoscenze, nel caso si appartenga ad aziende piccole o con tipologie di prodotti poco varie.

In altre parole, appaiono molto sentiti la necessità di integrazione tra generazioni ed il bisogno di sviluppare dei percorsi, anche infra-aziendali, per permettere a tutti i Livelli 3, giovani e non, di accrescere le proprie esperienze.

Sede Legale, Ufficio Amministrativo e Commerciale: Via Cassia, 1699 - 00123 Roma Tel. 06 90.73.607 r.a. - Fax 06 90.85.238

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COME MIGLIORARE LA SITUAZIONE Pur denunciando numerose difficoltà, i Livelli 3 coinvolti hanno fornito spunti di miglioramento durante la Biennale Italiana, dove si è discusso di:

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• Rivedere i Syllabus ITANDTB, migliorarne le indicazioni bibliografiche e rinnovare le domande dei test.

• Migliorare la gestione dei CAE, valutando un coordinamento da parte ITANDTB. • Coinvolgere nelle attività CND anche il sistema scolastico (Istituti Tecnici ed Università); soprattutto per alcuni nuovi metodi (leggi termografia), per i quali l’Università detiene maggiore conoscenza e quindi dovrebbe rientrare nel percorso formativo.

• Promuovere l’organizzazione di giornate di aggiornamento per chiarimenti degli standard e su metodologie CND nuove o dedicate a scopi specifici.

• Promuovere la unificazione o riduzione del numero di audit.

• Creare un blog per condivisione esperienze.

CONCLUSIONI Tutti i punti sono certamente da sviluppare ma a Milano è stato fatto un primo passo. L’ITANDTB, tramite il suo segretario, lavorerà per organizzare un incontro con i rappresentanti dei PRIME, NADCAP, ENAC e degli altri organismi interessati, per verificare la possibilità di unificare e ridurre gli audit.

Grande disponibilità dunque da parte di ITANDTB, anche se il Board ha comunque denunciato uno supporto ancora insufficiente da parte dei Livelli 3: infatti è possibile che, in un prossimo futuro, diventi più stringente e rigido il requisito di collaborazione valido al riconoscimento dei punti di riqualifica.

Sembra evidente che, per raggiungere obiettivi comuni, la principale strada da percorrere sia instaurare una reta robusta ma fluida tra i terzi Livelli italiani.

Ed a questo riguardo ancora una volta l’ITANDTB sembra fornire un utile supporto: a breve riaprirà il forum dei Livelli 3 sul sito UNAVIA/ITANDTB.

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The Italian NDT situation in avio-space seen by 3 Levels

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n order to take stock of “The Italian NDT situation in AreoSpace”, as viewed by the 3rd levels, we essentially have based on the findings of a survey, conducted in early 2015, between ninety Italians III lev (How do they think the 3 Levels in the Aerospace field).

The questions of the survey were thirteen but, to summarize the majority of the participants’ points of view, we have chosen only few, ie those who offered the most valuable points during the panel discussion of the NDT Italian Biennial, in Milan last October.

Question 3 Are you satisfied of the current NDT personnel Qualification system according to EN4179, based on CAE (Training Exams Centre) e ITANDTB (Italian Aerospace NDT Board)?

The level of satisfaction is 6.6 out of 10; however the majority of the participants requested a better control/audit on CAE; desirable especially if we consider that some are profit-making businesses.

Question 5 Based on the ratio quality/cost for the production of aerospace parts, are the Auditing bodies giving a contribution?

The result has 6.3 out of 10, so mainly positive answers, but we have to underline many interesting comments such as that “often Audits cause entropy and generate terrorism”.

Question 8 In your NDT department, is the number of NDT qualified inspectors appropriate for the tasks that need to be performed?

Positive numerical result, participants responded with an average score of 7.10/ 10. Despite this however, there were quite a few who complained about under-staffed personnel and a low generational turnover. In detail, from the collected data it seems that, in practice, Levels 3 devote on average 76% of their working day to NDT activities but 38% of this time is spent for Level 1 and 2 duties, which are evidently lacking.

Question 12 In your work reality, for requirements under your responsibility, is the full application easy to implement?

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Compositi

Also for this question, there was a good result: 7.45/10. An interesting food for thought and discussion, however, it is also to be acknowledged that some Level 3 reported to be subject to pressures for the production acceptability; and this due to the fact that often NDT are seen as the “bottleneck of production.”

Question 13 If your company gave you the opportunity to leave NDT job, would you be satisfied?

2.71/10 the result! But once again a few unsatisfied stuff: NDT are often at the mercy of the production and, moreover, in the company, due to reality that for specialists, career opportunities are lacking.

As just seen, considering the “votes”, the most significant is certainly the belief that “it is worthwhile to work in this field” and “do not want to leave the NDT”. Further more, the majority of levels 3 agrees to extra-company activities.

Despite this, however, you can easily notice a clear and significant widespread discontent.

In an effort to resolve this apparent contradiction, we then tried to analyse key issues, common to most experts.

First among many seems to be the lack of consideration for NDT that, within the Italian companies, is perceived and that, according to respondents, is demonstrated by the lack of experts involvement in the processes that are not strictly production.

Differently, in major aviation companies of the world, the Level 3 are already involved in the design phase, to study the inspection possibility and to assess the formulation of the acceptable limits. Regarding this last point, also, the lack of cooperation between designers and level 3 creates another difficulty, reported by respondents, that of having to interpret standards often complex or not fully applicable to the NDT method.

To strengthen this feeling of “exclusion” is then added, in many cases, the old blind vision of the controls as processes to “zero value” added because not strictly manufacturing.

Continuing the analysis, ultimately emerge two more practical problems, the difficulty of the transfer of experience between the different generations and to increase the knowledge if you belong to small companies or with

types of products little different. In other words, they appear deeply felt the need of integration between generations and the need to develop training, also with inter-companies activities, to allow all Levels 3, young and old, to improve their experiences.

Fortunately, meanwhile decrying numerous difficulties, the Levels 3 involved provided also suggestions for improvement to be taken into serious consideration and that, as mentioned, were then discussed at the NDT Italian Biennial, during which they discussed in detail: • Review the ITANDTB Syllabus, improve the bibliographical and renew the test questions.

• Improving the management of CAE, considering a coordination by ITANDTB. • Engaging, in NDT activities, also the school system (technical schools and universities); especially for the “new” methods (read thermography), for which the University holds most knowledge and therefore should be included in the training program.

• Promote the organization of training days for standards clarification and for new NDT methods or dedicated to specific purposes.

• Promoting the audits number reduction or unification.

• Creating a blog for sharing experiences.

All points still certainly need to be developed but in Milan a first step has been taken. ITANDTB, in fact, with the collaboration of his secretary, will work to arrange a meeting with representatives of PRIME, NADCAP, ENAC and other stakeholders, to verify the possibility to unify and reduce audits.

Therefore, high availability by ITANDTB, even if the Board has however denounced a still insufficient support by Level 3; so it’s possible that, in the near future, the collaboration requirement, for recertification with Credits system, will become more stringent and rigid.

In conclusion, it seems clear that to achieve common goals the main way is to establish a strong and yet fluid net between the Italian third levels Regarding the above information, once again it seems ITANDTB provide support, in fact soon the NDT Level 3 forum, on the UNAVIA / ITANDTB website, will be reopened.

CASE STUDY

A new, life-saving aircraft - Vladimir Tatarenko, Doctor of Technical Sciences The idea of the project ‘Aircraft with a capsule to save passengers (cargo) during catastrophe with reduced time of parking in airport’ appeared 10 years ago.

Calculations showed that it was not feasible because its implementation in planes on the basis of existing materials (steel alloys, titanium, aluminum alloys etc.) increased its weight by 20% with respect to similar aircrafts. Consequently, such planes required more powerful engines and therefore increasing amounts of aircraft kerosene (subject to continuous price rises), to respect the typical specifications of similar existing aircrafts. Passengers would have to pay for all this. Aviation companies put to the fore weight saving in existing planes, i.e. improvement of operational performance, despite the evident competitive benefits of the newly-proposed aircrafts, which were based on saving passengers in a catastrophe.

The most influential factor on the weight of the proposed aircraft is the parachute-reactive system for a smooth, safe descent of the passenger cabin. Yet, there has been no technological breakthrough in this respect.

Therefore, we came to the decision that the application of carbon or carbon fiber-reinforced polymers can help solve the problem. Moreover, such firms as ‘Boeing’, ‘Airbus’, ‘Bombardier’ and others widely exploit carbon fibers in the production of wings, fuselage, tailplane and other sub-systems. The use of composites allowed not only to decrease the weight of airliners with respect to their full-metal counterparts, but also to create components with more complicated and effective aerodynamic profiles. The aforementioned firms make use of a conventional autoclave technology that involves the use of pre-impregnated materials, i.e. fragments of carbon fiber web which is pre-impregnated by a binder substance.

We are designing a vacuum-infusion technology of CJ-SC ‘Aerocomposite’. This company was established in 2008 in

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Compositi

the framework of the UAC within the ‘Sukhoi’ holding. No pre-pregs are used in vacuum-infusion technology. Dry strips of carbon fiber web are laid on a technological rigging. A binder is added to the material directly before the heat treatment in a furnace (not in an autoclave).

In the designed plane carbon fibers are envisaged for the production of the shell of the lower and upper fuselage, wings, rudder, elevator, pylons of the flap drive system, ailerons, outer flap, air brake, elements of the power sub-system.

The future aircraft differs from existing similar planes in the implementation of a fuselage assembly made up of upper and lower parts rigidly interconnected by brackets. The lower part of the fuselage, which forms the passenger and cargo cabin, is made in the shape of one or more rigid sealed insulated shells, where the transverse section of each one is symmetrical with respect to the vertical axis passing through its geometrical center, and outlines the contour of closed convex or convex-concave curves. The transverse section of the fuselage upper part outlines the contour of a closed curve, whose shape reflects that of the lower part of fuselage. Wings, engines, tailplane and chassis are located in the upper part of the fuselage; the pilot cabin is a part of the upper fuselage as well.

Reversible pneumatic pushers are placed at the bottom of the shell of the fuselage’s upper part and are connected to the compressed air network; the lower part of stocks is kinematically connected by joints with pneumatic clips, which provide a rigid interconnection of the upper (carrying) and lower (landing) bodies of the fuselage in a docking position.

For unlocking of fuselage parts, a reversible pusher is horizontally installed in upper fuselage, which disconnects the parts by pressing on the brackets set in the inner side of the passengers cabin.

The extremity of the shell of the passengers cabin is provided with slots where dowels with a trapezoidal cross-section con-

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PRODUZIONE

nect the shell to the end of the framework in the backside wall of the pilot cabin.

The end of the body of the passengers cabin has a steplike profile, where one of the steps is spherical and another one is cylindrical.

Sensors of the automatic parking system, whose signal output is sent to the pilots’ control panel, are installed in the upper part of the passengers cabin body. The complete system of the proposed aircraft includes the vehicle for transporting the body of the passengers cabin. A special table motorized by means of a tailored gear is installed on the sprung platform of the vehicle and can move longitudinally along guides. A transverse support structure is placed in the upper part of the table and can move perpendicularly with respect to the platform itself along guides. Several systems are installed on the support structure, such as the force aggregate, an electric generator, air and hydraulic stations. Also mounted on the transverse support is the bracket, whose upper horizontal shelf lodges a platform with the pilot cabin that can move in the left-right direction. The cabin has opposing controls for comfortable and safe movement in opposite directions; moreover, the pilot chair swivels 360 degrees. The lifts with lodgements for placing and blocking the cabin body are located on the transverse support near force frames of the lower part of fuselage. Working planes of lodgements are equipped with airbags with vacuum pins.

In conclusion, it should be noted that without composite materials the aircraft could not come to life; they played a vital role in the determination of technical and economic indicators of the competitive benefits of the plane - saving passengers while the ticket price does not exceed similar aircrafts.

PLATAINE

Total Production Optimization at Cyclone Cyclone, a subsidiary of Elbit Systems produces metal and composite structural aircraft components and parts for leading aerospace companies. It is a Tier 1 and 2 supplier for Boeing, Bombardier, IAI, Lockheed Martin, Spirit and Sukhoi to name a few. Cyclone is considered a pioneer in the field of composite parts fabrication with over 30 years of experience. It produces unique assemblies for civil and military aircraft such as the F-15, F-16 and F-18 fighter aircraft and Boeing 737 to 787 commercial aircrafts. Cyclone is certified for ISO 9001 and Boeing AS 9100-2000 Advanced Quality Systems, and is a Boeing Gold Level Preferred Supplier.

PRODUCTION RATE UP About one year ago a new and significant order came in from Bombardier, a leading aerospace OEM. Cyclone’s production volumes were expected to rise dramatically as a result. That, together with the customer’s expectation and Cyclone management’s intention to reduce cost, led Cyclone to look for a solution that would significantly reduce pre-preg waste and overall improve their manufacturing yield. “When we were looking for options to cut costs, we found that raw material, costing

Fig.1: Sample nesting before TPO implementation.

Nests length 2.99m + 3.62m result in 6.61m of prepreg consumed

at around $100 per meter, is the biggest operational expense per month and was a major cause for inefficiencies”, says Cyclone’s Engineering Manager, Tsuri Minerbi. With that in mind, material savings and overall cost reduction were the two main benefits Cyclone looked for in a new solution. In addition, Cyclone also wanted to ensure that the chosen system could support various brands of CNC cutters and would be versatile, allowing for future expansion.

THE SOLUTION Plataine’s implementation team worked with Cyclone’s PP&C (Production Planning & Control) team to gather and collect order information from ERP, with the IT team to streamline the data exchange with PLM and with the Engineering team to prepare the design files for import. The results were quickly realized and measured: Plataine’s TPO had improved Cyclone’s nests by 5% in roll efficiency. When automatic short-rolls utilization and kit mixing were also applied, even further savings were demonstrated.

“Plataine’s Implementation and training teams worked closely together with the various teams at Cyclone and within a short period of time, the system was live and working in production, producing optimized ready-to-cut production plans alongside management reports. The first months we ran the system with TPO we saved tens of thousands of dollars”, Mr. Minerbi recalls.

CYCLONE’S NEW PROCESS Plataine’s TPO system receives the full list of work orders from the ERP system, containing part numbers, quantities, material expiration date, width & length and lead times. Engineering data is received from the PLM or CAD system. TPO creates a ready-to-cut production plan by optimally selecting the rolls to be used for optimal nests. According to the production plan created, the specific required rolls are pulled out of the freezer and the plan is sent to the designated cutting machine. Roll is placed on the cutter which receives restrictions and instructions on the pieces’ rotation. Once cutting is completed, a roll that returns to the freezer is being scanned with a Barcode scanner for all its updated data. Cut pieces are placed on the kitting table, after which kits are sent to layup and queuing for Autoclave stage. At Cyclone, production plans are prepared a day ahead. Using TPO allows them to simultaneously run the next day’s plan with TPO and free up the time of the operator to streamline the work on the machine.

“The ability to mix orders of the same material has not only increased Cyclone’s material yield but its whole ‘manufacturing yield’ has improved double digits. We are using TPO for less than a year now and expect to justify itself ROI wise well within a year”, Minerbi adds and the composite-material-cutting team leader Mr. Asher Selner, complements: “Machine’s throughput has also gone up since set-up time was cut by half”.

Fig.2: TPO automatically and optimally mixes the two orders resulting in double digit material saving plus reduced machine’s set-up time

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Compositi

Analisi del danneggiamento a fatica mediante l’utilizzo di metodi termici Umberto Galietti, Diagnostic Engineering Solutions srl Giuseppe P. Demelio, Rosa De Finis, Davide Palumbo - Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management, Politecnico di Bari Le norme presenti sulla progettazione delle pale eoliche richiedono l’utilizzo di coefficienti di sicurezza che dipendono dal grado di conoscenza del comportamento meccanico dei materiali, sia di tipo statico che a fatica. In tal senso, negli ultimi anni, le tecniche termografiche sono sempre più utilizzate per lo studio del danneggiamento a fatica di provini e componenti in quanto consentono di osservare i vari fenomeni coinvolti durante una prova sperimentale in tempo reale e senza richiedere il contatto con il componente.

In letteratura sono presenti molti lavori che propongono differenti procedure e parametri legati direttamente al segnale termico e che possono essere associati al danneggiamento a fatica [1], [2].

In particolare, la temperatura o meglio il suo andamento caratteristico durante un test di fatica [1], consente di rilevare il limite di fatica del materiale in tempi molto rapidi soprattutto se quest’ultimi sono confrontati con quelli richiesti dalle prove classiche di fatica (ad esempio il metodo “Stair-Case”). Tuttavia in altri lavori [3], [4] è stato dimostrato come la temperatura non sia in grado di descrivere in maniera diretta i fenomeni di danneggiamento, a causa della sua elevata sensibilità alle variazioni della temperatura ambiente e al set-up utilizzato per la prova. Inoltre, le procedure di analisi sviluppate in primo luogo per i materiali metallici, non tengono conto dei fenomeni dissipativi dovuti, ad esempio al comportamento viscoelastico della resina, che si sovrappongono a quelli dovuti ai complessi meccanismi di danneggiamento nei materiali compositi.

Per superare le problematiche sopra elencate, viene proposta una nuova metodologia di analisi basata sulla Tecnica Termoelastica di Analisi delle Sollecitazioni (TSA) per lo studio del danneggiamento a fatica di materiali compositi e valutazione del limite di fatica. In particolare i risultati derivanti dalle prove termografiche sono stati confrontati con

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Compositi

quelli ottenuti tramite una classica curva S-N. MATERIALE E SET-UP DI PROVA Il materiale oggetto di prova è costituito da fibre di vetro e resina epossidica (GFRP), tipicamente utilizzato per la costruzione di pale eoliche.

I provini usati per i test sono costituiti da 4 lamine aventi fibre disposte in maniera differente. In particolare, sono presenti 2 lamine interne con fibre unidirezionali e 2 esterne costituite da 4 strati quadriassiali con fibra a 0°/90°/45°/45°. Da un laminato più grande, sono stati ricavati in totale 12 provini rettangolari 25x300 mm secondo normativa ASTM D 3479 di cui n. 7 provini sono stati utilizzati per ricavare la curva S-N e n. 5 provini per le prove termografiche. Tutte le prove le prove sono state condotte utilizzando un rapporto di carico R=0.1 e frequenza di carico pari a 7 Hz con una macchina di carico servoidraulica MTS. Le prove termografiche sono state condotte con una procedura a step di carico crescente fino alla rottura del provino [3-

Fig.1: Set-up sperimentale utilizzato e provino a fine prova

5]. Durante ogni step sono stati acquisiti dei filmati termografici con una termocamera Flir X6540sc (frame/rate 123 Hz) (fig.1) poi analizzati con il software IRTA®. Tale software permette di ottenere attraverso l’analisi TSA non solo la mappa di ampiezza del segnale termografico (T1) ma anche la mappa di ampiezza che varia con frequenza doppia rispetto a quella di carico (T2) [2].

RISULTATI E DISCUSSIONE In figura 2 sono mostrate le curve di Wöhler (S-N) ottenute con test ad ampiezza di carico costante su 7 provini. Da tali curve è possibile ottenere una stima del limite di fatica in corrispondenza di un numero di cicli pari a 2*10 6 cicli. Si ottiene una σmax= 124.7 MPa che corrisponde ad una ampiezza di carico pari a ∆σ= 112.2 MPa. In figura 3 è presente come esempio l’andamento del segnale di ampiezza T2 (componente del segnale al doppio della frequenza di carico) derivante dall’analisi delle sequenze. È evidente un aumento significativo del segnale appena viene oltrepassato il limite di fatica del

- Analisi del danneggiamento a fatica mediante l’utilizzo di metodi termici materiale. Tramite una procedura sviluppata in [3] è possibile ottenere rapidamente il valore del limite di fatica.

CONCLUSIONI È stata proposta una procedura per la valutazione del danneggiamento e del limite di fatica di materiali compositi GFRP con metodi termografici. In particolare, tale procedura consente di valutare il limite di fatica in tempi molto più rapidi rispetto alle tecniche tradizionali.

Fig.2: Curve di Wöhler (a destra in scala doppio logaritmica) e relativa equazione

BIBLIOGRAFIA/REFERENCES

[1] M.P. Luong. Infrared Thermographic Scanning of Fatigue in Metals, Nucl. Eng. and Des. 1995; 158: pp. 363-376.

[2] J.C. Krapez, D. Pacou, G. Gardette, Lockin thermography and fatigue limit of metals.

QUIRT Conf. 2000. July 18-21, Reims (France).

[3] R. De Finis, D. Palumbo, F. Ancona, U. Galietti, Fatigue Limit Evaluation of Various Martensitic Stainless Steels with New Robust Thermographic Data Analysis, I. J. of F. 2015; 74: 88-96.

[4] U. Galietti, D. Palumbo, R. De Finis, F. Ancona, Fatigue Damage Evaluation with New Thermal Methods, 3th Int. Work. On Adv. Infr. Tech. And Applic. 2013; September 1114, Tourin (Italy).

[5] D. Palumbo, U. Galietti, Characterization of Steel Welded Joints by Infrared Thermographic Methods, QUIRT J.. 2014; 1: 29-42.

Fig.3: Mappa del segnale T2 per differenti step di carico e valutazione del limite di fatica con il metodo termografico [3].

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COMPOTEC

Un’edizione all’insegna della ripresa e delle start-up Con l’ottava edizione di Compotec, “Excellence in Composite”, la manifestazione italiana dedicata all’industria dei materiali compositi e alle loro molteplici applicazioni, CarraraFiere continua nel suo impegno verso lo stimolo a vari settori industriali con proposte avanzate e di crescita tecnologica.

In programma dal 6 all’8 aprile 2016, a Marina di Carrara, Compotec si svolge in contemporanea alla quattordicesima edizione di Seatec, “Rassegna internazionale di tecnologia, subfornitura e design per imbarcazioni, yacht e navi”, con l’obiettivo di riunire in un unico contesto espositivo produttori, distributori, università, istituti di ricerca enti e associazioni e di fornire alle aziende dei vari comparti strumenti altamente professionali di promozione e di business. CarraraFiere si pone come focalizzatore di innovazione in settori già profondamente caratterizzati dall’alto contenuto tecnologico, come quelli della nautica e dei compositi.

Compotec si rivolge a tutti i settori industriali che impiegano materiali compositi: dal settore aerospaziale e aeronautico all’automotive, dal militare al medicale, dall’edilizia al design, dall’eolico alla nautica che li impiega su larga scala e si divide in quattro macro-aree merceologiche: • Produttori e Distributori di materie prime • Macchinari e Lavorazioni • Design e Progettazione • Ricerca e Sviluppo Per l’edizione 2016, Compotec aumenta lo spazio dedicato alle start-up con l’iniziativa startup@SeatecCompotec in uno spazio dedicato interamente alle idee delle giovani imprese. L’iniziativa prevede un premio dedicato ai progetti innovativi, una vetrina importante grazie all’organizzazione di incontri Research to Business in collaborazione con Università e centri italiani e stranieri di ricerca. I giovani progettisti e le aziende innovative potranno ottenere indicazioni utili al miglioramento dei loro progetti e alla loro commercializzazione.

Ampio spazio sarà dato alle aziende che proporranno prove e

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Compositi

dimostrazioni live, in apposite aree dedicate, che permetteranno ai tecnici di vedere la teoria applicata alla pratica. Un momento di formazione e aggiornamento che renderà l’evento dinamico e di maggiore attrattiva.

Gli espositori di Compotec parteciperanno 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 – con cui coordina l’incoming di buyers selezionati. 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.

Compotec, in collaborazione con Assocompositi, organizza il seminario tecnico dal titolo Compositi e sostenibilità, durante il quale si esaminerà il ruolo del composito nella riduzione dell’eco-footprint e il ruolo del carbonio attraverso il suo riutilizzo.

Sempre in collaborazione con Assocompositi e con EuCIA, European Composites Industry Association, promuove la presenza in fiera dei membri delle associazioni nazionali dei paesi dell’Unione Europea per stringere rapporti di business e scambi di conoscenze, dedicando loro un’area apposita di accoglienza.

Con il supporto dell’Ordine degli Architetti locale e di quello Nazionale, si terranno degli eventi dedicati ai compositi, che vedranno il conferimento dei crediti formativi. Compotec sta inoltre coinvolgendo l’Ordine degli Ingegneri e il Collegio dei Geometri per creare momenti di approfondimento tecnico. In collaborazione con Octima e Cetma, si terranno due convegni per approfondire, rispettivamente, le specificità tecniche della stampa in 3D e l’impiego dei compositi in aeronautica.

L’Università di Perugia organizzerà il convegno sullo Sviluppo dei materiali compositi da matrici termoplastiche e termoindurenti, mentre in fase di definizione è il tema affrontato dal Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale (DIMEAS) del Politecnico di Torino.

Profili PCD nella lavorazione di compositi

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Nella filettatura per interpolazione circolare di resine caricate con fibre di vetro, l’utilizzo di frese in metallo duro, anche di buona qualità, presenta forti criticità, a causa dell’elevata abrasività del materiale lavorato, che limita molto la durata del profilo metallico.

Frequenti sostituzioni delle frese vanno a discapito dell’economicità e della precisione della lavorazione.

La moderna tecnologia consente di ottenere particolari in resine caricate mediante l’impiego di profili realizzati in PCD assolutamente personalizzati, come quello a lato che pare la cinta merlata di un castello, ed invece è l’ingrandimento del profilo della fresa nell’immagine sottostante.

Fresatura, foratura e filettatura sono campi in cui il PCD dà il meglio di se stesso, garantendo maggior durata, miglior finitura superficiale e anche maggiori velocità di taglio.

In poche parole, miglior economicità ed efficienza nel processo di lavorazione, taglio di tempi e costi di produzione.

In una sola parola: competitività.

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HENKEL

Meeting composite needs in automotive and aerospace As a solution provider for adhesives, sealants and functional coatings worldwide, Henkel is exhibiting in Hall 6 booth J31 a range of innovative composite materials and solutions at JEC World covering automotive and aerospace applications.

The original ® bigHead fastener bighead.co.uk

COST-EFFICIENT LARGE-SCALE PRODUCTION FOR THE AUTOMOTIVE INDUSTRY Composite materials based on glass or carbon fibers combine savings in weight - leading to reduced fuel consumption and CO2 emissions – with enormous strength, thereby offering enhanced safety and good crash behavior.

Henkel works closely with its industrial customers to create tailor-made and integrated solutions designed to meet the challenges that lightweight construction brings to the automobile industry, particularly in relation to cost efficiency and suitability for volume production.

A fiber-reinforced composite leaf spring based on the polyurethane matrix resin Loctite Max 2 from Henkel is being used in the chassis of the new Volvo XC90, a premium crossover SUV of which the innovative rear axle concept is to serve as a platform for other model series, such as the S90 and the V90. Benteler-SGL, a manufacturer of composite components for automotive applications, is aiming to produce several hundred thousand of these leaf springs per year. In its alliance with Benteler-SGL aligned to the development and large-scale production of a composite leaf spring for Volvo Cars, Henkel has contributed in particular its process know-how in relation to RTM (resin transfer molding) so as to further optimize the cycle times that occur in the manufacture of fiber-reinforced components. Because of its low viscosity, the polyurethane matrix resin Loctite Max 2 from Henkel rapidly fills the mold and quickly yet gently impregnates the fiber material, resulting in short injection times. With the curing rate also substantially faster than that of epoxy resins, cycle times are shorter overall.

In addition, Henkel will present a holistic lightweight door concept of the Roding R1. The door is manufactured using Henkel’s assembly adhesive solutions and Loctite Max 3 resin, demonstrating the excellent flow characteristics of that resin family on very complex geometrical shapes.

Henkel will also present its newest innovation in the Loctite Max resin series, adhesives designed to meet the composite automotive industry needs and binders, for a reliable and easy production process.

The new Volvo XC90

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Fondo acrilico riempitivo per compositi in fibra di carbonio Il prodotto innovativo FAF03 HP018, grazie alla sua trasparenza e alle elevate proprietà riempitive, è ideale per eliminare le imperfezioni che possono caratterizzare la fibra di carbonio, riempiendo i piccoli difetti sulla superficie (come ad esempio i microfori).

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La trasparenza di questo filler ICR Sprint Composites non nasconde la trama del carbonio, che rimane in evidenza anche dopo il trattamento della superficie, garantendo un effetto estetico di alta qualità.

Il FAF03 HP018 è la soluzione ICR per i cicli verniciatura per materiali in fibra di carbonio, facile da applicare e dai risultati eccellenti, come riportato nel video (vedi QRCODE).

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Elena Cischino, Pininfarina SpA, Italy

Un approccio alla progettazione con nuovi materiali Panoramica sul progetto EVolution, finanziato dalla Comunità Europea

I

materiali leggeri sono da sempre un argomento di interesse nello sviluppo prodotto in svariati settori industriali, tra cui quello automobilistico. Le attuali restrizioni sulle emissioni di diossido di carbonio (CO2 ) ed il perseguimento di un uso efficiente delle risorse energetiche hanno aumentato in maniera significativa l’importanza di questo tema. In particolare, la Commissione Europea ha fissato obiettivi severi riguardo alle emissioni di CO2 per le nuove vetture: si parla di 95g/km entro il 2020 con una previsione di un’ulteriore riduzione fino a 75 g/ km entro il 2030.

La diminuzione di peso è direttamente proporzionale alla riduzione del consumo di energia di un veicolo, e quindi delle sue emissioni di CO2, in quanto l’energia necessaria al moto, fatta eccezione per la resistenza aerodinamica, è direttamente proporzionale alla massa.

Alleggerendo il veicolo è dunque possibile ridimensionare il sistema di propulsione e quello di frenatura, a parità di accelerazione e potenza frenante, assicurando la possibilità di un risparmio di peso supplementare. Tuttavia, l’alleggerimento non è sufficiente per conseguire gli obiettivi di riduzione di emissioni di CO2 richiesti: in uno scenario di questo tipo assumono importanza i sistemi di trazione alternativi, perciò la penetrazione nel mercato dei veicoli elettrici (EV) diventa strategica, e proprio l’alleggerimento è uno dei mezzi che possono contribuire al suo successo. Il costo della batteria di trazione e la sua ridotta autonomia sono i fattori che oggi limitano la diffusione dei veicoli elettrici: un minor peso del veicolo implicherebbe, a parità di autonomia, una batteria più piccola e dunque meno costosa, oppure un’autonomia superiore, mantenendo la medesima batteria.

Fig.2: I dimostratori EVolution: il pianale, la porta, la traversa paraurti anteriore, il nodo strutturale e la traversa di meccanica

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Compositi

Fig.1: Il concept Pininfarina Nido EV

La scocca è il sistema più pesante del veicolo, rappresentandone circa il 40% del peso complessivo: applicare qui un’opportuna strategia di alleggerimento risulta efficace.

Si possono perseguire tre tipologie differenti di riduzione peso: • un utilizzo significativo di acciai alto-resistenziali, ricorrendo a tutte le potenzialità della tecnologia ad essi correlata • un maggiore impiego di materiali metallici leggeri, come alluminio e/o magnesio • una combinazione di materiali metallici leggeri e materiali compositi.

Mentre il passaggio dall’opzione 1 alla 2 è un mero adattamento (le metodologie di simulazione numerica sono note, gli standard di forgiatura e formatura sono disponibili e gli impianti di produzione sono pressoché preservati), il passaggio dalla tipologia 1 alla 3 è una rivoluzione, perché implica la creazione di norme di progettazione e validazione, la compatibilità delle attrezzature industriali, la riparabilità e la riciclabilità e la diffusione di tecniche di giunzione per unire materiali dissimili, come l’incollaggio e la rivettatura auto-perforante, che sono ad oggi inusuali nel settore automobilistico degli alti volumi produttivi.

Scegliere il sistema 3, ossia combinare metalli leggeri e materiali compositi alto-prestazionali per le parti strutturali, è sicuramente la modalità che potenzialmente permette di conseguire la più alta riduzione di peso, seppur comportando un costo superiore. Questa è la prima sfida per l’industria automobilistica.

La seconda è basata sulle peculiarità dei veicoli elettrici, che richiedono un’architettura specifica, mentre la maggior parte di essi è oggi adattata sulle strutture pre-esistenti dei rispettivi modelli a trazione convenzionale, mantenendo le medesime soluzioni tecniche.

Di conseguenza si devono identificare strategie progettuali innovative e specifiche per le vetture elettriche, che contestualmente permettano di ridurre il peso pur mantenendo invariate le prestazioni dei veicoli tradizionali (sicurezza, comfort e manutenzione): il successo di un’introduzione su larga scala dei veicoli elettrici si basa sulla concezione di un nuovo archetipo di veicolo a massa ridotta, grazie ad un mix di metalli leggeri e materiali compositi, dove il surplus di costo dovuto all’alleggerimento è bilanciato da quello dovuto alle minori dimensioni della batteria di trazione.

DENTRO IL PROGETTO EVolution è l’acronimo di “The Electric Vehicle revOLUTION enabled by advanced materials highly hybridized into lightweight components for easy integration and dismantling providing a reduced life cycle cost logic” (la rivoluzione del veicolo elettrico attraverso componenti alleggeriti realizzati con materiali nuovi, facilmente integrabili e smantellabili, dando luogo ad un ciclo di vita ridotto e a un minor costo).

La ricerca che ha condotto questi risultati ha beneficiato dei fondi ricevuti dalla Comunità Europea nell’ambito del Settimo Programma Quadro (FP7/2007-2013), in accordo alla convenzione di sovvenzione n° 314744.

Il progetto EVolution è iniziato nel mese di novembre 2012 e coinvolge 24 partners provenienti da 11 differenti nazioni europee. Il progetto fa riferimento al concept Pininfarina Nido EV come base per lo sviluppo della ricerca, avente lo scopo di dimostrare la produzione sostenibile di un veicolo elettrico del peso di 600 kg.

Il termine del progetto è previsto nell’autunno del 2016.

Nido EV riprende ed aggiorna le linee ed i volumi della Nido 2004, che si aggiudicò il premio di “Vettura più bella del mondo” nella categoria “concept e prototipi”, il prestigioso riconoscimento “Compasso d’Oro” nel 2008 ed un posto nel tempio dell’arte moderna, il MoMA di New York.

Il concept Nido EV non deriva da una vettura tradizionale, azionata da un motore a combustione interna, bensì è stato direttamente ideato come vettura elettrica. Si tratta di una city car (2+1 posti e 2 porte), disponibile anche nelle versioni VAN e pick-up grazie alla modularità della zona posteriore.

Il business case è quello tipico delle piccole serie (5001000 veicoli/anno); la modularità e la flessibilità della soluzione, insieme all’ottimizzazione di investimenti e costi, giocano a favore della competitività del prodotto.

Il progetto EVolution si focalizza su alcune aree specifiche della scocca Nido, denominate dimostratori, che devono essere ridisegnate ed alleggerite attraverso un mix di strategie progettuali, di nuovi materiali e tecnologie innovative per conseguire gli obiettivi del progetto in termini di riduzione di peso.

In questo specifico caso la scocca Nido, interamente in alluminio, è stata riprogettata per diventare il mezzo di integrazione dei dimostratori, scegliendo di alleggerirla dappertutto e rinforzarla solo dove necessario. I dimostratori selezionati per questo studio sono: il pianale, la porta, la traversa paraurti anteriore, un nodo strutturale (il puntone anteriore), ed il supporto della sospensione anteriore.

In particolare, EVolution si propone di minimizzare il costo dei materiali e della rispettiva catena di fornitura, focalizzandosi su un numero ridotto di materiali, identificato attraverso l’analisi di uso, potenzialità per ulteriori applicazioni, costo e impatto ambientale: • tre gruppi di polimeri – polipropilene (PP), poliammide (PA) e poliuretano (PU);

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- Un approccio alla progettazione con nuovi materiali • due gruppi di bio-polimeri: acido polilattico (PLA) e poliuretano-green (g-PU); • un gruppo di metalli leggeri – leghe di alluminio (lega per fusione A356 e leghe della serie 5xxx per stampaggio).

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La scocca esistente è stata rivisitata al fine di ridurre il numero dei componenti, grazie alle tecnologie di stampaggio innovative dell’alluminio applicate su leghe alto-prestazionali, che permettono di ottenere particolari con geometrie complesse e spessori ridotti, unendo differenti elementi in uno solo. Il processo di “formatura in terra verde” permette invece di realizzare giunzioni co-stampate fra elementi in alluminio realizzati con differenti processi tecnologici.

La potenziale riduzione di costo e la semplificazione del processo di assemblaggio riscontrate appaiono promettenti: l’attuale stato dell’arte, basato su stampaggio tradizionale, non assicura queste opportunità.

La scocca è stata ibridata in alcune zone del pianale con un materiale composito della famiglia delle poliammidi (PA), rinforzato con fibra di vetro (GF). Questo materiale è stato ottenuto migliorando le caratteristiche del materiale esistente. Il processo produttivo associato, adatto per applicazioni su larga scala, permette di ottenere parti strutturali a geometria 3D complessa, rinforzata con fibre (processo CaproCAST), ed è assimilabile un processo di formatura per infusione di resina di materiale termoplastico (TP-RTM).

Nuovi materiali compositi a matrice polipropilenica rinforzata con nanocompositi e fibra di vetro sono stati scelti per realizzare alcuni particolari della porta e la traversa paraurti anteriore. Schiume poliuretaniche a base polimerica riciclabile sono stati selezionate per incrementare in modo sostenibile il potere di assorbimento energetico durante un impatto di alcune sezioni della traversa stessa. Adesivi strutturali a matrice epossidica sono stati considerati per unire le parti della scocca, permettendo così una riduzione dei punti di saldatura ed una loro ridistribuzione ottimizzata su tutta la struttura. In alcune aree i punti di saldatura sono stati utilizzati soltanto per imbastire le parti e mantenerle in posizione durante la fase di polimerizzazione.

Grazie a queste innovazioni, l’attuale peso della nuova scocca è pari a 115 kg contro i 160 kg della scocca Nido (interamente in Alluminio). Una serie di analisi a calcolo sul veicolo virtuale completo ha evidenziato un comportamento strutturale in linea con gli standard europei di omologazione e con i valori di rigidezza statica e dinamica delle vetture dello stesso segmento.

L’architettura sviluppata durante questo processo e l’integrazione di materiali leggeri quali i compositi e le leghe di alluminio contribuiranno ad assicurare il mantenimento della competitività che l’Europa ha nei confronti dell’industria automobilistica asiatica ed americana.

IL CONSORZIO EVOLUTION: Project Coordinator: Aalborg Universitet (Dk); Technical Coordinator: Pininfarina Spa (It); Fundacion Tecnalia (Es); Icechim Bucuresti (Ro); Armines (Fr); Teknologisk Institut (Dk); Latvijas Valsts Koksnes Kimijas Instituts (Lv); Universidad de Valladolid (Es); Technische Universitaet Berlin (De); Università Di Pisa (It); University Of Patras (Gr); Centro Ricerche Fiat (It); Euro Master Srl (It); The University Of Sheffield (Uk); Cenaero (Be); Ritols (Lv); Abn Pipe Systems Sl (Es); Fundacion Cidaut (Es); Metalfoam Gmbh (De); Dow Europe Gmbh (Ch); Innovazione Automotive e Metalmeccanica S.C.A R.L. (It); Kgr Spa (It); Fpk (Es); Dantec Dynamics Gmbh (De).

Elena Cischino, Pininfarina SpA

EVolution funded project overview A design perspective on new materials

L

ightweight materials have always been a major element in product design, across several industries, including Automotive. Global trends toward CO2 reduction and resource efficiency have significantly increased the importance of this matter over the last years; the European Commission sets targets for average new car CO2 emissions of 95 g/ km by 2020, and the forecast for 2030 is to reduce emission down to 75 g/km.

Weight reduction directly reduces the energy consumption and then the CO2 emissions, because the energy required for moving a vehicle is, except for aerodynamic resistance, directly proportional to its mass. Reducing mass allows the downsizing of powertrain and braking system, maintaining acceleration and braking power constant, and providing additional weight saving.

But lightweighting stand-alone is not enough to achieve such CO2 emission reduction: in this context Electric Vehicles (EVs) penetration in the market becomes important, and precisely the lightweighting is one of the leverages concurring to their diffusion. In fact the traction battery cost and the range of autonomy are among the most limiting factors to EVs spreading, but thanks to lightweighting the battery can be downsized (maintaining the same autonomy), reducing the vehicle cost or, in alternative, keeping the same battery the vehicle autonomy can be increased.

Representing about 40% of total vehicle weight, the Body in White (BiW) is the heaviest vehicle element, hence the implementation of lightweight measures here appears effective; basically, three different “lightweight packages” are possible: • a significant usage of high-strength steel, using all the potential of steel technology • a higher employ of lightweight metallic materials, as Aluminum and/or Magnesium • a combination of lightweight metallic materials and composites for structural parts.

While the passage from lightweight package 1 to 2 is a matter of adaptation (the numerical simulation are ready

to go, the forging and forming standards are available and the industrial tool is preserved), the passage from lightweight package 1 to 3 is a revolution, because it implies the creation of conception and validation standards, the compatibility of the industrial tooling, the reparability and recyclability and the diffusion of joining techniques, quite new for mass-Automotive, to join together dissimilar materials, as bonding and self-piercing riveting.

Extreme lightweight packages, consisting in a combination of lightweight metallic materials and high performance composites for structural parts, are the most relevant to achieve a consistent weight reduction, even if imply a superior cost. This represent the first challenge for Automotive industry.

The second one is based on the EVs peculiarities, requiring to study new specific architectures, while the largest part of FEVs today are simply adapted from ICE vehicles using an existing body, carrying over the same solutions of conventional ICE architectures.

Innovative design approaches for EV should be identified to reduce product weight while keeping the same performances of conventional vehicles as far as safety, comfort and maintenance are concerned: the success of a large-scale introduction of EVs on the market relies on the conception of a new vehicle archetype characterized by extreme lightweight countermeasures, balancing the cost due to lightweighting with the downsizing of the traction battery.

INSIDE THE PROJECT EVolution stands for “The Electric Vehicle revOLUTION enabled by advanced materials highly hybridized into lightweight components for easy integration and dismantling providing a reduced life cycle cost logic”.

The research leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under grant agreement n° 314744.

EVolution started in November 2012 and involves 24 partners from 11 different EU countries; the project is using the Pininfarina Nido concept car as a baseline for its activities, with the goal

to demonstrate the sustainable production of a full electric 600 kg vehicle (FEV). The project has to be finalized by the end of 2016.

Nido EV takes up, and updates, the lines and volumes that won the Nido of 2004 the award for the Most Beautiful Car in the World in the “prototypes and concept cars category”, the Compasso d’Oro 2008 and a place in the temple of modern art, the MoMA of New York.

Nido EV concept is not derived from an ICE vehicle, but it has been conceived directly as an EV. It is a fully electric A-segment city car, featuring 2 + 1 places, 2 doors, and a modular rear end for VAN and pick-up versions with high safety standards.

This modularity/flexibility and production technology theoretically allow the development of a product family with different uses and optimized investment & costs to ensure the competitiveness of the product. Business case is based on small series (500-1000 vehicles/year).

The focus of EVolution is on some specific body areas, named demonstrators, to be redesigned and lightweighted through an innovative mix of design strategies, materials and processing technologies, to achieve the project goals in terms of weight reduction. In this specific case Nido BiW, fully in Aluminium, has been redesigned to be a media to integrate the abovementioned parts, following the approach to lightweight everywhere reinforcing only where it is necessary. Selected demonstrators are: the underbody, the side door, the front crossbeam, the structural node (shotgun system) and the front mechanical subframe.

In particular, EVolution is trying to minimise materials costs and supply chain complexity associated with such a large number of different materials by focusing on a minimum number of base lightweight materials, identified among the existing ones in terms of use, potential for further development, cost effectiveness and environmental impact: • three polymer systems – polypropylene (PP), polyamide (PA) and polyurethane (PU); • two bio-based polymer systems: polylactic acid (PLA) and green-polyurethane (g-PU);

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- EVolution funded project overview • one light metal system – Aluminium alloys (casting alloy A356 and 5xxx series wrought alloys).

The existing Body in White (BiW) has been reviewed through a design strategy aiming to reduce the part count; the considered Aluminium technologies applied on high performances Aluminium alloys provide the opportunities to obtain components with complex geometries and low thickness, merging different parts into one unique element.

A “green sand mold” technique allows co-casted joints among elements produced with different Aluminium manufacturing processes.

The potential cost reduction and process simplification in terms of time and assembly are promising: current stateof-the-art, based on traditional moulds, does not allow these opportunities.

The BiW has been hybridized in certain areas of the underbody with a composite material of the PA family, reinforced with glass fibers (GF). This material has been obtained improving existing ones and developing a production process suitable for scaling to commercial requirements, throughout an advanced Thermoplastic-Resin Transfer Mould-

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Compositi

ing (TP-RTM) technology, enabling to obtain structural and complex 3D geometries, reinforced with fibers (CaproCAST process).

Novel polypropylene nanocomposites (PNC) based on silicate and glass fiber layers demonstrate improved toughness and stiffness and have been selected for crash cross beam and side door. Polyurethane foams based on recycled polymers are explored as sustainable energy-absorbing filling in cross beam sections.

Structural epoxy adhesives have been considered to join the BiW parts and welding points are reduced in number: in certain areas spot-welds have been used only to tack the parts during polymerization.

In addition to the previous results, current weight of the BiW is 115 kg versus 160 kg of the baseline car (fully in Aluminium). An FE-analysis on the virtual full vehicle indicates a good structural behavior, considering EU standards of crash homologation and global static and dynamic performances.

The developed architecture and the integration of lightweight materials will ensure that the EU maintains its competitiveness against the Asian and United States automobile industries.

EVOLUTION CONSORTIUM: Project Coordinator: Aalborg Universitet (Dk); Technical Coordinator: Pininfarina Spa (It); Fundacion Tecnalia (Es); Icechim Bucuresti (Ro); Armines (Fr); Teknologisk Institut (Dk); Latvijas Valsts Koksnes Kimijas Instituts (Lv); Universidad De Valladolid (Es); Technische Universitaet Berlin (De); Università Di Pisa (It); University Of Patras (Gr); Centro Ricerche Fiat (It); Euro Master Srl (It); The University of Sheffield (Uk); Cenaero (Be); Ritols (Lv); Abn Pipe Systems Sl (Es); Fundacion Cidaut (Es); Metalfoam Gmbh (De); Dow Europe Gmbh (Ch); Innovazione Automotive e Metalmeccanica S.C.A R.L. (It); Kgr Spa (It); Fpk (Es); Dantec Dynamics Gmbh (De).

All the mentioned figures refer to the Italian version Fig.1: Pininfarina Nido EV concept Fig.2: EVolution demonstrators: the underbody, the side door, the front crossbeam, the structural node and the front mechanical subframe.

MSC SOFTWARE

Local anisotropic visco-elastic material models for NVH FEA Structural vibrations due for example to the engine functioning or the ground excitation transmitted by the wheels is one of the biggest challenges for engineering applications. In case this kind of behavior is not well mastered, that can cause fatigue failures or unwanted noise. Such product defects would undoubtedly bring an increase of safety risk for passengers, acoustic discomfort as well as an image of bad quality for the OEM in general. NVH (Noise-Vibration-Harshness) analysis role is to predict accurately the vibrational behavior of the material in terms of stiffness and damping. This involves integrated extensive modeling, simulations, evaluation and optimizing techniques in the design process. The automotive industry is constantly searching for ways to improve the NVH performances of next generation vehicles through new material development offering better damping capabilities in order to solve all these problems in the better way and with the best compromise among design cycle deployment and costs.

In this sector, Short Fiber Reinforced Plastics (SFRP) are occupying an ever growing share of the market due to their well established history in lightweighting, design flexibility and functionâ&#x20AC;&#x2122;s integration but also to their better damping behavior, this phenomena being linked to the viscoelastic behavior of the polymeric matrix. As for stiffness and strength, also damping can be tuned by properly choosing composites constitutive parameters such as fiber aspect ratio, stacking sequence or orientation as well as mechanical properties. However, in most cases optimal results for damping properties lead to insufficient performances in terms of both strength and stiffness. Thus, a trade-off has to be found.

EXPERIMENTAL OBSERVATIONS ON SFRP DAMPING BEHAVIOR Influence of the constituents The primary source of damping in composite materials is the inherent damping of their constituents. The viscoelasticity of the polymeric matrix being, here, the main contributor. Thermoplastic polymers show high dissipation compared to thermosets though the latter are generally preferred for their higher stiffness and adhesive properties. By increasing the matrix

volume fraction, the damping will increase at the expense of both stiffness and strength.

Ni and Adams showed the trend for both CFRP and GFRP damping which increases parabolically as the matrix volume fraction increases, reaching an almost constant value for a matrix volume fraction of 60%. This tendency being confirmed

by Lin et al., Hadi and Ashton and Haddad and Feng.

Influence of the orientation It is not surprising that fibers orientation has been one of the investigated factor for characterizing the damping behavior of SFRP materials. Indeed, it is well known that the strength of composite comes from the possibility to tailor the reinforcement architecture to meet specific needs.

The influence of the orientation has been largely studied, but this studies limit themselves to the case of UD tapes. This means that we will have to demonstrate that orientation has also its importance on the overall damping properties of the SFRP material.

Influence of temperature and frequency effects Finally, temperature and frequency modify the behavior of the resin matrix and thus affect damping properties of the viscoelastic material. Generally speaking, temperature softens the matrix causing an increase in loss factors but with detrimental effects on stiffness. The glass transition temperatures of resin blends is a value at which the damping reaches a peak.

On the other hand, frequency dependence of polymer composites is a controversial subject. In most applications, the frequency range is limited and then the viscoelastic properties of the polymeric matrix can be considered constants.

MODELING OF THE DAMPING IN SFRP MATERIALS

Linear viscoelastic models Damping models that have been proposed for composite materials stem from models for viscoelastic ones. The main reason is that most of the dissipation mechanisms encountered in composites are the ones of the resin matrix.

Fig.1: Plot of fiber orientation distribution on a beam: local fiber orientation drives level of anisotropy in stiffness and damping.

Compositi

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MSC SOFTWARE

The simplest way to represent damping is the use of linear viscoelastic models based on simple rheological cells arranged in either serial or parallel, e.g. generalized Maxwell or Kelvin-Voigt models. The main advantage of such models is the low number of parameters needed to characterize the viscoelastic response of the material, the ease of their estimation and their availability in commercial Finite Element (FE) codes.

Complex modulus and loss factor The complex modulus approach is extensively used in FE codes. The material stiffness is given by a complex number with the real part (storage modulus) referring to the elastic behavior and the imaginary part (loss modulus) referring to the dissipative one. The ratio between the two moduli gives the loss factor of the material. The accuracy and physical meaning of the complex stiffness were discussed by Crandall who addressed the issue of non-causality that arises when a constant loss factor is chosen. The impulse response of systems with frequency-independent loss factors do not vanish before the application of the impulse. Moreover, the use of a constant loss factor is in contrast with the observed increase in damping with increasing frequency. Indeed, most experimental data in logarithmic scale can be interpolated by straight lines, therefore power laws for expressing the relationship between the loss factor and the loss modulus of materials based on Kramer-Kronig dispersion relations would ensure causality. But, as the complex modulus method is limited to a finite bandwidth, most materials will always exhibit a nearly constant loss factor.

MULTI-SCALE TECHNOLOGY TO ACCOUNT FOR LOCAL BEHAVIORS IN FEA Mean Field Homogenization Composites are by definition a combination of two or more constituents to obtain improved material properties in comparison to the base constituents. As composite properties depend on the material microstructure including fiber amount and orientation, they are adequately modeled from micromechanics, in particular with mean-field homogenization techniques. This technique allows computing the anisotropic composite properties based on the properties and the microstructure of the underlying constituents of a multi-phase material. In other words, the original heterogeneous material is represented by an equivalent homogeneous one. Implemented in the Digimat ÂŽ software, this technology has proven to be effective for a broad range of materials.

Fig.2: Heterogeneous material (left) from which its equivalent stiffness is computed from homogenization.

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Compositi

Local Anisotropic and frequency dependent stiffness and damping Digimat is already well known as a product allowing engineers to create material models for SFRP accounting for local fiber orientation resulting from the manufacturing process to identify a local anisotropic stiffness on any integration point of a FE model. The very latest enhancements developed in Digimat 2016.0 add a new capability concerning the prediction of the local damping behavior of multi-phase materials. Starting from the theory and the experimental observations exposed previously, this new feature allows Digimat users now to homogenize the local anisotropic damping properties from viscoelastic material models applied at the constituent level. This typically concerns the resin material, but can also concern the fiber material depend the type. Carbon, for example, can be modeled with simple elastic material models as it shows a very negligible level of viscosity but natural fibers usage requires to use a more appropriate viscoelastic model.

Digimat will calculate local anisotropic damping factors and, of course, the stiffness is still used in FEA at macro scale level depending on the local fiber orientation defined in the finite element. Hence, these new data can now be used to perform frequency response analysis on SFRP made components and help in getting more accurate results. In addition, the user has now the possibility to request for full frequency dependent data. It means that Digimat will calculate these local anisotropic damping and stiffness for each frequency of interest along the range of frequencies defined in the frequency response analysis.

A BIG STEP IN NVH FEA IMPROVEMENT This ability to capture both for stiffness and damping the correct local anisotropy and the dependency to frequency represents a significant step to improve the accuracy of components response prediction to vibrational excitations. Design engineers will have more confidence in the identification of excited frequencies and, even more important for NVH, the maximum acceleration peaks of the componentâ&#x20AC;&#x2122;s response at each of them. Increased accuracy in FEA will lead to a reduction the design iteration loops to represent experimental testing.

At last, this innovation allows engineers to maximize the benefits of composite materials supporting lightweight initiatives.

Fig.3: Change in fiber orientation influences the frequency response results both in terms of excited frequencies and maximum acceleration peaks.

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Noiseless generation: il valore del silenzio - A cura di GSI Technical Team ELISA è l’acronimo di Extreme Light Insulator System Application e si riferisce ad un particolare sistema di assemblaggio di assorbitori acustici e termici su un manufatto realizzato in LWRT - light weight reinforced thermoplastics.

Il campo di applicazione è la realizzazione e fornitura di sistemi insonorizzanti per il settore automotive.

Negli ultimi anni si è notato un interesse sempre maggiore delle Case Automobilistiche per la riduzione dell’inquinamento acustico percepito all’interno dell’abitacolo.

Questo non solo per migliorare il confort dei passeggeri ma anche per la loro stessa sicurezza: garantire l’isolamento da tutti quei rumori che possono rappresentare una forma di disturbo per chi si trova al volante aiuta ad incrementare il livello di attenzione verso ciò che accade sulla strada, aumentando così la sicurezza per se stessi e per gli altri.

Questi aspetti vengono ulteriormente accentuati con l’avvento delle auto elettriche e ibride, dove la quasi totale assenza di disturbi derivanti dal motore attribuisce ancora più importanza a tutti gli altri suoni che circondano il conducente. È in questa direzione che trovano applicazione i pannelli in LWRT, in particolar modo come rivestimento del sottoscocca e dei passaruota e come riparo del vano motore dell’autovettura. Questo composito infatti è stato sviluppato appositamente per soddisfare la necessità di maggiori prestazioni in termini di leggerezza e fonoassorbenza, rispetto alle caratteristiche dei materiali standard in polipropilene rinforzati a fibra vetro come GMT e D-LFT. Per soddisfare le esigenze sempre più sfidanti dei progettisti, è possibile aumentare le performance acustiche del pannello LWRT accoppiandolo con materiali che ne migliorino le caratteristiche fonoassorbenti. È proprio in questa configurazione che ELISA trova la sua applicazione.

L’inserto fonoassorbente viene assemblato direttamente durante lo stampaggio del particolare stesso, senza l’utilizzo di attrezzature, componenti ed attività aggiuntive.

I vantaggi sono considerevoli ed apprezzabili sia dal consumatore finale (OEM) che dal produttore mediante una significativa riduzione dei costi di produzione e degli investimenti.

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Compositi

I benefici di ELISA vengono percepiti sia durante la fase produttiva sia durante la fase di progettazione e sviluppo.

• Permette di eliminare tutte le operazioni manuali di montaggio, come la saldatura o l’incollaggio, con un notevole risparmio di manodopera.

• Rende superfluo l’utilizzo di ulteriori componenti come adesivi ed inserti di fissaggio con relativo risparmio in componentistica e in gestione logistica.

• Rende superflue le attrezzature dedicate all’assemblaggio come posaggi di incollaggio o di montaggio, oppure sistemi automatizzati di saldatura con la conseguente riduzione degli investimenti.

• Permette un ciclo di lavoro teso (lean production) i cui benefici si apprezzano in termini di organizzazione della produzione, riduzione delle scorte di semilavorati e minore fabbisogno di superficie produttiva.

• Permette la massima flessibilità di progettazione e di realizzazione. Le eventuali modifiche alla geometria dell‘assorbitore in corso di progetto hanno un impatto ridotto sui costi di modifica delle attrezzature. Anche la fase di sviluppo e test del particolare è facilitata dalla possibilità di utilizzare lo stesso stampo per realizzare diverse varianti combinando assorbitori in base alle esigenze del progettista e del cliente.

L’adesione dell’assorbitore al supporto mediante il sistema ELISA avviene per mezzo di una cornice che permette zone di compressione e di riscaldamento localizzate.

Nel caso di grosse produzioni di serie, è possibile integrare la cornice direttamente nello stampo e prevedere un sistema di riscaldamento dedicato. Il posizionamento dell’assorbitore nello stampo può essere fatto anche tramite robot.

Nel caso lo stampo debba produrre più versioni per uno stesso particolare, è possibile prevedere delle cornici o dei tasselli intercambiabili per ogni singola tipologia di variante.

NOISELESS GENERATION

GSI 2015 innovation LWRT soundproof panels for automotive under body shields

E X T R E M E L I G H T I N S U L AT O R S Y S T E M A P P L I C AT I O N It is not our style to make noise when we project something innovative. Our R&D, Project Management and Technical Team like to talk about new technologies only when we are 100% sure of their qualities and beneďŹ ts in terms of production and business opportunities. ELISA time to market is just right now. The concept develops into the over-moulding of soundproof panels for automotive under body shields made in LWRT (Light Weight Reinforced Thermoplastics). ELISA is the choice of the new automotive generation.

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

e-mail: info@gsigroup.net - www.gsigroup.net

Meet ELISA in GSI

GSI

I risultati dei test acustici effettuati in Alpha Kabine, presso un laboratorio esterno accreditato, evidenziano come il pannello con assorbitore co-stampato con il sistema ELISA abbia un assorbimento acustico migliore su entrambi i lati rispetto ai campioni con o senza assorbitore saldato. ELISA è l’espressione della capacità innovativa e propositiva del Gruppo GSI ed è frutto del lavoro di squadra che fa da legame tra lo stabilimento produttivo tedesco e l’headquarter italiano.

Come evidenziato dal nostro Presidente durante la presentazione agli European Business Awards 2015-16 (www.businessawardseurope.com), il Brevetto ELISA si contestualizza nella consapevolezza che lavorare per il successo del Cliente ci permette di vincere le importanti sfide nel settore automotive: ELISA is the choice of the new automotive generation.

ELISA ha superato brillantemente tutti i più severi test di omologazione richiesti dal gruppo VW per poter essere applicata ai nuovi progetti in fase di sviluppo.

In particolare troverà impiego nella realizzazione dei pannelli sottoscocca che rivestiranno la nuova Ammiraglia di Ingolstadt, l’AUDI A8, la cui produzione è prevista a partire dall’anno prossimo.

Sono state testate con successo la tenuta meccanica allo strappo, funzionalità in condizioni termiche estreme e soprattutto le performance acustiche.

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QUALITY

SCHULER

iComposite 4.0 launched As the importance of lightweight construction methods continues to rise, the automotive industry is increasingly considering fiber-reinforced plastics (composites). At the moment, however, high resulting component costs, among other things, are preventing the widespread use of such composite parts. The beginning of 2016 saw the launch of iComposite 4.0, a group project led by Schuler aimed at achieving economical serial production of components made of fiber-reinforced plastics through increased resource efficiency.

Due to the high material cost, resource efficiency opens up enormous potential for cost savings. One approach to decreasing the component cost is to reduce the use of materials and processing times in production drastically. The cut-off of semi-finished products is up to 50 percent during manufacturing, for instance. In addition, due to new technologies, there is significant production-related scrap. With the iComposite 4.0 project, cost savings are to be achieved by near net shape, additive production processes (“3D printing”) – in combination with a resin-injection method established in the industry – as well as a networked production system with regulating system intelligence (“Internet of Things”).

The starting point of the networked production system is additive fiber spraying, which is a highly productive process to generate the basic structure of the component. After this, fiber strands are applied very precisely and in accordance with the load profile in order to absorb peak loads in the part and compensate for part variations in the fiber spraying process.

During the subsequent injection of resin and shaping in the press, the die’s deflection is deliberately influenced in order to obtain the desired wall thicknesses of the part.

During the subsequent process steps, regulating system intelligence compensates for any fluctuations in the part’s properties in order to minimize scrap. The production history is stored on an RFID chip integrated into the part. This uninterrupted quality monitoring and linking of individual systems along the production line in accordance with Internet of Things methods is ultimately aimed at achieving a zero scrap rate.

A self-regulating production line makes it possible to maintain defined characteristics of composite parts.

Photo source IKV, AZL.

Compositi

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Anteprima JEC SPECIALINSERT

COMPOSITE MATERIALS ITALY HALL 5A - STAND D44

Il nuovo catalogo di facile consultazione

Nuovo sistema di resina ciano-estere

Specialinsert ha rivisitato completamente il suo catalogo compositi, lanciando sul mercato la nuova versione, più semplice da consultare, dove i dati rilevanti sono immediatamente individuabili. Si può trovare l’elenco dei prodotti, con la loro descrizione, valutare quali siano i più adatti alle necessità di montaggio in base alla tipologia di materiale (laminato, corpo solido o pannello sandwich), la tipologia di posa, il tipo di fissaggio, se si ha necessità di un’attrezzatura specifica e altro. È anche presente il TC/SC/1, il ciclo di montaggio del prodotto per fissaggi filettati strutturali su pannelli sandwich. Inoltre si può trovare il Deform-nut TC/SC/1, un inserto a deformazione con doppio ancoraggio, meccanico e chimico. Il primo è dato da un rivetto tubolare filettato accoppiato con una boccola di regolazione che permette di ottenere un ancoraggio filettato strutturale su pannelli a nido d’ape. Il secondo è assicurato dalla colla posta nel foro prima del montaggio dell’inserto stesso. Per creare sedi filettate su materiali con struttura a sandwich si utilizzano spesso soluzioni costose e tecnicamente articolate, quali la resinatura per affogamento o l’incollaggio di boccole o tiranti filettati.

Ecco i fondamentali vantaggi di Deform-nut SC/1: • Permette di utilizzare lo stesso tipo di prodotto anche su una gamma variabile di spessori di materiale con strutture a sandwich • La deformazione dell’inserto garantisce un fissaggio meccanico immediato, senza tempi di attesa dovuti all’essiccazione di resine e collanti • È di facile e rapida installazione, non richiede personale specializzato e nessuna operazione successiva di lavorazione (iniezione di resina autobloccante) o finitura. Il rivetto filettato per struttura a sandwich può essere applicato in qualsiasi pannellatura in materiale composito, resine, fibra di carbonio, lega leggera, legno, lapideo, ecc.

• Il montaggio può essere previsto con impianti automatizzati.

• Questo tipo di fissaggio garantisce la planarità dell’inserimento, evita il soffocamento della zona indebolita, fa lavorare su tutta la sua altezza il pannello sandwich e può essere utilizzato e movimentato immediatamente.

Alcune prove di trazione eseguite nel laboratorio Specialinsert: • Tipologia inserto: TC/DM10XZI-M6/15. Pannello sandwich con alveolare. Pelle superiore: 1mm. Pelle inferiore: 1mm. Spessore totale pannello: 20mm. Colla: bicomponente acrilica. Trazione: 235 KG. • Tipologia inserto: TC/DM10XZI-M6/H17.5X. Pannello sandwich con alveolare con pietra venere attaccata. Pelle superiore: 0,7mm. Pelle inferiore: 0,7mm. Spessore totale pannello: 19mm. Colla: bicomponente acrilica. Trazione: 150 KG • Tipologia inserto: TC/DM10XZI-M6/H17,5X. Pannello sandwich con alveolare. Pelle superiore: 0,5mm. Pelle inferiore: 1mm. Spessore totale pannello: 20mm. Colla: bicomponente acrilica. Trazione: 208 KG. • Tipologia inserto: TC/DM10XZI-M6/H08X. Pannello sandwich con alveolare. Pelle superiore: 0,5mm. Pelle inferiore: 0,5mm. Spessore totale pannello: 10mm. Colla: bicomponente acrilica. Trazione: 213 KG. • Tipologia inserto: TC/DM10XZI-M6/H17.5X. Pannello sandwich con interno alveolare e pelli in alluminio. Pelle superiore: 0,5mm. Pelle inferiore: 1mm. Spessore totale pannello: 22mm. Colla: bicomponente acrilica. Trazione: 160KG. Altri prodotti presenti sul catalogo sono i Deform-Nut ®, Flower-Nut E Tc/Int, Fastmount, Bi-Fix, Master-Plate®, Ensat, Dowell-Insert, Insert-Plast, Keep-Nut, S-Lok.

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Compositi

La richiesta nata nell’ambito del “race”, in particolare da parte dei team F1, è quella di un materiale sviluppato specificamente per applicazioni dove, alla migliore stabilità dimensionale a temperature molto elevate, fosse associata la possibilità di cicli di cura a bassa temperatura per consentire l’utilizzo di particolari stampi nel processo in autoclave.

La realizzazione del sistema ciano-estere denominato CE260 ha l’ambizione di rispondere a tale esigenza.

Il materiale è un sistema di resina ciano-estere in grado di raggiungere e resistere ad elevate temperature di servizio, capace di curare a partire dalla temperatura di 80°C, dove è raccomandato l’utilizzo dell’autoclave ed un tempo di cottura minimo di 12 ore unitamente ad una pressione di 6-7 bar per ottenere un pezzo perfettamente estraibile. È essenziale che il sistema curato sia sottoposto ad adeguati cicli di post-cura per essere completamente polimerizzato e raggiungere la massima temperatura di servizio.

Il suggerimento è di eseguire questa seconda fase immediatamente dopo il completamento della cura iniziale, in modo da evitare il rischio di assorbimento di umidità da parte del pezzo parzialmente curato: è applicabile un minimo di post-cura di 2 ore alla temperatura di 135°C. Tuttavia per raggiungere una temperatura di transizione vetrosa da DMA superiore ai 300°C è raccomandato un ciclo di post-cura in forno con rampa di temperatura molto lenta (0,3 – 0,5°C/min) e stasi di 2 ore alla temperatura di 250°C. Il servizio tecnico di CIT è a disposizione dei clienti per disegnare il ciclo specifico per l’applicazione/parte richiesta.

Nonostante il sistema sia caratterizzato da una viscosità tale da permettere alla resina di scorrere e di impregnare le fibre in modo ottimale, si raccomanda in fase di cottura di pezzi complessi con elevato spessore, di prevedere dei cicli di compattazione dei vari strati sotto vuoto.

CE260 è disponibile sia con supporto in unidirezionale sia con tessuto di carbonio e vetro.

Di seguito le sue caratteristiche principali: • Massima Tg >300°C; • Appiccicosità del pre-impregnato media, ben lavorabile • Vita utile del pre-impregnato a temperatura ambiente (23°C): 3-4 giorni • Formulazione priva di solvente • Buona stabilità dimensionale del laminato dopo post cura a T=250°C

Per visionare il catalogo:

Anteprima JEC CANNON HALL 5A - STAND P60

ATOM HALL 6 - STAND C70

A comprehensive range of technologies and equipment Examples of the most innovative solutions introduced for the manufacture of carbon- and glass-reinforced composites for all their possible applications will be illustrated in detail in Paris.

Complete manufacturing lines for the production of thermosetting or thermoplastic composite parts are today available.

Cannon bespoke solutions for the Automotive, Aeronautics and Transportation industries include: • Fully automatic glass and carbon-fibre preformers • Chemical dispensing units and dedicated mixing heads for Epoxy and Polyurethane resins, using classic injection methods or innovative Liquid Lay Down or Spray Lay Down technologies with multi-component formulations.

• A new generation of presses suitable for different technologies (HP RTM, Gap Injection, Compression Moulding, etc.) and different reinforcements (carbon and glass fibres, non-woven PP, etc.), featuring an innovative parallelism control system.

• Dedicated moulds, available for the most complex and large composite parts.

• The innovative CRESIM (Carbon Recycling by Epoxy Special IMpregnation) method for the manufacture of CFRP parts using recycled carbon fibres.

• A full set of handling and heating systems, safeties and electronic process controls.

Testa di taglio con mandrino ad ultrasuoni

La soluzione Made in Italy per il taglio dei materiali

Carbon fibre preformer

Atom, nata nel distretto calzaturiero di Vigevano nel secondo dopoguerra, con gli anni ha sviluppato una serie di prodotti in grado di soddisfare le esigenze di taglio di numerosi settori industriali, divenendo un importante punto di riferimento nella lavorazione di materiali flessibili e semirigidi. Grazie alla grandissima esperienza maturata in questi 70 anni di attività ed alla costante ricerca di nuove soluzioni è stata capace di far fronte alle esigenze di lavorazione di materiali e processi in costante evoluzione. Recentemente ha sviluppato una linea di prodotti all’avanguardia, specifici per il taglio dei materiali compositi e tessuti tecnici di ultima generazione.

Robusti, affidabili e di semplice utilizzo i sistemi di taglio FlashCut sono ideali per il settore dei materiali compositi. Non temono danni derivanti dalla lavorazione delle fibre di vetro, di quelle aramidiche o di quelle di carbonio, per loro natura altamente conduttive. Sono in grado di lavorare materiali in rotoli e fogli fino a 130 mm di spessore ed effettuare lavorazioni combinate di taglio e fresatura. I tavoli delle serie FlashCut Flex e FlashCut Twins hanno ottenuto notevoli apprezzamenti dai clienti del settore, dove sono largamente utilizzati sia nelle versioni con piano di taglio statico che nelle versioni con tappeto di alimentazione e taglio.

Ben sapendo che ogni materiale ed ogni azienda necessitano di un prodotto costruito su misura per le proprie esigenze, Atom mette a disposizione dei propri clienti una vasta gamma di accessori per configurare ogni tavolo di taglio in base alle esigenze specifiche. In particolare sono stati pensati per il taglio dei materiali compositi: robusti mandrini a lama circolare motorizzata, disegnati per tagliare velocemente i tessuti tecnici ed evitare che le fibre tagliate si avvolgano all’asse della lama e ne provochino il bloccaggio; mandrini per il taglio da 15° a 45°; pennarelli e stampanti a getto d’inchiostro per la marcatura dei codici o la tracciatura delle linee di cucitura con inchiostri a cartuccia per il rapido cambio del colore o tipo di inchiostro; mandrini fresa da 1 a 5,4 kW di potenza per lavorazioni combinate. L’offerta si completa con numerose attrezzature specifiche per le operazioni accessorie a monte e a valle dell’operazione di taglio.

Infine, le recenti ed esclusive novità tecnologiche progettate dall’azienda vigevanese. Fra queste meritano particolare attenzione il mandrino ad ultrasuoni e l’erogatore di appretto nebulizzato. Il primo, già sperimentato con successo da importanti aziende del settore, è in grado di offrire elevate prestazioni di taglio soprattutto sui materiali pre-impregnati: riducendo la forza di contatto permette di tagliare ad alta velocità ed ottenere un’elevata finitura del bordo tagliato. L’erogatore di appretto nebulizzato è in grado di definire e fissare i bordi del tessuto: il dispositivo brevettato risolve l’annoso problema dello sfilacciamento dei tessuti secchi in prossimità del bordo tagliato, facilitandone la raccolta e la manipolazione.

Resin liquid lay down

Un tavolo di taglio FlashCut Twins 3015S

The complete range of equipment designed for the windpower industry includes: • The low-pressure DX machines, Epoxy resin dispensers for the infusion of liquid formulations in the largest blades, manufactured for off-shore and conventional wind turbines.

• A degassing unit specifically designed to remove air from the resins and avoid the formation of bubbles in the cast parts.

• A glue dispenser for the application of two-components adhesives on the edges of the longest blades produced today.

Compositi

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Anteprima JEC ELANTAS HALL 6 - STAND N11

Resine, adesivi, paste e sistemi epossidici ELANTAS Italia, a seguito della nuova organizzazione della Divisione ELANTAS, ha assunto il nome ELANTAS Europe ed è oggi la Società più importante della Divisione della multinazionale tedesca ALTANA. La B.L. Engineering Materials, con la nuova organizzazione, avrà il compito di rafforzare la propria presenza in Europa e nel mondo attraverso una più ampia rete di Distributori e Funzionari di vendita. Il JEC World sarà senz’altro il luogo ove portare avanti gli incontri B2B con la rete di vendita attuale e potenziale, presentare le innovazioni e i Sistemi formulati epossidici e poliuretanici su cui l’azienda punta in un mercato così costantemente innovativo come quello dei materiali compositi.

In particolare ELANTAS presenterà: • Resine epossidiche ad alta funzionalità, impiegate principalmente in passato per impieghi aeronautici, oggi sviluppate per la realizzazione di stampi, attrezzi e manufatti termoresistenti fino a 240°C, in grado di polimerizzare già a temperatura ambiente o moderata o di reticolare velocemente in stampaggio con somministrazione di calore. La gamma è composta da gelcoat lucidabili per medie e grandi superfici, resine da laminazione a umido, sistemi per stampaggio RTM ad alta pressione, resina da infusione fino a 200°C, resina da colata ad altissima resistenza termica e termoconduttiva.

• Resine con Certificazione German Lloyd per laminazione, infusione e incollaggio strutturale impiegati per piccoli e grandi manufatti, quali barche a vela da 80’ e pale eoliche di medie e grandi dimensioni.

• Resine epossidiche espandenti per materiali compositi con formatura in press-molding. Disponibili in forma bi-componente con densità in libera di 0,40 g/dm3 e con agente espandente a parte da aggiungere in % variabile per l’ottenimento di densità tra 0,25 a 0,50 g/dm3.

• Blocchi colati in resina epossidica termoresistente per modelli master e attrezzi per pre-pregs che si affiancano alla linea standard di tavole lavorabili in resina poliuretanica e in resina epossidica.

• Paste epossidiche estrudibili seamless per grandi modelli e stampi pilota, oggi presenti in una gamma allargata con densità da 0,60 a 0,78 ed aumentata resistenza termica • Adesivi strutturali epossidici: la gamma è stata completata con l’introduzione di due nuovi adesivi particolarmente importanti nella costruzione di pannelli nido d’ape e nel settore ferroviario, mentre nella gamma standard si conferma vincente l’Adesivo Elan-tech®ADH891.892, sviluppato per l’incollaggio strutturale di compositi in carbonio con impieghi nel Racing con omologazione FIA. • Sistemi epossidici termoplastici GreenPREG sviluppati in collaborazione con COMEC ed altri partners nell’ambito di un progetto europeo H2020.

Pale eoliche in approntamento – ETA Italia

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Compositi

Una grande antenna parabolica - South Africa

MICROTEX COMPOSITES HALL 6 - STAND C20

Preimpegnati epossidici senza alogeni per il motorsport Il Motorsport costituisce uno degli ambiti di riferimento di Microtex Composites srl: un settore che si è evoluto negli anni, sviluppando maggiore attenzione e sensibilità ai nuovi prodotti presenti sul mercato dei materiali compositi.

Molti regolamenti Tecnici FIA 2016 hanno recepito maggiormente la necessità di specificare meglio i requisiti dei materiali compositi impiegati per la realizzazione di telai e strutture secondarie. In particolare sono stati introdotti in varie categorie (Formula E, GT, WRC ed altre) requisiti tecnici di ritardo di fiamma per le parti in composito, come il “Battery box” per la formula E ed il contenitore del serbatoio carburante per alcune categorie GT, oltre a varie parti interne. Microtex Composites ha sviluppato una linea di preimpregnati epossidici privi di alogeni rispondenti ai requisiti FIA per varie classi di spessore dei laminati (le specifiche di riferimento per queste applicazioni sono le UL94 V-0).

Questa linea di prodotti comprende tre matrici: • X1-300 per applicazioni estetiche • E9-300 per applicazioni generali dove l’economicità del prodotto costituisce un requisito di base • E3-300 sistema tenacizzato.

Tutti questi sistemi sono caratterizzati da elevate Tg (>160°C) ed ottime caratteristiche di resistenza agli agenti chimici ed atmosferici, soprattutto in relazione ai sistemi epossidici standard.

Un altro prodotto di recente introduzione per applicazioni ad alte temperature è il sistema “prepreg” epossidico denominato H6, capace di sviluppare una Tg di 260°C ed in grado di costituire, per alcune applicazioni, una valida alternativa sia in termini economici sia in termini di prestazioni rispetto ai tradizionali sistemi in cianoestere. Questo prodotto ha trovato una valida applicazione per tutte le parti “calde” della vettura, inclusi convogliatori di ventilazione dei freni e relativi condotti. Il ciclo di cura, compatibile con i normali cicli definiti in autoclave per i componenti, consente di evitare il ricorso a cicli in autoclave dedicati, con evidente risparmio in termini di tempo e di relativi costi. Il ridotto “lead time” e la grande varietà di fibre e tessuti presenti disponibili a magazzino consentono di rispondere efficacemente alle richieste di un mercato che è estremamente dinamico e poco incline a pianificazioni di medio-lungo termine.

Anteprima JEC REICHHOLD HALL 6 - STAND C28

REVOLOGY HALL 5A - STAND F30

Highlighting innovation in vinyl hybrid resins At JEC 2016 Reichhold will continue to introduce new innovations in the ground breaking technology based on proprietary vinyl hybrid resin chemistry for composite applications.

The products include ADVALITE™ liquid and ADVALITE™ hot melt prepreg resins. The hot melt resins are monomer free and the liquid resins are styrene free and typically do not contain reactive diluents.

An extension of the ADVALITE™ resin chemistry has led to the development of NORPOL® Ultimate Gelcoats. These gel-coats are styrene free, contain zero or a low level of added monomer which equates to very low emissions and shrinkage. Moreover there are versions available which are classified as non-hazardous. These gelcoats also display high weathering resistance and mechanical properties. The ADVALITE™ vinyl hybrid liquid and hot melt resins can be used in conjunction with fiberglass and compatible carbon fibre reinforcements. Further testing on carbon fibre sizing technology has allowed the ADVALITE™ resins to achieve similar mechanical and thermo mechanical properties as compared to epoxy resins. Additionally, optimisation of the resin chemistry has led to new product developments which exhibit high Tg and toughness with high compatibility to carbon fibre reinforcements. ADVALITE™ resins display fast cure characteristics together with longer out-life and shelf stability at room temperature.

The ADVALITE™ liquid resins can be used in RTM, infusion, filament winding, liquid moulding and pultrusion processes.

The ADVALITE™ hot melt resins can be either directly coated or adhesive filmed for fibre impregnation. The resin properties can be adjusted to meet individual application and specification requirements.

A concept chair Revology enters the world of contemporary design with a new and innovative concept in designer furniture.

The first Revology creation, a concept chair made out of composite linen fibre, will be presented in avant-premiere in Paris on the 8 March 2016 during the JEC World. It revisits an icon: the bistrot chair first produced in 1850.

Based on the use of natural materials, the specialized knowhow held by Revology allows for a new freedom of design, in both form and materials through the use of its exclusive processing techniques.

“With Revology we want to create elegant, edgy, timeless objects using essentially bio-based materials. Our research into the materials we use and purity of the lines has allowed us to reinterpret the legendary bistrot chair using flax fibre.

The natural element of the chair is very important to us and essential to Revology’s DNA” says Alex Guichard, CEO of Revology.

A CREATIVE FORCE Alex Guichard, founder of RocTool in 2000 and design enthusiast, has created Revology to connect the field of contemporary design with that of the composite industry, bringing to it on his considerable understanding of composite materials and advanced moulding technologies. “Our ambition is to go as far as possible in the development of natural materials and bio-based resins. Up until today, no one has been able to produce a chair made out of linen on a large scale.

This is a real technological feat, and we want to accomplish this in order to develop a beautiful, durable and timeless designer object!” concludes Alex Guichard.

ITALMATIC HALL 5A - STAND K70

Fabbricazione di autoclavi di grandi dimensioni L’anno 2015 per ITALMATIC Presse e Stampi, azienda tra i leader mondiali nella Progettazione, costruzione, installazione e messa in marcia di Autoclavi per il settore Aeronautico e Spaziale, verrà ricordato nella storia aziendale come la prova di una grande capacità ingegneristica e di fabbricazione per aver progettato, costruito e consegnato a destino ad un’azienda TIER-1 di AIRBUS una autoclave da 5.200m di diametro e lunghezza 13.000mm in soli 7 mesi dalla data dell’ordine.

L’intera commessa, preceduta dalla progettazione CFD, è stata interamente eseguita presso l’unità produttiva di Lucca, capace di realizzare autoclavi fino a 6 metri di diametro. Il controllo e la gestione dell’intero impianto avverrà tramite lo S.C.A.D.A. ITALMATIC, un software costantemente in upgrade, da impianto a impianto, che garantirà un’ampia flessibilità operativa grazie ai diversi criteri di monitoraggio ciclo. Si tratta di un sistema concepito per gestire ogni tipologia di carico, soprattutto quello disomogeneo per il quale è spesso complesso garantire l’uniformità di cura nel rispetto dei tempi di ciclo richiesti. Completano il sistema funzioni quali: la configurazione di carica, i trend, gli allarmi, la calibrazione di strumenti e termocoppie, la manutenzione e la reportistica per la quale ITALMATIC dà la possibilità di esportare tali report su ogni PC

della rete aziendale grazie ad un applicativo gratuito. Tutti questi concetti vengono applicati per ogni macchinario fabbricato da ITALMATIC Presse e Stampi, presente nel mercato dei materiali compositi, unitamente alle autoclavi, con la progettazione, costruzione, installazione e messa in marcia anche di forni di polimerizzazione e presse.

Compositi

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Anteprima JEC LANGZAUNER HALL 5A - STAND M62

Thermoplastic presses on the rise FRP parts made of thermoplastic materials have several advantages compares to thermosets, but it also has other requirements to the producing equipment compared to thermosets. Because of the short cycle times, the press has to be faster and more accurate. As the material will be heated outside the mould, an automatic transfer system from the IR-preheating system into the press is mandatory. Depending on the thickness of the material, transfer times between three and five seconds from leaving the IR-station to the closed mould are standard.

Langzauner was awarded to deliver a state-of-the-art press for thermoplastic processing to a large R&D facility in UK. The press has a 2x2 meter IR field and a max pressing force of 16.000kN. Every ram has an independent displacement measurement and hydraulic system to ensure a parallel closing also at uneven pressure conditions during moulding. The quick moving transfer unit and the IR-heating can be adjusted electrically in vertical and horizontal direction, so also pre draping operations are possible. The hydraulically driven sliding table allows an uncomplicated mould changing.

A servo hydraulic drive allows an energy saving use and an abdication of oil coolers and pressure tanks, which are usually in use for these high pressure and high speed presses.

The machine was not only designed for all existing production methods. Because of its speed, accuracy and flexibility, it will also be ready for future applications. The highly flexible control system allows a development of product cycles directly on the machine. Not only all press parameters, also every peripheral systems like Infrared heater, thermooil heating units, hydraulic mould functions, handling robots or injection systems will be controlled by the presses PLC. This allows a central monitoring of all relevant cycle data from press and periphery in one file.

INSTRON HALL 5A - STAND N59

Misura della deformazione: tecniche per test su provini La caratterizzazione delle proprietà dei materiali compositi, anisotropi e disomogenei, utilizzati per applicazioni strutturali, richiede una vasta gamma di prove meccaniche. I test devono essere realizzati a diverse temperature e su provini condizionati in differenti condizioni ambientali. La misura della deformazione è un requisito fondamentale nelle prove per determinare e controllare le proprietà di trazione, compressione e taglio.

Attualmente, la maggior parte dei metodi utilizzati per la misura della deformazione nei test su materiali compositi, prevede sistemi a contatto, estensimetri incollati o estensometri clipon. Recenti sviluppi nelle tecniche di misura della deformazione non a contatto, hanno dimostrato che questi sistemi possono offrire prestazioni simili ai metodi tradizionali, a contatto, e allo stesso tempo fornire altri significativi benefici come la capacità di ottenere una mappa più ampia delle deformazioni.

ASPETTI GENERALI PER TEST SU PROVINI La misura della deformazione assiale in prove di trazione può essere ottenuta utilizzando una singola misura su un lato del provino. Tuttavia, risultati più coerenti e precisi possono essere ricavati dalla media delle misure ottenute su lati opposti del campione di prova, al fine di compensare gli effetti di flessione dovuti al disallineamento. Per il test di compressione, la maggior parte degli standard richiede l’utilizzo di un valore medio di deformazione derivato da misure su lati opposti del provino.

In linea di principio, dal momento che le deformazioni di tensione e compressione sui provini sono generalmente uniformi, si può misurare la deformazione locale con un estensimetro puntuale oppure una deformazione media su un tratto di lunghezza maggiore con un estensometro. In alcuni casi, le piccole dimensioni della sezione del provino utilizzato in un test

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Compositi

di compressione unsupported, può impedire l’uso di estensometri e si richiede l’uso di estensimetri puntuali.

Le prove per determinare le proprietà di taglio (ad esempio In-Plane Shear, Rail Shear, e Vee-Notch Shear test) richiedono la misura della deformazione di taglio. Questa può essere determinata dalla misura della deformazione assiale e trasversale. Nelle prove di Vee-Notch shear, la distribuzione delle deformazioni non è uniforme ma concentrata nella zona dell’intaglio. La misurazione accurata della deformazione locale richiede l’uso di estensimetri puntuali.

Anteprima JEC ZÜND HALL 5A - STAND R45

A modular cutting system for high performance In Paris, Zünd will be exhibiting innovative automation solutions for the composites market. With the G3 M-1600 cutting system combined with a collaborative UR robot, Zünd offers a perfect automation solution for cutting and off-loading prepreg materials. The UR robot does not require caging or other protected workspace and relieves the operator of the repetitive, non-value adding task of sorting and unloading. The cut parts are automatically stacked and can be removed any time without any interruptions to the production process.

With a cutting area of 1330 x 1600 mm (52 x 63 in), the G3 M-1600 can handle anything from prepreg materials to dry weave and core materials, and even finished laminates. No matter whether carbon or glass fiber, aramide, rock wool or basalt fiber, hard foam or honeycomb – with its advanced tool design, Zünd offers the perfect high-performance cutting tool for every application. To meet the rigorous demands of processing fiberglass and carbon fiber, for example, Zünd recommends the extremely efficient and robust Power Rotary Tool – PRT, which is also protected against electrically charged or abrasive dust particles. For cutting materials with a low melting point without damaging them, the RPM settings of the tool can be adjusted for specific material requirements. The Pneumatic Oscillating Tool – POT is another powerful tool: air-driven, with an 8 mm stroke, this tool is the perfect choice for efficiently processing honeycomb and hard foam materials. The routing option with the specialty router bit R62, on the other hand, is the ideal tool for precisely and efficiently routing cured parts.

MANY AND VARIED USES Because of their modular design, Zünd high-performance cutting systems can be easily tailored to the specific needs and dynamics of the composites market. This not only guarantees exceptional productivity but also makes the Zünd a very safe investment with both immediate and lasting returns. The G3 cutter is CE and UL certified. It can be used as a standalone solution in a semi-automated configuration for custom or shorter-run production or, just as easily, integrated in a fully automated industrial production workflow.

High-performance CAD/CAM software options support the user in all aspects of the production process, e.g. in maximizing material yield through automatic nesting.

Zünd’s customer reference list is extensive, featuring many renowned brand owners in the automotive industry, aerospace, aviation, wind energy, and many other industrial applications.

TÈAS HALL 6 - STAND F69

Un nuovo sistema compatto A distanza di sette anni dall’introduzione in campo industriale del sistema LASER T*, TÈAS aggiunge alla propria gamma di soluzioni un nuovo sistema compatto, sviluppato per il mondo dell’automotive ma non solo.

Interamente studiato e realizzato da TÈAS, il nuovo sistema, in grado di occupare un’area complessiva di soli 6m², verrà presentato al prossimo JEC World Show 2016 a Parigi e sarà disponibile per dimostrazioni durante le tre giornate della manifestazione.

LASER T* è un sistema integrato e completo per il taglio o la finitura dei materiali plastici e compositi che prevede una sorgente laser CO2, il cui raggio viene condotto mediante un braccio articolato fino ad una testa di taglio movimentata da un robot. A completamento del sistema è prevista anche l’installazione di un apposito sistema di raccolta ed evacuazione sfridi, nonché una cabina di protezione con relativo sistema di aspirazione e filtraggio del particolato derivante dal processo di taglio.

I benefici ottenuti dai clienti che utilizzano il sistema LASER T* si possono sintetizzare in termini di flessibilità, raggiungimento elevate cadenze produttive con l’utilizzo di teste di taglio ad altissima velocità, assenza di contatto fisico con il pezzo, abbattimento totale dei costi di gestione (niente più spese per consumo di punzoni, frese di taglio, ecc.) e abbattimento dei costi di modifica e adeguamento per poter processare nuovi modelli o varianti di design.

Il nuovo sistema, sviluppato per il mondo dell’automotive dove è numerosa la presenza di parti di piccole dimensioni, trova largo impiego in numerosi settori perché garantisce, ad un prezzo contenuto, tutti vantaggi sopra citati in termini di flessibilità, qualità e performance.

RESIPOL HALL 5A - STAND H29

Consumabili e tooling per gli specialisti Come da tradizione, resipol srl sarà a Parigi per presentare la gamma G’Vac e tutte le novità della Linea Tooling. Lo stand è inserito nell’isola dedicata alle attività del Gruppo Gazechim e i visitatori potranno prendere visione di tutte le linee di prodotti (resine, tessuti, pre-pregs, honeycomb, adesivi, distaccanti, consumabili e attrezzature), distribuite dal Gruppo in tutta Europa.

The new collaborative robot does not require a safety cage and relieves the operator of repetitive, non-value adding task

Compositi

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Anteprima JEC SAERTEX HALL 6 - STAND 5A

Two keys focus areas SAERTEX, specialized in the production of non-crimp fabrics, will again set industry trends and present impressive innovations at JEC World 2016. Visitors will find two key focus areas at the exhibition stand.

The first key focus of the exhibition is aimed at component manufacturers, which are still producing with steel or other conventional materials – and are facing the challenge of converting their complete value chain to composite solutions.

SAERTEX will demonstrate how the company supports such users – from the idea through the completed components – using specific projects from the rail transportation, shipbuilding and construction industries. Whether it’s weight saving in comparison to steel, new design possibilities for architects or better corrosion protection – SAERTEX engineers from across the globe will be pleased to answer any questions on this subject at JEC World 2016.

The second key focus at the SAERTEX stand is placed on a new generation of materials for improving the productivity of vacuum infusion processes. Here, SAERTEX – in cooperation with a strategic partner – will display new developments aimed at improving the interaction of multiaxial fabrics, core materials, matrix and production technology. Visitors will be able to experience how complete production steps can be avoided with when the new SAERflow ® and commingled thermoplastic composite materials are used. This demonstration will take place on the SAERTEX stand and also at the live demo area in hall 6 of the exhibition.

SAERTEX will also provide advice on optimum glass fibre fabrics and core materials in combination with PU resin required for achieving high flow rates during the production of rotor blades for the wind power industry. A particular highlight here is the series of tests performed by the German Aerospace Center in Stade, in which a 45m spar cap component was infused with a combination of glass rovings and PU resin – the SAERTEX team will present these results.

SMARTCAE HALL 5A - STAND Q75

Posizionamento pelli assistito da telecamera Il sistema PlyMatch sviluppato da Anaglyph (London, UK) è un kit basato su telecamera che aiuta il laminatore nel posizionamento delle pelli e offre vantaggi aggiuntivi per la tracciatura e la validazione delle fasi di produzione. Il sistema PlyMatch è il risultato di una ricerca di due anni svolta in UK con il National Physical Laboratory (NPL).

PlyMatch filma l’area di lavoro e lo stampo con una telecamera e sovrappone l’immagine dal vivo con l’immagine della pelle virtuale generata dal CAD su un monitor. L’operatore guarda il monitor per vedere dove posizionare le lamine e la telecamera documenta ogni fase.

Il sistema è molto flessibile, perché la telecamera o lo stampo possono essere spostati in qualsiasi momento dall’operatore durante il processo, senza necessità di una nuova calibrazione.

Un sensore ottico traccia la posizione della telecamera e dello stampo nello spazio 3D, mettendola in relazione tra di loro, e fornisce questi dati all’unità di controllo. Il sistema aggiorna continuamente la posizione relativa in tempo reale, in maniera che l’immagine della pelle virtuale si sovrapponga con precisione all’immagine dello stampo.

La flessibilità rende PlyMatch lo strumento ideale per realizzare parti complesse, con forti curvature, con stampi concavi, come quello mostrato in figura, nel quale la proiezione laser ha delle difficoltà. Con PlyMatch è possibile l’accesso visivo anche quando la struttura ha cavità profonde.

Anche se PlyMatch è utilizzato tipicamente per la laminazione di parti complesse di taglia medio-piccola, può essere modificato per gestire parti grandi attraverso l’utilizzo di hardwa-

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Compositi

re aggiuntivo. PlyMatch può utilizzare file IGES e DXF 3D ed è quindi compatibile con qualsiasi applicativo CAD, o può essere utilizzato con il pacchetto di progettazione e analisi dei compositi Laminate Tools, anch’esso di Anaglyph.

Per scopi legati al controllo della qualità, il sistema permette all’utente di registrare la procedura di assemblaggio e di salvarla in formato AVI, per provare che la parte è stata realizzata in accordo alle specifiche. Se richiesto, il sistema può misurare la deviazione del perimetro della pelle o il disallineamento nell’orientamento delle fibre. Infine, PlyMatch può essere adattato per la produzione automatizzata mediante robot, posizionando la telecamera e i sensori per tracciare il movimento della macchina e il posizionamento del materiale.

PlyMatch è distribuito in Italia da SmartCAE srl.

Musetto conico di una monoposto F1: laminazione in spazio confinato

HEXAGON MANUFACTURING INTELLIGENCE

Il nuovo ROMER Absolute Arm ROMER Absolute Arm è il nuovo prodotto al top di gamma della serie di macchine di misura a coordinate portatili.

Il nuovo braccio della Serie 77 offre una precisione di scansione migliore di circa il 20% e una precisione di misura a contatto migliore del 15% rispetto alla Serie 75 già in commercio. Disponibile in cinque volumi di misura (da 2,5 m a 4,5 m), la Serie 77 riprende la consolidata tecnologia della gamma ROMER Absolute Arm e la migliora, per offrire la massima precisione possibile mantenendo la semplicità d’uso del braccio. Il ROMER Absolute Arm può essere usato immediatamente dopo l’accensione, senza necessità di riscaldamento o azzeramento degli assi. È possibile inoltre cambiare il sensore senza ricalibrazione, per massimizzare la flessibilità durante il lavoro. Il feedback acustico e optico all’operatore ne supporta l’impiego negli ambienti industriali difficili, mentre la base magnetica da 3000 N di cui è dotato di serie offre la possibilità di montaggio per tutti i tipi di applicazione. “La Serie 77 porta la precisione del ROMER Absolute Arm ad un nuovo livello” - afferma Stephan Amann, Business Director for Portable Measuring Arms in Hexagon Manufacturing Intelligence. “Assieme ai bracci delle Serie 73 e 75, la Serie 77 estende la gamma ad un ventaglio di prodotti su tre livelli. Ora è quindi facilissimo per i nostri clienti scegliere un ROMER Absolute Arm per le proprie esigenze specifiche di applicazione e di budget”. Come la Serie 73 e 75 del ROMER Absolute Arm, i bracci della Serie 77 sono compatibili con tutti gli scanner laser Hexagon, comprese le unità esterne HPL-20.8 e HP-L-8.9 e lo scanner integrato RS3.

Tutti i bracci sono disponibili in configurazioni da 6 e 7 bracci, con modelli a 6 assi ideali per la misura a contatto e quelli a 7 assi adatti alla scansione laser ad alta velocità.

Il ROMER Absolute Arm della Serie 77 è immediatamente disponibile e può essere ordinato in tutto il mondo attraverso le divisioni commerciali e i rivenditori locali di Hexagon Manufacturing Intelligence, con consegna a partire da marzo.

NUOVO ROMER ABSOLUTE ARM 77 MISURABILMENTE SUPERIORE Il nuovo Romer Absolute Arm 77 è il braccio di misura portatile più preciso mai prodotto.

Lo scanner integrato può rilevare fino a 460.000 punti al secondo adattando automaticamente l’intensità del laser in base alle caratteristiche della superficie misurata.

Solo da Hexagon Manufacturing Intelligence.

www.hexagonmetrology.it

Vi invitiamo a visitare i nostri stand a:

Compositi

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Ana Pavlovic - Centro Interdipartimentale Meccanica Avanzata e dei Materiali, Università di Bologna Cristiano Fragassa - Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Bologna Carlo Santulli - Scuola di Architettura e Design, Università degli Studi di Camerino, Ascoli Piceno

Analisi sperimentale delle proprietà meccaniche di compositi rinforzati con fibre di lino e basalto

P

er quanto ottenere un materiale totalmente sostenibile sia un obiettivo ancora lontano, si vedono crescenti risultati nelle tecnologie dei compositi che permettono di ridurre l’impatto negativo della loro produzione e smaltimento sull’umanità o sull’ambiente. Molti gruppi di ricerca si sono dedicati a minimizzare l’impatto ambientale della produzione dei compositi polimerici usando matrici derivate da risorse rinnovabili come l’acido poli-

Fig.1: Diagrammi sforzo-deformazione a trazione nel caso di fibre di vetro, di basalto, di lino e ibridi basalto-lino

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Compositi

lattico (PLA), amidi termoplastici (TPS) o matrici termoindurenti bio. In quest’ultimo caso, il loro alto contenuto di materiale rinnovabile deriva da sostanze naturali che combinate con un rinforzo di fibre naturali formano laminati compositi sostenibili per l’ambiente e totalmente degradabili. In questo modo, tali matrici rappresentano un potenziale sostituto delle resine ottenute dal petrolio. Le matrici naturali sono ottenute parzialmente o totalmente da sorgenti rinnovabili e/o ottenute da polimeri biodegradabili. La disponibilità di matrici polimeriche ecologiche è oggi relativamente scarsa, ma sta crescendo rapidamente man mano che vengono eseguiti più studi e si ottengono più informazioni. L’utilizzo di questi polimeri a base bio dipende dalla possibilità di modificare le loro proprietà in modo da ottenere un processamento più facile e da migliorare la tenacità del biocomposito finale.

D’altro canto, i rinforzi naturali sono meglio conosciuti e usati largamente. Le fibre naturali sono delle combinazioni di cellulosa, emicellulosa e lignina. Esse possono essere derivate dalla foglia (es. sisal), dallo stelo (es. lino, canapa), dal seme (es. cotone) e dal frutto (es. cocco). Sono biodegradabili e “positive rispetto al carbonio”, dato che assorbono più anidride carbonica di quella che producono. Essi non sono irritanti e tendono ad essere non abrasivi, riducendo la frizione sulle macchine utensili e durante la produzione. Le fibre naturali hanno valori di densità bassi: nella sostituzione delle fibre sintetiche, esse riducono il peso di un componente fino al 40%, mentre d’altro canto sono perfettamente adatte ad usi non strutturali. È perfino possibile migliorare la resistenza a flessione, il modulo elastico e la duttilità dei materiali. D’altra parte però, le fibre naturali forniscono compositi con proprietà meccaniche non eccezionali e variabili, il che limita il loro impiego strutturale.

PARTE SPERIMENTALE Prove di trazione Eseguite secondo la norma ASTM D3039 [1]: una striscia sottile e piatta di materiale con sezione rettangolare e costante è montata tra le ganasce di una macchina per prove meccaniche, e caricata monotonicamente a trazione con registrazione del carico applicato. Compositi rinforzati con fibre naturali (lino o basalto) o ibride (lino + basalto) sono stati testati e confrontati con rinforzi di origine sintetica (vetro). La resistenza a trazione di ogni materiale composito investigato viene determinata dal carico massimo supportato prima della rottura. I diagrammi sforzo-deformazione (fig.1) mostrano chiaramente come la resistenza a trazione viene modificata cambiando le fibre che sono utilizzate come rinforzo. Viceversa, il comportamento più o meno fragile di questi materiali è risultato evidente in risposta agli sforzi a trazione. In particolare, mentre le fibre di lino riducono lo sforzo di rottura a trazione (in favore di una maggiore elasticità), la loro ibridazione con il basalto permette una resistenza comparabile a quella della vetroresina.

Prove di flessione Eseguite secondo la norma ASTM D790 [2], una barra di sezione rettangolare appoggiata su due supporti è caricata per mezzo di un perno centrale.

La resistenza a flessione di ogni composito viene determinata dal carico massimo supportato prima della rottura. I diagrammi sforzo-deformazione (fig.2) confermano anche in questo caso la grande influenza che le proprietà delle fibre hanno sul comportamento meccanico complessivo dei materiali fibrorinforzati. In particolare, si conferma l’elevata prestazione offerta dai materiali compositi rinforzati con fibre di basalto.

Inoltre, un’interessante e inattesa plasticità si nota nel caso dei materiali ibridi (basalto + lino).

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- Analisi sperimentale delle proprietà meccaniche di compositi rinforzati con fibre di lino e basalto Prove d’impatto a caduta di peso Eseguite secondo la norma ASTM D7136 [3], un laminato bilanciato e simmetrico viene usato come provino. Il danneggiamento viene prodotto attraverso impatto fuori dal piano, perpendicolarmente al piano del laminato stesso, usando un peso con un impattatore a punta emisferica. La massa viene innalzata ad un’altezza nota, poi rilasciata per una caduta libera. L’altezza viene scelta e modificata durante la sequenza delle prove con lo scopo di permettere di esplorare diversi meccanismi di frattura. La resistenza al danneggiamento è quantificata in termini della dimensione e del tipo di danneggiamento sul provino. Un sensore specifico ci permette anche di misurare la forza d’impatto, fornendo informazioni utili per studiare la dinamica dell’impatto.

La risposta dei materiali all’impatto in dipendenza dal tempo di durata dell’impatto viene presentata in diagrammi in considerazione dell’altezza di caduta e, di conseguenza, dell’energia di impatto.

In figura 3 viene riportata la forza sperimentale misurata durante l’impatto da un’altezza di rilascio di 2.5 metri. L’energia applicata in questo caso non induce penetrazione, e quindi si può immaginare che la risposta sia prevalentemente elastica. Alzare l’altezza di rilascio ha l’ovvio

effetto di accrescere l’energia d’impatto: in conseguenza di questo, fenomeni inelastici emergono, che portano alla formatura e alla perforazione del laminato.

Questi diagrammi confermano anche come una differente selezione di fibre usate come rinforzo può largamente modificare la resistenza dei materiali anche nel caso di carichi dinamici. Inoltre, i compositi ibridi sembrano offrire un comportamento intermedio tra quelli offerti dai compositi della singola famiglia d’origine, in questo caso basalto e lino.

Allo stesso tempo, non è vero che la risposta di un laminato ibrido può essere considerato come una semplice media pesata di elementi. In effetti, per quanto risulta dalle evidenze sperimentali, la conseguenza dell’utilizzare una mescola di diverse fibre sembra più simile ad una sovrapposizione di effetti. Riferendosi specificatamente alla figura 3, è evidente come gli ibridi, rinforzati da lino e basalto, presentano la stessa tendenza dei compositi a base di lino durante la prima parte di applicazione del carico (< 0.5ms) lungo curve coincidenti. In contrasto, i compositi con rinforzi ibridi presentano lo stesso andamento dei compositi con basalto durante la lunga fase di scarico (> 1.5ms), con andamento quasi parallelo delle curve relative.

Infine, come dalle precedenti evidenze

sperimentali, sia il composito in fibra di lino che la vetroresina continuano a mostrare un comportamento fragile anche rispetto ai carichi dinamici, come rappresentato nei diagrammi dai più lunghi plateau (ΔT circa di 2.5 ms contro circa 0.5 ms di altri), collocati a una forza massima più bassa (2-4 kN contro 5-6 kN). Tra i vari materiali, la vetroresina è la prima a subire penetrazione, come dimostrato dalle prove addizionali d’impatto eseguite da un’altezza di caduta di 2.5 m (qui non rappresentati).

In altri termini, secondo i diagrammi, la vetroresina sembra rappresentare un’ottima soluzione come assorbitore d’impatto, permettendo di ridurre i picchi dello sforzo e dell’energia assorbita attraverso una risposta modulata elastoplastica. Tuttavia, i rinforzi di lino, anche se in pratica offrono la stessa risposta dinamica ai compositi, sono anche in grado di resistere a forze d’impatto più alte (fino al doppio). Questo vuol dire che il lino è più appropriato del vetro come rinforzo per impatti piccoli e ricorrenti, riducendo le fratture cumulative.

Proprietà meccaniche In Tabella 1, viene riportata una sintesi dei dati sperimentali.

Presentato alla 5th Conference on Natural Fibre Composites, Rome, October 2015

Fig.3: Diagrammi per prove d’impatto nel caso di laminati rinforzati da fibre di vetro, di basalto, di lino e ibridi (basalto + lino)

Fig.2: Diagrammi sforzo-deformazione a flessione nel caso di fibre di vetro, di basalto, di lino e ibridi basalto-lino

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Tab.1: Proprietà meccaniche dei laminati compositi rinforzati con fibre di vetro, basalto e lino ed ibridi basalto/lino

Ana Pavlovic - Centro Interdipartimentale Meccanica Avanzata e dei Materiali, Università di Bologna Cristiano Fragassa - Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Bologna Carlo Santulli - Scuola di Architettura e Design, Università degli Studi di Camerino, Ascoli Piceno

Experimental analysis of mechanical properties of composites reinforced by flax and basalt fibres

E

ven if the “fully green material” is far away from existing, a growing number of green advancements exist in composite technologies, which are able to reduce the negative impact on people or environment.

Numerous research groups are, for instance, dedicated to minimising the environmental impact of polymer composite production using polymer matrices derived from renewable resources such as polylactide (PLA), thermoplastic

starch (TPS) or thermoset matrices.

Their high renewable content derives from vegetable sources and, combined with natural reinforced fibers (NF) to form environmentally friendly and fully degradable composite laminates. In this way, these matrices represent a potential substitute for petroleum based ones.

Natural matrices are therefore partially or totally obtained by renewable sources and/or made by biodegradable polymers. The availability of ecobased poly-

mer matrices is nowadays still relatively scarce, but it rapidly grows as more studies are performed and more information is obtained. The employment of these bio-based polymers depends on the possibility to modify their properties in order to ease their processing, at the same time improving the toughness of the final biocomposite.

On the other hand, natural reinforcements are now widely known and quite largely used. Natural fibers are com-

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- Experimental analysis of mechanical properties of composites reinforced by flax and basalt fibres pounds combining cellulose, hemicellulose and lignin. They can be derived from leaf (e.g. sisal), bast (e.g. flax, hemp), seed (e.g. cotton) and fruit (e.g. coir). They are biodegradable and “carbon positive” since they absorb more carbon dioxide than they produce. They are non-irritating and tend to be non-abrasive, reducing wear on tools during manufacturing. Natural fibers have lower density values: in substitution of synthetic ones, they reduce the weight of an artifact by up to 40%, perfectly fitting non structural uses.

It is even possible to improve flexural strength, stiffness and ductility of materials. In contrast, natural fibers provide composites with not excellent and largely variable mechanical proprieties, limiting therefore their use in structural applications.

EXPERIMENTAL SESSION Tensile test Performed according to ASTM D3039 standard [1], a thin flat strip of material having a constant rectangular cross section is mounted in the grips of a mechanical testing machine and monotonically loaded in tension while recording load. Composites reinforced by natural (flax or basalt) or hybrid (flax+basalt) fibers have been tested and compare with synthetic reinforces (glass).

The ultimate tensile strength of each composite material under investigation is determined from the maximum load carried before failure. Stress-strain diagrams (fig.1) clearly show how ultimate strength is modified by changes in fibers used as reinforcement. In contrast, a brittle behaviour is obtained in this material as the response to. In particular, while flax fibers seem to reduce the ultimate tensile stress (in favour of a higher elasticity), their hybridization with basalt permits a resistance comparable with fiberglass.

Flexural test Performed according to ASTM D790 standard [2], a bar of rectangular crosssection rests on two supports and is loaded by means of a loading nose midway between the supports. The ultimate flexural strength of each composite material is determined from the maximum load carried before failure.

Stress-strain diagrams (fig.2) also confirm in this flexural case the large influence that fibers’ properties have on the overall mechanical behaviour of fiber reinforced materials. In particular, it is confirmed the high performance offered by basalt reinforced composites.

In addition, an interesting and unexpected plasticity is shown in the case of hybrid (basalt + flax) materials.

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Drop-weight impact test Performed according to ASTM D7136 standard [3], a balanced, symmetric laminated plate is used as sample. Damage is imparted through out-of-plane concentrated impact, perpendicular to the plane of the laminated plate, using a falling weight with a hemispherical striker tip. This mass is raised to a known height and released for a free fall. This height is carefully selected and modified (during the sequence of tests) with the aim at permitting to explore the different mechanisms of failure. The damage resistance is quantified in terms of the resulting size and type of damage in the specimen. A specific sensor also permits to measure the impact force, providing useful information for retracing the dynamic of impact. The time-depending response of materials to impact duration is presented in diagrams in consideration of the height of release and, as consequence, impact energy. In figure 3, the experimental force, measured during impact for a height of release of 2.5 meters, is reported. In this specific case, since no failure occurred in samples, graphs could be considered as representative of an elastic response of materials to impacts. Improving the height of release has the effect to increase the impact energy and inelastic phenomena can emerge, up to the pass-thru perforation of sample. These diagrams also confirm how a different selection of fibers used as reinforcement would largely modify the resistance of materials, even in the case of dynamic loads. Moreover, hybrid composites appear to reveal an intermediate behaviour what offered by flax and basalt composites. On the other side, it is far from reality that the response of hybrid reinforcement could be considered as a simple weighted average of elements. In fact, according to evidence, consequence of using a mix of fibres looks more similar to a superposition of effects. Specifically referring to figure 3, it is evident how hybrid composites, reinforced by flax and basalt, present the identical trend of flax during the first part of application of loads (<0.5ms) along coincident curves. In contrast, composites with hybrid reinforcements present the same trend of composites with basalt reinforcements during the long unloaded phase (>1.5ms), with curves growing down almost in parallel.

Finally, in line with previous experimental evidences, both flax fibres and fiberglass continue to show a brittle behaviour even respect to dynamic loads, as represented in diagrams by larger plateaus (ΔT around 2.5ms against 0.5ms of other), located at a lower maximal force (2-4kN against 5-6kN). Between

them, glass is the first material to fail when the impact force improves, as demonstrated by additional drop weight tests performed at a height of release of 2.5mt (not here represented). In other terms, according to diagrams, fiberglass seems to represent a very good solution as impact absorber, permitting to reduce the peak of stress and adsorbing energy by an inelastic modulate response. However, flax reinforcements, even if they practically offer the same dynamic response to composites, are also able to withstand higher impact forces (up to 2 times). This implies that flax is more appropriate than glass in the case of small yet recurring impacts reducing cumulative failures.

Mechanical proprieties In Table 1, a synthesis of experimental data is reported.

ACKNOWLEDGEMENTS This investigation on the application of advanced technologies for new sustainable materials has been realized as part of AdriaHub implementation, a project co-funded by the European Union inside the Adriatic IPA Cross Border Cooperation program.

BIBLIOGRAFIA/REFERENCES

[1] ASTM D3039 / D3039M-14, Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014, www.astm.org [2] ASTM D790-10, Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2010, www.astm.org [3] ASTM D7136 / D7136M-07, Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2007, www.astm.org

All the mentioned figures refer to the Italian version Fig.1: Tensional stress–strain diagrams in the case of synthetic, natural and hybrid fibers Fig.2: Flexural stress–strain diagrams in the case of synthetic, natural and hybrid fibers Fig.3: Diagrams for impact tests in the case of glass, basalt, flax and (basalt+flax) hybrid fibre composites Tab.1: Mechanical properties of composite laminates in the case of synthetic, natural and hybrid fibers

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