Compositi N° 28 Giugno 2013

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Organo ufficiale di Assocompositi

magazine anno VIII - numero 28 giugno 2013

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Looking to the future

The third edition of the National Assocompositi Conference, held at the Castello del Valentino in Turin May 22 to 24 this year, has given us the opportunity to to meet and discuss with raw material suppliers, developers, manufacturers and researchers about cross-cutting themes of high technical content and innovation.

The opportunity to meet with the leaders of the development of composite materials in leading companies such as Dallara, FIAT and Azimut / Benetti and the visit to Alenia assembly plants in Turin Caselle has turned the spotlight on the exceptionally wealth asset of technical and scientific expertise available today in our Country.

From the awareness of this situation, and from the renewed interest of the Italian community of composite materials to promote new opportunities of collaboration well represented, for example, by the activities of the Consortium Turin Aerospace, it is clear that the vitality of our businesses is high even in the currently difficult economic situation.

At the European level, it is worth mentioning the significant organizational changes occurred in EuCIA (European Composites Industry Association) that, after the decision to withdraw from EuPC with a settlement agreement, at the beginning of the year was reconstituted as a non-profit association and has recently hired a new General Manager.

EuCIA will therefore continue at full pace their activities to promote and protect the development of the European market for composites in close collaboration with all the national associations and sector groups.

Uno sguardo al futuro La terza edizione del Convegno Nazionale Assocompositi, tenutosi al Castello del Valentino di Torino dal 22 al 24 maggio scorso, ha dato l’occasione a fornitori di materie prime, sviluppatori, applicatori e ricercatori di confrontarsi e di discutere su temi trasversali di elevato contenuto tecnico e di innovazione.

L’occasione di incontro con i responsabili dello sviluppo dei materiali compositi in aziende di primo piano quali Dallara, FIAT e Azimut/Benetti e la visita alle linee di assemblaggio velivoli di Alenia a Torino Caselle ha acceso i riflettori sull’eccezionale patrimonio di competenze tecniche e scientifiche oggi disponibile nel nostro Paese.

Dalla consapevolezza di questa realtà e dal rinnovato interesse della comunità tecnica italiana dei materiali compositi ad operare cogliendo le oppor tunità di collaborazione, ben rappresentata ad esempio dalle attività del Consorzio Torino Aerospace, è emersa chiaramente la vitalità delle nostre aziende pur nella oggettivamente difficile situazione congiunturale.

A livello europeo si segnalano invece gli impor tanti cambiamenti organizzativi avvenuti in EuCIA (European Composites Industr y Association) che, dopo la decisione di uscire da EuPC con un accordo transattivo, all’inizio dell’anno è stata ricostituita come Associazione no-profit e ha di recente assunto un nuovo General Manager. EuCIA continuerà per tanto a pieno ritmo le proprie attività di promozione e tutela dello sviluppo del mercato europeo dei compositi in stretta collaborazione con tutte le Associazioni nazionali e i gruppi di settore.

editoriale

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Prof. Roberto Frassine Presidente Assocompositi

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Sommario 9

STUDIO

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Giugno 2013 June 2013

Caratterizzazione meccanica di un pannello sandwich Mechanical characterization of a sandwich panel

Periodicità trimestrale Quarterly review abbonamento Italia abbonamento Estero una copia

C. Mandolfino, E. Lertora, C. Gambaro, M. Pedemonte

VITA ASSOCIAZIONE COSTRUZIONI

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Ritorno alla terra Back to the earth

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Il vento dell’innovazione Giovanni Manni

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Silvia Briccoli Bati, Mario Fagone, Federica Loccarini, Giovanna Ranocchiai

INFRASTRUTTURE

EOLICO

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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

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Tecnologie italiane per i futuri lanciatori europei Italian technologies for future European launchers

Coordinamento di redazione Editing Co-ordination Anna Schwarz Ufficio Commerciale Sales office Ramona Foddis

Ludovico Vecchione

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Un rivestimento per voli più sicuri A coating for safer flights Mario Pierobon, Camilla Carraro

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Anno VIII – Numero 28 Year VIII – Issue 28

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JEC 2013

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Uno sguardo spettacolare alle innovazioni

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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 Silvia Briccoli Bati Alessandro Bozzolo Camilla Carraro Mario Fagone C. Gambaro E. Lertora Federica Loccarini C. Mandolfino Giovanni Manni M. Pedemonte Mario Pierobon Giovanna Ranocchiai Daniela Reccardo Ludovico Vecchione Donato Zangani

Compositi

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Eccellenze nei compositi al 3° Convegno nazionale al 22 al 24 maggio Assocompositi ha organizzato a Torino (in collaborazione con Torino Piemonte Aerospace e con il Politecnico di Torino) il suo terzo appuntamento annuale che ha registrato circa 100 partecipanti e la presenza tra gli oratori di più di 20 aziende di primo piano del settore dei compositi tra cui Sandvik, Dow, Alenia, CRF, Dallara Automobili, Azimut/Benetti e di 10 università italiane e straniere.

L’evento è stato patrocinato da Città di Torino, Politecnico di Torino e SAMPE. Al convegno è stata annessa anche un’area espositiva (situata nella storica Sala delle Colonne del Castello del Valentino) alla quale hanno aderito gli sponsor Mapei, ICR Sprint, Rochling, TPA e Sandvik Coromant. Nel corso delle prime due giornate, tenutesi presso la Sala Caccia del Castello del Valentino (storica sede della facoltà di Architettura del Politecnico di Torino), sono state organizzate le sessioni tecniche, dedicate a costruzioni, materiali e applicazioni industriali.

Il focus della mattinata del 22 è stato quello dei materiali compositi nelle costruzioni con due relazioni di apertura a cura dell’Arch. Carozzi e dell’Ing. Fava del Politecnico di Milano dedicate rispettivamente alla caratterizzazione di compositi a matrice cementizia e all’analisi strutturale di facciate ventilate in materiale composito. È poi seguito un intervento del Prof. Ascione dell’Università di Salerno che ha illustrato importanti aggiornamenti sulla normativa per la qualificazione degli FRCM e sulle attività del Tavolo di lavoro Assocompositi dedicato alla stesura delle linee guida ministeriali per il settore. L’Ing. Cersosimo di Interbau ha

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quindi evidenziato la caratterizzazione meccanica di laminati unidirezionali tipo C-FRP, mentre il Dott. Mantegazza di Ruredil ha parlato della caratterizzazione di sistemi FRCM secondo i criteri di accettazione di ICC-ES. La mattinata è stata chiusa dall’Ing. Giacomin di G&P Intech che ha illustrato un’indagine sperimentale su elementi in PRC rinforzati con compositi cementizi in acciaio-carbonio e con il Prof. de Felice dell’Università Roma Tre Compositi che ha introdotto ai convegnisti le attività del Comitato RILEM CSM. Guest speaker del primo giorno è stato l’Ing. Grippa di Dallara Automobili che ha brillantemente presentato, anche con filmati inediti, l’innovativo approccio di Dallara alla progettazione e allo studio dei materiali compositi avanzati nell’automotive. I lavori sono proseguiti con speech di grande rilevanza tecnica a cura dell’Ing. Schisa di Sandvik Coromant e dell’Ing. Maggioni di Lamiflex che ha parlato dei risultati di un recente studio su frames in composito a geometria complessa processati con RTM. La giornata si è conclusa nel segno dei software con l’Ing. Massaccesi di Mathfem che ha presentato come è possibile simulare il processo di infusione sotto vuoto per la produzione di scafi in bio-composito e con EnginSoft che ha spiegato la calibrazione di modelli FEA multi scala per tessuti in composito.

La prima parte del secondo giorno è stata invece rivolta alla ricerca sui materiali con una relazione di apertura di notevole rilevanza a cura dell’Ing. Caimmi del Politecnico di Milano dedicata all’effetto della temperatura sulla tenacità interlaminare di compositi carbonio/epossidica rinforzati con tessuti. L’Ing. Cappabianca

Assemblea dei Soci 2013 Lo scorso 23 maggio presso il Castello del Valentino di Torino si è svolta l’Assemblea annuale dei Soci Assocompositi. Nel corso della riunione sono state rinnovate tutte le cariche sociali per il biennio 2013-2015 come segue:

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Compositi

dell’Associazione Italiana Prove non Distruttive ha quindi illustrato i principali requisiti e tecnologie per effettuare test di controllo sui compositi e sono quindi seguiti interventi di taglio scientifico sulle nanotecnologie nei compositi (Dott.

Schiavuta, Civen), sulla previsione della vita a fatica di giunzioni incollate sollecitate in modo misto (Dott. Carraro, Università di Padova), sulla saldatura per induzione di compositi a matrice termoplastica rinforzati con fibre di carbonio (Prof. Maffezzoli, Università del Salento) e sulla resistenza al fuoco di compositi carbon fibre/epoxy (Prof. Torre, Università di Perugia). La sessione sui materiali è stata conclusa da un intervento della Dott.ssa Pignagnoli di Dow dedicata ai processi produttivi di compositi poliuretanici con fibra lunga o continua. Il pomeriggio si è quindi aperto con un’ampia main lecture sullo stato dell’arte dei compositi nell’automotive a cura dell’Ing. Fondacaro, Responsabile del Centro di Competenza sui Materiali Compositi del Centro Ricerche FIAT di Pomigliano.

L’ultima sessione, dedicata all’aerospazio, ha infine ospitato una relazione dell’Ing. Iannone di Alenia sui compositi multifunzionali nano-caricati, una dell’Ing. Gloy (Università di Aachen) sui tessuti strutturali e la presentazione, a cura della Dott.ssa Giorgini (Aerospace Industry Manager di CEI Piemonte), dell’importante successo imprenditoriale ottenuto negli ultimi anni dal progetto Torino Piemonte Aerospace.

Alle ore 17 si è tenuta l’Assemblea generale 2013 dei Soci Assocompositi. La storica Sala delle Colonne del Castello del Valentino ha ospitato in serata la cena di gala che ha visto come ospite d’onore Azimut/Benetti con una presentazione sulle tecnologie per i compositi applicate

PRESIDENTE: Prof. Roberto Frassine (Politecnico di Milano) CONSIGLIO DIRETTIVO: Giulio Morandini (Mapei), Enrico Rosso (ICR), Paolo Toselli (Plastic Glass), Mattia Milani (Tecnedit Edizioni), Prof. Andrea Ratti, (Politecnico di Milano), Prof. Alfonso Maffezzoli (Università del Salento).

Nel ringraziare tutti gli eletti per la cortese disponibilità, auguriamo loro buon lavoro.

CALENDARIO PROSSIMI EVENTI 2013 FIERE ■

Techtextil 2013

11-13 giugno Francoforte (Germania) ■

nella progettazione dei suoi yacht. Graditi ospiti e coinvolgenti oratori della serata sono stati la Dott.ssa Vitelli (Brand Management Director), l’Ing. Rossi (Capo dell’ufficio tecnico) e l’Ing. Di Bello (Production Quality Manager). L’ultima giornata del Convegno è stata invece interamente organizzata presso gli stabilimenti Alenia Aermacchi di Caselle che hanno eccezionalmente aperto le proprie porte ad Assocompositi. I partecipanti hanno avuto l’occasione unica di visitare presso lo stabilimento Nord gli Hangar 2 e 42 con le linee di assemblaggio finale del C27J e la linea di produzione major compo-

nents e assemblaggio finale dello Eurofighter Typhoon, eccellenza nel settore militare mondiale. La mattinata si è poi conclusa con una visita al campo volo di Alenia.

Facendo un bilancio, la terza edizione del Convegno Nazionale Assocompositi non solo ha riconfermato pienamente l’obiettivo di riunire la comunità industriale e scientifica nazionale, ma, grazie alle eccellenze del territorio torinese, ha offerto ai partecipanti l’occasione di incontrare alcuni tra i maggiori player del settore auto e aerospazio per stabilire collaborazioni e aprire nuove possibilità di mercato.

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Composites Europe 2013: confermato il Padiglione Italia È con grande piacere che annunciamo che è stato completato e confermato il Padiglione italiano coordinato dall’Associazione nell’ambito di Composites Europe 2013 (Stoccarda 17-19 settembre). Nel Padiglione, collocato nella Hall 6, oltre ad Assocompositi saranno presenti con uno stand i Soci Carùs, Elantas Italia, ICR, Maroso, Mates Italiana e Plastic Glass e le aziende Panini e Terruzzi. Per informazioni www.composites-europe.com

JEC ASIA 2013

25-27 giugno, Singapore ■

LightMAT 2013

3-5 settembre, Bremen (Germania) ■

COMPOSITES EUROPE 2013

17-19 settembre, Stoccarda (Germania) ■

JEC AMERICAS

2-4 ottobre, Boston (USA)

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Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Università di Firenze

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di Silvia Briccoli Bati, Mario Fagone, Federica Loccarini, Giovanna Ranocchiai

Ritorno alla terra I risultati di una campagna di prove meccaniche eseguite su elementi strutturali realizzati in terra cruda, prima e dopo il rinforzo con fibre naturali in juta, mostrano come questo materiale, tra i più antichi impiegati nelle costruzioni, possa essere utilizzato ancora oggi con notevoli benefici anche sotto il profilo ambientale. egli ultimi anni le istanze di sostenibilità energetica e gestione delle risorse si stanno sempre più orientando verso materiali e sistemi costruttivi ecocompatibili. Ciò impone l’utilizzo di tecniche costruttive di tipo tradizionale con l’uso di materiali poveri, facilmente reperibili sul territorio, ma soprattutto rinnovabili come la terra cruda.

Tuttavia, alla chiarezza degli intenti, non corrisponde ancora altrettanto impegno sul piano della ricerca e delle applicazioni, sia per quanto riguarda lo studio dei limiti e delle possibilità costruttive dei materiali ecocompatibili sia, più in generale, per quanto riguarda il necessario ripensamento dell’approccio progettuale nel suo complesso. In quest’ottica si inseriscono i risultati di seguito riportati che vogliono rappresentare un contributo allo studio e diffusione delle possibili applicazioni in ambito architettonico-costruttuivo del materiale terra cruda e delle tecniche di rinforzo con fibre naturali, ovvero ecocompatibili, che ne possono consentire l’utilizzo anche in zone sismiche.

La terra cruda, uno dei primi e più diffusi materiali (fig.1) da costruzione e autocostruzione nella storia dell’umanità, è stata utilizzata per edificare a tutte le latitudini ed in presenza di condizioni climatiche le più disparate ed estreme. Tra gli edifici più antichi costruiti in terra cruda che ancora oggi è possibile ammirare sono da annoverare la cittadella di Ghazni in Afghanistan, la fortezza di Paramonga in Perù, le Moschee di Mali, le chiese gesuitiche in Argentina, le case torri dello Yemen e le grandi cinte murarie di Marrakech.

Si stima che attualmente un terzo della

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Fig.1: Diffusione delle architettura di terra nel mondo [8]

Fig.2: Zone di diffusione della costruzione di terra cruda in Italia con l’indicazione delle tecniche costruttive [2]

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popolazione mondiale, viva o lavori in edifici costruiti in terra cruda. Le costruzioni in terra, anche se non sempre facilmente riconoscibili, sono molto diffuse anche in Italia (fig.2).

Non mancano esempi di opere di interesse architettonico, reperibili sia in Sardegna sia in altre regioni, né di zone in cui le architetture di terra hanno avuto una tale diffusione e un tale sviluppo da entrare a far parte dell’impianto delle città. Ne sono esempi il centro storico di Novi Ligure (Liguria), quasi interamente realizzato in terra battuta (pisé), di Terranova Bracciolini (Toscana), costituito da edifici realizzati in adobe o, ancora, quelli di Nicastro e Sambiase (Calabria).

Tutti questi centri mostrano un alto livello di organizzazione urbana, testimoniando così una lunga tradizione costruttiva in terra non relegata solo ad una diffusa edilizia rurale.

Accantonate dopo l’avvento del cemento armato, le tecniche costruttive in terra cruda, in seguito alla crisi energetica manifestatasi a partire dagli anni ’70, hanno di nuovo attirato l’attenzione e stimolato architetti, tecnici e ricercatori

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Fig.3: Modalità di applicazione del rinforzo in tessuto di juta su provini in terra cruda: (a) preparazione del provino; (b) applicazione della fibra; (c) stesura della matrice

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Compositi

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del settore delle costruzioni a riconsiderare i materiali ecosostenibili, il cui utilizzo fosse il più possibile compatibile con l’ambiente e riducesse il consumo di energia. Tra questi materiali si pone in primo luogo la terra cruda, riscoperta grazie al suo possibile e semplice riutilizzo poiché non comporta problemi di smaltimento alla fine del ciclo vitale dei manufatti, garantendo caratteristiche intrinseche di sostenibilità quali: • riduzione del consumo di energia nei processi di produzione del materiale (non energivoro) • riciclabilità e alto grado di riduzione dei residui di lavorazione • alto coefficiente di isolamento termico e controllo igrometrico • sostenibilità economica • facilità di reperimento • possibile impiego nell’autocostruzione.

L’errore di valutazione principale che si commette nei confronti dell’architettura di terra è di considerarla come utilizzata e utilizzabile esclusivamente dalle popolazioni più povere. In realtà esistono esempi molto interessanti di edifici pubblici contemporanei in terra cruda. L’architetto

austriaco Martin Rauch, ad esempio, ha disseminato l’Europa di importanti costruzioni in terra cruda portante, come ad esempio la Chiesa della Conciliazione a Berlino e lo Zoo di Basilea.

INCREMENTO DELLE PRESTAZIONI MECCANICHE Una buona par te delle costruzioni in terra è situata nell’area inclusa tra il Tropico del Cancro e il 50° parallelo Nord, caratterizzata da una sismicità medio-alta. Tale circostanza ha por tato all’accumulo di un bagaglio conoscitivo costituito dall’acquisizione delle diverse caratteristiche della materia prima utilizzata per realizzare costruzioni in terra cruda, delle specifiche condizioni climatiche e della sismicità dell’area.

Analogamente a quanto accade con altri materiali a limitata resistenza a trazione, la possibilità di recuperare gli edifici esistenti in zone soggette ad attività sismica, nonché di proporre nuove costruzioni con l’uso della terra cruda come materiale avente anche funzione strutturale, è for temente influenzata dalla capacità di realizzare un sistema di rinforzo capace di assorbire le azioni orizzontali. Per migliorare le caratteristiche meccaniche di elementi strutturali in terra cruda, attualmente vengono utilizzati sia degli stabilizzanti, aggiunti alla miscela, sia vari tipi di fibre: cor te o lunghe, naturali o sintetiche, miscelate nell’impasto o applicate all’elemento strutturale. Diverse analisi sperimentali effettuate presso il Laboratorio Ufficiale Prove Materiali e Strutture dell’Università degli Studi di Firenze hanno mostrato che, tra gli stabilizzanti sperimentati, il gesso, aggiunto in quantità oppor tuna, è capace di ridurre gli effetti dovuti al ritiro, di migliorarne la durabilità e di incrementare i valori delle prestazioni meccaniche delle strutture in terra. Il gesso, inoltre, è uno stabilizzante biocompatibile, di basso costo e, se usato nelle debite proporzioni, non compromette la possibilità di riutilizzare la terra come humus per le coltivazioni alla fine della vita utile del manufatto.

Il rinforzo strutturale, invece, può essere realizzato con fibre naturali di origine vegetale come le fibre di ginestra, di lino, di canapa, di iuta, così come quel-

Ritorno alla terra provini

Resistenza a compressionemedia

Resistenza a trazione per flessione media

Provini di terra

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0,95 MPa

Provini di terra stabilizzata con 15% 3,9 MPa gesso

Fissalo bene in testa

1,4 MPa

Tab.1: Resistenza media a trazione e a compressione della terra cruda utilizzata nella campagna sperimentale

le derivanti da bambù, da ananas e cocco. Le fibre naturali sono disponibili in grandi quantità, sono rinnovabili, presentano una bassa densità ed un costo modesto, nonché proprietà meccaniche tali da renderle interessanti per la realizzazione di materiali compositi fibro-rinforzati. Da prove preliminari eseguite presso il Laboratorio Ufficiale Prove Materiali e Strutture dell’Università degli Studi di Firenze è emerso che, tra le tipologie di fibre naturali precedentemente citate, quelle di juta sono particolarmente adatte per la realizzazione di rinforzi di elementi strutturali in terra cruda, in quanto presentano delle buone caratteristiche meccaniche e garantiscono una buona adesione con il materiale terra cruda. Il tessuto utilizzato per i test sperimentali è realizzato esclusivamente con fibre naturali di juta, le quali si ricavano dal fusto delle piante del genere Corchorus, appartenente alla famiglia delle Malvaceae. Queste presentano una colorazione che va dal bianco al giallognolo al bruno, sono ruvide, tenaci e altamente igroscopiche.

ANALISI SPERIMENTALE ■ Caratterizzazione meccanica della terra cruda La terra è un materiale formato da aggregati granulari, non legati tra loro, che possono essere separati applicando modeste sollecitazioni meccaniche o per mezzo di un più o meno prolungato contatto con l’acqua. Le terre derivano da un complesso insieme di fenomeni e processi che coinvolge la crosta terrestre, pertanto le loro caratteristiche sono molto variabili.

Il materiale terra cruda è il risultato della miscela di materiali naturali, quali argilla, inerti e acqua. Anche le caratteristiche meccaniche della terra cruda possono essere molto variabili, in quanto dipendono sia dalla qualità dei materiali di partenza, sia dalle modalità e dalle percentuali di miscelazione. Un corretto approccio all’analisi del comportamento strutturale delle costruzioni in terra cruda non può prescindere da una completa caratterizzazione meccanica del particolare materiale utilizzato.

I parametri meccanici fondamentali della terra cruda utilizzata nelle prove sperimentali, sono stati determinati mediante prove comunemente utilizzate per materiali aventi analoghe caratteristiche. In particolare, sono state utilizzate prove di compressione e di flessione su tre punti. La resistenza media a trazione e a compressione ottenuta da tali prove è riportata nella tabella 1.

Il campione di terra esaminato è stato prelevato in zona Musciano nel comune di Montopoli in Val d’Arno, nella provincia di Pisa. I valori di resistenza media riguardano provini realizzati con il 12% (in peso) di acqua.

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Fig.4: Prova di flessione su tre punti eseguita su provini in terra cruda: (a) fase di carico; (b) collasso del provino

La bassa dispersione dei risultati ottenuti testimonia come anche per questi materiali sia possibile raggiungere un buon livello di approssimazione sia nella determinazione dei valori da assegnare alle caratteristiche meccaniche, sia nella definizione qualitativa del loro comportamento meccanico.

■ Prove su elementi strutturali La terra cruda presenta un comportamento a trazione di tipo fragile, da cui deriva una scarsa capacità dissipativa che può rendere tale materiale poco adatto ad utilizzi strutturali in zone sismiche. Cionondimeno, analogamente a quanto viene fatto per altri materiali a limitata resistenza a trazione, il carico di picco e, soprattutto, la duttilità degli elementi strutturali in terra cruda possono essere incrementati applicando delle strisce o fasce di rinforzo in grado di assorbire tensioni normali di trazione.

Nel presente lavoro sono stati analizzati elementi strutturali in terra cruda rinforzati mediante un tessuto di juta che, essendo completamente biocompatibile, preserva le caratteristiche di sostenibilità del materiale di partenza. L’applicazione di questo tipo di rinforzo, anche su elementi strutturali esistenti, è molto semplice (fig.3) Prima dell’applicazione del tessuto di juta, la superficie dell’elemento di terra da rinforzare viene inumidita (fig.3.a). Il tessuto, anch’esso bagnato, viene posizionato sulla super ficie dell’elemento strutturale (fig.3.b) e viene fissato con una matrice di terra (85%) e di gesso (15%) (fig.3.c).

■ ■ Prove di flessione su tre punti Le prove di flessione su tre punti sono state effettuate su dodici provini prismatici di dimensioni 8x30x8 cm. Per sei di questi è stata utilizzata terra stabilizzata con l’aggiunta del 15% (in peso) di gesso, mentre quattro sono stati rinforzati con tessuto di juta, applicato già in fase di confezionamento dei provini. Gli appoggi sono stati posti ad una distanza di 28 cm.

I risultati delle prove mostrano che, per lo schema strutturale considerato, l’applicazione del rinforzo non porta ad un sensibile incremento di resistenza. Viceversa, si ha un notevole incremento della “duttilità” dell’elemento strutturale: i provini non rinforzati mostrano una modalità di rottura di tipo fragile (fig.4), mentre i provini rinforzati raggiungono il collasso per una freccia di circa 2 cm, pari al 7% della luce (fig.5) libera del provino.

■ ■ Prova su arco Al fine di valutare gli effetti stabilizzanti del gesso e l’incremento delle prestazioni meccaniche dovute alla presenza del rinforzo in tessuto di juta, sono stati testati due archi, uno in terra e uno in terra (85%) e gesso (15%). Gli archi sono stati realizzati con la tecnica del pisè. Pertanto è stato necessario, in primo luogo, progettare e realizzare una centina che, oltre a fungere da sostegno provvisorio, avesse le caratteristiche di una cassaforma.

Lo spessore della centina è di 20 cm, la luce è pari a 93 cm, mentre il raggio è di 32,44 cm. Per la costruzione degli archi è stata utilizzata una quantità di acqua pari a circa il 12% in peso, che consente una buona lavorabilità dell’impasto e ne

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c Fig.5: Prova di flessione su tre punti eseguita su provini in terra cruda rinforzati all’intradosso con tessuto di juta: (a) fase di carico; (b) collasso del provino; (c) particolare

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Fig.6: Prova di carico eseguita su un arco in terra cruda: (a) fase di carico; (b) meccanismo di arco a quattro cerniere

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Fig.7: Applicazione del rinforzo in tessuto di juta sull’arco in terra cruda: (a) particolare della fase di applicazione; (b) arco rinforzato all’intradosso e all’estradosso

garantisce una buona resistenza. La battitura è avvenuta per strati radiali successivi di circa 2 cm partendo dalle imposte.

Al termine di 30 giorni di maturazione l’arco di terra ha subito un notevole ritiro con conseguente cambio di geometria e formazione agli appoggi di due cerniere; in questa fase è stato registrato un abbassamento in chiave pari a 3,6 cm. L’arco stabilizzato con il gesso, invece, dopo lo stesso periodo di maturazione ha subito un ritiro molto inferiore: la geometria risultava pressoché invariata rispetto a quella iniziale. A differenza del primo, nell’arco di terra e gesso non erano visibili cerniere agli appoggi e l’abbassamento in chiave era di circa 1 cm.

I due archi sono stati caricati asimmetricamente con un’azione distribuita su di un segmento pari alla profondità dell’arco in corrispondenza dell’estradosso. Le prove sono state condotte in controllo di spostamento.

Il carico di picco registrato è stato di

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Compositi

446 kg per l’arco di sola terra e di 528 kg per l’arco di terra additivata con il 15% di gesso. In entrambi i casi il collasso è avvenuto secondo il classico meccanismo di arco a quattro cerniere [12]. Il carico e la modalità di collasso sono compatibili con quanto previsto utilizzando una classica analisi limite.

Al termine della prova, gli archi sono stati rinforzati con tessuto di fibre di juta, fissato con matrice di terra e 15% di gesso. Sono state posizionate due strisce continue di tessuto di juta, una all’intradosso e una all’estradosso. Per l’applicazione è stato necessario inumidire le superfici dell’arco sulle quali, poi, è stata applicata la fibra secondo la procedura descritta in figura 3. Il tessuto, tagliato in modo che la sua larghezza fosse di poco superiore a quella dell’arco, è stato anch’esso inumidito prima della messa in opera con uno strato di pochi millimetri di spessore di matrice in terra e gesso.

Passate 24 ore dall’applicazione del rinforzo è stata ripetuta la prova di carico secondo la procedura utilizzata per gli archi non rinforzati. I carichi di picco registrati in questa fase sono stati di circa 1720 kg per l’arco in terra e gesso e di 1500 kg per l’arco in sola terra.

Il carico di picco registrato sugli archi rinforzati è stato quindi pari a circa tre volte il carico massimo applicato sugli archi non rinforzati. La rigidezza dei due modelli, a parte un breve tratto iniziale, è quasi identica. Al collasso gli archi rinforzati mostrano delle ampie zone plasticizzate coni forti concentrazioni di deformazione. Il rinforzo si è staccato dal supporto solo in corrispondenza delle zone in cui era presente una concentrazione di tensioni di trazione. Il distacco è stato indotto piuttosto da azioni di peeling generati dalla curvatura della struttura. Non si è registrato il distacco totale del rinforzo che ha impedito il collasso finale della struttura.

Ritorno alla terra >>

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Fig.8: Prova di carico eseguita su un arco in terra cruda rinforzato con tessuto di juta: (a) fase di carico; (b)-(d) fase di collasso

CONCLUSIONI I risultati delle indagini sperimentali mostrano che: • il gesso è un ottimo stabilizzante per la terra cruda in quanto ne incrementa le caratteristiche meccaniche e ne diminuisce il ritiro, pur preservando le caratteristiche di biocompatibilità del materiale di partenza • i rinforzi in fibre di juta applicati su elementi strutturali in terra cruda ne migliorano le prestazioni meccaniche, incrementando i valori sia del carico di picco, sia della duttilità e, di conseguenza, la capacità dissipativa.

Il rinforzo in fibre di juta può essere efficacemente utilizzato per il miglioramento strutturale di edifici esistenti.

Inoltre, la notevole duttilità acquisita dalla terra cruda rinforzata con fibre naturali rende il sistema idoneo alla realizzazione delle strutture por tanti di edifici di modeste dimensioni anche in zone sismiche.

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BIBLIOGRAFIA • REFERENCES

[1] A.A.V.V. (2011) Earth/Lands Architetture in terra nell’Italia del sud, Edizioni ETS [2] Baldacci, O., 1958: L’ambiente geografico delle case di terra in Italia. Rivista Geografica Italiana LXV. Firenze, Nuova Italia [3] Bertagnin M. 1999, Architetture di terra in Italia: tipologie, tecnologie e culture costruttive, Edicom Edizioni [4] Briccoli Bati S. (2003) Caratteristiche meccaniche del materiale da costruzione terra cruda. In: La costruzione in terra cruda in Italia,verso una normativa nazionale, Bollini G e Lion M ( a cura di) Edizioni editoriali Eco: dalle testimonianze archeologiche all’architettura sostenibile, Caltanissetta, 29 Giugno 2007 [5] Briccoli Bati S. (2008). Rifl essioni su di un possibile futuro delle costruzioni in terra.

In: La terra cruda nelle costruzioni: dalle testimonianze archeologiche all’architettura sostenibile, Caltanissetta, 29 Giugno 2007 [6] Briccoli Bati S. (2010). I limiti della terra come materiale da costruzione: Venti anni di

ricerche sul comportamento meccanico del materiale e delle costruzioni in terra cruda.

In: AA.VV.. Scritti sulla terra, Saonara (PD): il prato [7] Como M.(2010) Statica delle costruzioni storiche in muratura: Archi, volte, cupole, architetture monumentali, edifi ci sotto carichi verticali e sotto sisma, Edizioni Aracne [8] CRAterre (1990) Costruir con tierra, Fondo rotatorio editorial [9] Galdieri E. 1982, Le meraviglie dell’architettura in terra cruda, Laterza, Bari [10] Germanà M.L. e Panvini R. (2008) La terra cruda nelle costruzioni, dalle testimonianze archeologiche all’architettura sostenibile, Politecnico Mediterraneo [11] Giuffrè A. La meccanica dell’architettura. La statica, NIS Roma [12] Heyman J. (1995) The stone skeleton, Cambridge University press [13] Raviolo P.L. 1993, Il laboratorio geotecnico: procedure di prova, elaborazione, acquisizione dati, Editrice Controls, Milano.

Compositi

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b

Building

by Silvia Briccoli Bati, Mario Fagone, Federica Loccarini, Giovanna Ranocchiai

Back to the earth

The results of a campaign of mechanical tests on structural elements made of unbaked earth, before and after reinforcement with natural jute fibers, show how one of the oldest building materials can be used even today with the bonus of significant environmental benefits. n recent years, sustainable energy and resource management issues have been giving an increasing push to eco-friendly materials and construction systems. This imposes the use of traditional building techniques with the use of poor materials, which can be easily available within the working area, and especially renewable materials such as unbaked earth. However, the clarity of intent is not matched by an adequate effort in terms of research and applications, yet, both concerning the study of limitations and building opportunities of eco-friendly materials and more generally concerning the need to rethink the design approach as a whole. The following results are set within this framework and they want to represent a contribution to the study and dissemination of possible applications in building and architecture of unbaked earth as a material and of reinforcement techniques exploiting natural (i.e. environment-friendly) fibers which could allow the use of such material in seismic areas.

Unbaked earth, one of the earliest and most common building and self-building materials (fig.1) in the history of mankind, has been used for construction purposes at all latitudes and in the most diverse and extreme climate conditions. Among the oldest buildings built with raw earth that can still be seen today we can cite the citadel of Ghazni in Afghanistan, the fortress of Paramonga in Peru, the Mosques in Mali, the Jesuit churches in Argentina, the tower houses in Yemen and the great city walls of Marrakech.

Estimates are that one third of the world population lives or works in buildings made of unbaked earth. Earth buildings, though not always easily recognizable, are also widespread in Italy (fig.2).

There are several examples of works of

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Compositi

architectural interest which can be foung both in Sardinia and in other regions or areas in which earth architecture have had a diffusion and development such that they have fully become part of the urban structure. Examples include the old town of Novi Ligure (Liguria), almost entirely made of rammed earth, that of Terranova Bracciolini (Tuscany), consisting of buildings made of adobe, or even the old towns of Nicastro and Sambiase (Calabria). All of these towns show a high level of urban organization, thus demonstrating the presence of a historical raw earth building tradition that is not limited to a widespread rural housing.

After being set aside with the advent of reinforced concrete, following the energy crisis which occurred since the 70s unbaked earth building techniques have been once again drawing attention and stimulating architects, engineers and scientists in the building industry to reconsider eco-friendly materials, whose use could be as much as possible compatible with the environment and reduce energy consumption. Unbaked earth stands out among these materials. Its comeback is due to its recycling opportunities as it does not involve disposal issues at the manufacts’ end of life and thus yields intrinsic sustainability features such as: • Reduction of energy consumption during the manufacturing process of the material (i.e. the material is not energy-intensive) • Recyclability and high degree of reduction of processing residues • High thermal insulation and hygrometric control coefficient • Economic sustainability • Easy to find • Possible use in self-building.

The main misconception about unbaked earth architecture is considering its use and applicability exclusively in the poorest frameworks. As a matter of fact, there are

some very interesting examples of contemporary public buildings made of raw earth.

For instance, the Austrian architect Martin Rauch disseminated prominent examples of clay buildings throughout Europe, such as the Church of Reconciliation in Berlin and Basel Zoo.

INCREASE IN MECHANICAL PERFORMANCE A large part of earthen buildings is located in the strip included between the Tropic of Cancer and the 50th parallel north, an area characterized by a medium-to-high seismic activity. This circumstance led to the creation of a know-how background based on the knowledge of the different characteristics of the raw material used to make earth buildings, of the specific climate conditions and of the local seismic activity. Similarly to what happens with other materials featuring limited tensile strength, the opportunity of reclaiming the existing buildings in potentially seismic areas as well as of offering new buildings implementing earth as a structural material is strongly influenced by ability to realize a reinforcement system capable of absorbing horizontal stresses. In order to improve the mechanical characteristics of the structural elements in raw earth, both the addition of stabilizers to the mixture and various types of fibers (short or long, natural or synthetic, mixed in the paste or applied to the structural element) are currently in use. Several experimental tests carried out at the Official Laboratory for Testing of Materials and Structures at the University of Firenze showed that, among a range of tested stabilizers, the addition of a controlled amount of chalk can reduce shrinkage effects, improve the durability and increase the mechanical performance values of earth structures. Chalk is also a biocompatible stabilizer, it is low-cost material and, if used in the proper proportions, does not compromise the possibility of recycling the earth as humus in agriculture at the end of life of the manufacts.

On the other hand, the structural reinforcement can be made with natural fibers of plant origin such as broom, flax, hemp, jute, as well as fibers extracted from bamboo, pineapple and coconut. Natural fibers are available in large quantities, they are renewable, have a low density and a low cost, and they also feature mechanical properties that make them interesting for the production of

english text

Department of Civil and Environmental Engineering, University of Firenze

fiber-reinforced composite materials. Preliminary tests carried out at the Official Laboratory for Testing of Materials and Structures at the University of Firenze showed that among all sorts of natural fibers previously mentioned, jute fibers are particularly suitable for the production of reinforcements of structural elements in raw earth, as they possess good mechanical characteristics and guarantee a good adhesion to the earthen material. The fabric used for the experimental tests was made with natural jute fibers exclusively, which are extracted from the stem of plants in the genus Corchorus, from the family Malvaceae. These have a colour ranging from white to yellow to brown, they are rough to the touch, tough and highly hygroscopic.

EXPERIMENTAL ANALYSIS â– Mechanical characterization of unbaked earth Earth is a material formed from granular ag-

gregates, which are not bonded together and hence may be separated by applying modest mechanical stresses or by means of a more or less prolonged contact with water.

Earthen materials are the consequence of a complex series of phenomena and processes involving the earth’s crust, so they possess strongly variable and diverse characteristics.

The earthen material is the result of a mixture of natural materials, such as clay, aggregates and water. The mechanical characteristics of raw earth can be highly variable, too, as they depend both on the quality of the starting materials and on the mixing process and composition. A correct approach to the analysis of the structural behaviour of buildings made of unbaked earth cannot be separated from a complete mechanical characterization of the specific material in use.

The basic mechanical parameters of the earthen material used in the experimental

tests were determined by means of tests commonly used for materials having similar characteristics. In particular, compression and three-point bending tests have were carried out. The average tensile and compression strengths obtained from these tests are shown in Table 1.

The examined earth sample was collected in the Musciano area, in the municipality of Montopoli in Val d’Arno, province of Pisa.

The average resistance values refer to specimens containing 12% water by weight.

The low dispersion of the results obtained for these materials also shows how it is possible to achieve a good level of approximation both in the determination of the values of the mechanical characteristics and in the qualitative definition of their mechanical behaviour. â– Tests on structural elements Raw earth shows a tensile behaviour typical of brittle materials and as a consequence it

Sistemi Siste emi FRP Dosatori e pistole per applicazioni di gelcoat e fibre di vetro

GRACO BVBA 4MBLXFJEFTUSBBU 4MBLXFJEFTUSBBU t # .BBTNFDIFMFO t 5FM

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Building

has very low stress dissipation properties making it not suitable for a structural use in seismic areas. Nevertheless, similarly to other materials with a reduced tensile strength, the peak load and most of all the ductility of unbaked earth structural elements can be increased by means of the application of reinforcement strips or bands that can absorb normal tensile stresses.

In the present work we used raw earth structural elements, reinforced by means of a jute fabric whose complete biocompatibity ensures the sustainability features of the original material. The application of such reinforcement is very simple even on pre-existing structural elements (fig.3). Before the application of the jute fabric the surface of the earthen element we want to reinforce is dampened (fig.3a). The fabric is also moistened and is placed on the surface of the structural element (fig.3b), then it is attached by means of a matrix made of earth (85%) and chalk (15%) (fig.3c).

■ ■ Three-point bending test Three-point bending tests were performed on twelve prismatic specimens of size 8x30x8 cm. Six of them were stabilized with the addition of chalk (15% weight) while four were reinforced with the application of jute fabric during the manufacturing of the specimens. The supports were placed at a distance of 28 cm.

Experimental results show that the application of a reinforcement does not lead to an appreciable increase in strength for the structural scheme considered here. On the contrary, the ductility of the structural element is greatly increased: non-reinforced specimens show a brittle fracture behaviour (fig.4), while reinforced samples break when the crack is about 2 cm long (fig.5).

■ ■ Tests on arches In order to evaluate the stabilizing effect of chalk and the increase of mechanical performance due to the jute fabric reinforcement, two arches were tested, one of which was made of earth and the other one of earth (85%) and chalk (15%). The arches were built by means of the rammed-earth technique. Therefore the design and implementation of a centring was necessary in the first place, in order to have both a temporary support and a formwork. The centring thickness was 20 cm, the span 93 cm and the radius 32.44 cm. The amount of water used in the construction of the arches was

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Compositi

about 12% the total weight, thus providing a workable and resistant paste. The mixture was pressed in successive radial layers of about 2 cm starting from the imposts. After 30 days of hardening the arch had undergone a significant shrinkage and consequent geometric modifications such as the formation of hinges at the supports. We measured a lowering of the keystone as large as 3.6 cm. Conversely, the chalk-stabilized arch shrunk much less during the same time span: the geometry appeared almost unaltered with respect to the original shape, no hinges were visible and the keystone lowering measured about 1 cm.

The two arches were asymmetrically loaded distributing the force on a segment equal to the arch depth at the extrados. Tests were performed under displacement control.

Peak loads of 446 kg and 528 kg were measured in the case of earthen material only and earth plus 15% chalk, respectively.

In both cases the failure followed the typical four-hinge mechanism [12]. Loads and failure behaviour are compatible with the predictions of a standard limit analysis.

At the end of the test, the arches were reinforced with jute fiber fabric attached with a matrix of earth and 15% of chalk. Two continuous strips of jute fabric were placed at the intrados and extrados. It was necessary to dampen the surfaces of the arc, where fiber strips where then placed according to the procedure described in fig. 3. The fabric was cut in such a way that its width were slightly greater than that of the arc and it was also moistened before it was laid up with an earth and chalk matrix of a few-millimeter thickness.

After 24 hours since the application of the reinforcement the load test was repeated following the protocol used in the case of non-reinforced arches. Peak loads recorded at this stage were about 1720 kg for the arch made of unbaked earth and chalk and 1500 kg for the arch made of earth only.

Therefore the peak load recorded for reinforced arches was about three times the maximum load imposed on non-reinforced arches. The stiffness of the two structures is almost identical, apart from a brief initial segment. Large plastic areas with a concentration of deformation stresses were present at failure. The reinforcement detached from the support only in areas corresponding to strong tensile stresses. The detachment was specifically induced by peeling actions generated by the curved shape of the

Back to the earth structure. A complete detachment of the reinforcement did not occur, which avoided the complete collapse of the structure.

CONCLUSIONS The results of the experimental investigations show that: • chalk is a very good stabilizer for raw earth as it improves mechanical properties and decreases shrinkage, while preserving the characteristics of biocompatibility of the original material • jute fiber reinforcements applied on rawearth structural elements improve their mechanical performance, increasing their maximum load values as well as their ductility and hence their stress dissipation properties.

Jute fiber reinforcement can also be effectively employed for the structural improvement of pre-existing buildings. Moreover, the considerable ductility acquired by raw earth when reinforced with natural fibers makes allows for the realization of structural elements in small buildings even in seismic areas.

■

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: World dissemination of earth architecture [8] Fig.2: Areas of dissemination of raw earth building in Italy with indication of building techniques [2] Tab.1: Average tensile and compression strength of the unbaked earth used in the experimental campaign Fig.3: Application method used for the jute fabric reinforcement on raw earth specimens: (a) Specimen preparation; (b) Fiber application; (c) Matrix lay-up Fig.4: Three-point bending test performer on raw earth specimens: (a) Loading stage; (b) Specimen failure Fig.5: Three-point bending test performer on raw earth specimens reinforced with jute fabric at the intrados: (a) Loading stage; (b) Specimen failure; (c) Detail Fig.6: Loading test performer on a rammed earth arch: (a) Loading stage; (b) Four-hinge failure mechanism Fig.7: Application of the jute fabric reinforcement on the rammed earth arch: (a) Detail of the application procedure; (b) Arch reinforced at intrados and extrados Fig.8: Loading test performer on a rammed earth arch reinforced with jute fabric: (a) Loading stage; (b)-(d) Failure stage

Persico:Tecnologie all’avanguardia

ENGINEERING

D I V I S I O N

EcoCut: i vantaggi dell’automazione

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empre più apprezzati per le loro proprietà, i materiali compositi trovano un limite applicativo nella scarsa automazione dei cicli di lavorazione, che comportano un maggior impiego di manodopera, tempi di processo più lunghi con conseguenti incrementi di costi.

Aspetti che mal si conciliano con le esigenze dei settori ad alta produttività, come l’automotive, dove l’attuale tecnologia di lavorazione, fatica a sostenere la produttività necessaria alla realizzazione di auto in serie, problema che si pone anche nel caso della produzione di auto speciali.

L’industrializzazione dei processi produttivi rappresenta pertanto una delle principali sfide per l’intero comparto. Una sfida raccolta da Persico Automotive, la divisione di Persico S.p.a. specializzata nello sviluppo di attrezzature per la produzione di rivestimenti interni, isolamenti acustici e termici di vetture e veicoli industriali. Forte di una notevole esperienza maturata nel campo dei processi per il settore automobilistico e potendo contare sulla profonda conoscenza dei materiali e delle tecniche di lavorazione dei compositi maturata dalla Persico Marine, divisione dell’azienda dedicata al comparto nautico, oggi Persico Automotive si propone come fornitore di soluzioni tecnologiche innovative chiavi in mano per la produzione di componenti per auto realizzati in composito.

L’offerta tecnologica all’industria dell’automotive va dalle soluzioni automatizzate per piccole e medie produzioni con la tecnica della RTM, fino allo stampaggio in pressa di compositi termoplastici e termoset a fibra continua e compositi carbon-SMC a fibra corta per le grandi produzioni. Nello specifico per quanto riguarda la tecnologia della RTM Persico offre una linea completa di produzione, dallo svolgimento del rotolo di fibra secca (tipicamente NCF – non crimped fabric) fino alla rifilatura finale dopo iniezione della resina, comprendendo quindi stampi RTM, presse e sistemi di iniezione.

All’interno della linea, Persico Automotive ha introdotto uno step tecnologico fortemente innovativo, il sistema EcoCut, la soluzione al problema del taglio della preforme “secche” in 3D, una delle fasi più dispendiose in termini di tempo e di costi dell’intero processo RTM.

Dopo il taglio 2D del materiale e la preformatura della struttura attraverso termoformatura, i pezzi a tridimensionalità molto spinta, come ad esempio una scocca strutturale, i parafiamma, lo schienale del sedile, devono essere rifilati a mano con estrema accuratezza, prima del loro inserimento nello stampo ad iniezione o del loro assemblaggio con altre preforme.

In questo contesto si inserisce il sistema EcoCut, che esegue in automatico il taglio tridimensionale della struttura preformata. Il sistema è costituito da un robot antropomorfo a 6 assi, dotato all’estremità di una speciale testa pneumatica sviluppata e brevettata da Persico, a sua volta dotata di una lama oscillante in acciaio ad alta resistenza. La preforma semifinita è posizionata sulla dima di taglio 3D, anch’essa di sviluppo Persico, alla quale aderisce omogeneamente su tutta la superficie di taglio.

A guidare il robot nelle operazioni è un software, di uso facile ed intuitivo, che, partendo da un disegno CAD del componente finale che si vuole realizzare, consente di impostare off line tutti i parametri del percorso di taglio in modo da ottenere il profilo esatto della figura desiderata senza calibrazioni speciali o particolari riscontri sulla dima di taglio.

Eliminando l’intervento manuale dell’operatore, il sistema consente all’utilizzatore un netto salto di qualità: affidabilità, ripetibilità e precisione sono i principali vantaggi garantiti, che si traducono in un netto incremento della qualità della struttura lavorata e in una drastico abbattimento dei tempi di ciclo e dei costi di processo.

A questo si aggiunge l’estrema flessibilità del sistema, che la rende ideale per produzioni just-in-time, sia per ciò che riguarda i materiali da processare, sia per le possibilità di configurazione dell’isola di taglio all’interno della linea. EcoCut, infatti, è in grado di tagliare strutture composte anche da 5 strati triassiali di NCF di fibra di carbonio, con uno spessore di circa 6 mm. L’isola, inoltre, come tutte le soluzioni proposte da Persico, può essere personalizzata sulla base delle esigenze, delle dimensioni e del tempo ciclo che il cliente vuole ottenere dalla linea.

EcoCut powered by Persico Persico has developed and patented a special EcoCut cutting head that can cut through dry carbon-fibre preforms up to 6-mm thick. As is well known, EcoCut 3D-cutting technology means precision, repeatability, simplicity and flexibility, as well as low-cost management.

• First, a material sandwich is heated up in an infrared oven and then automatically unloaded into a thermoforming mould.

• H ere the piece is pressed into a preform shape ready to be transferred to the EcoCut 3D-cutting island.

• After the cutting pattern is calculated using offline CAD-CAM software, the EcoCut robot trims away the excess material all along the contour of the semi-finished preform.

• Lastly, the trimmed preform is transferred into an RTM mould for resin injection and final setting of the part.

Persico Automotive Division - Via Vasvecchio 6/A Nembro (Bg) Italy ph. +39 035 4531611 f. +39 035 4531612 automotive@persico.com persico.com

La rifilatura delle strutture preformate con una tridimensionalità molto spinta è una delle fasi più dispendiose in termini di costi e di tempi dell’intero processo RTM. Persico Automotive ha trovato la soluzione al problema: il sistema Ecocut, che esegue l’operazione in automatico direttamente all’interno della linea.

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Infrastrutture

* D’Appolonia S.p.A

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di Daniela Reccardo, Alessandro Bozzolo, Donato Zangani *

Un ponte per la competitività Sviluppare strutture modulari in composito da assemblare in cantiere per la realizzazione di infrastrutture di trasporto. È l’obiettivo del progetto europeo Trans-IND che ha portato all’industrializzazione dell’intero processo di fabbricazione di strutture come viadotti e ponti, ottimizzando tempi e costi di costruzione. vviato nel 2009, con un budget di circa 10 milioni di euro cofinanziato dalla Commissione Europea (all’interno del settimo programma quadro 2007-2013), il progetto europeo TransIND è ormai prossimo alla conclusione.

Alla sua base un ambizioso obiettivo: industrializzare un processo di costruzione delle infrastrutture per i trasporti come ponti, viadotti e passerelle pedonali, mediante l’utilizzo di elementi prefabbricati in materiale composito. Lo scopo è ridurre i costi di realizzazione delle strutture e rendere competitivo l’uso dei compositi rispetto ai materiali da costruzione convenzionali.

Come materiale strutturale, i compositi offrono ai progettisti una combinazione di particolari caratteristiche di cui i tradizionali materiali da costruzione come calcestruzzo, acciaio e legno non dispongono.

In particolare, il vantaggioso rapporto di rigidezza e resistenza rispetto al peso che li rende materiali ideali agli occhi dei progettisti incaricati di costruire strutture sempre più performanti, limitando costi di progettazione, realizzazione e manutenzione.

Obiettivo che, dopo quattro anni di lavoro, è stato tradotto in realtà dal Consorzio di 20 partner, provenienti da 9 diversi paesi europei, tra cui centri di ricerca, università e realtà industriali, che ha condotto il progetto.

Le attività di ricerca si sono focalizzate su numerosi ambiti al fine di ottimizzare l’intera filiera di realizzazione delle infrastrutture civili, a par tire dalla progettazione e produzione degli elementi fino all’assemblaggio in cantiere, tenendo conto di numerosi aspetti correlati quali la logistica, il traspor to, la manutenzione e l’eventuale smantellamen-

A

to o riciclo. In par ticolare, la ricerca si è orientata verso la messa a punto di sistemi automatizzati di produzione delle preforme e dei componenti attraverso l’utilizzo di sistemi automatici e robotizzati che consentono di ottimizzare la produzione, ridurre gli scar ti ed aumentare la produttività.

RISULTATI Il risultato più importante è rappresentato dal sistema Trans-IND, che consiste in un processo di costruzione integrata efficiente e conveniente sotto molteplici punti di vista. In particolare, il sistema sviluppato consente di massimizzare l’industrializzazione dei processi produttivi dei principali

Fig.1: Proprietà dei materiali compositi

Fig.2: Filiera di realizzazione e ciclo vita delle infrastrutture civili

Compositi

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Infrastrutture

Un ponte per la competitività >>

Fig.3: Braccio robotico per l’assemblaggio meccanizzato dei componenti (Riferimento: ITIA-CNR)

Fig.4: Schema 2D del ponte Trans-IND

componenti per le infrastrutture di trasporto usando materiali a base polimerica come fibre di carbonio, fibre di vetro, etc. Questo sistema comprende l’intera gamma di attività, a partire dalla raccolta dei requisiti fondamentali dei principali interlocutori per la progettazione modulare, la realizzazione, la logistica, il trasporto e l’assemblaggio dei componenti per le infrastrutture civili con l’ausilio di strumenti ICT specifici per gestire in maniera ottimale tutto il processo.

Le fasi di assemblaggio sono rese facili ed efficienti grazie alle soluzioni modulari ed alle connessioni studiate nel corso del progetto, congiuntamente all’uso intelligente di sistemi di identificazione a radio frequenza (RFID) che migliorano il controllo e la tracciabilità dei flussi di

materiale e dei componenti. L’impiego dei materiali compositi, inoltre, permette l’uso di macchinari e gru più leggeri, agili e versatili. Le applicazioni robotiche dotate di sistemi di posizionamento intelligenti garantiscono infine la più totale efficienza del cantiere in opera.

I risultati di progetto sono inoltre rappresentati dagli elementi principali che costituiscono un’infrastruttura di trasporto complessa e completa come il ponte, considerando componenti sia strutturali, come travi e impalcati, sia secondari, come barriere acustiche e dispositivi di sicurezza.

Durante gli ultimi anni il Consorzio è stato impegnato principalmente nella realizzazione e nell’assemblaggio dei principali componenti del ponte Trans-

IND che è stato costruito presso un sito dimostrativo a Madrid, in Spagna, messo a disposizione da Acciona Infrastructures, Coordinatore tecnico del progetto.

Il dimostratore è interamente costituito dai componenti in composito sviluppati nel corso del progetto e rappresenta il risultato concreto e visibile degli sforzi compiuti in questi quattro anni durante i quali tutti i partner del Consorzio hanno contribuito, ciascuno secondo le specifiche competenze, a raggiungere l’obiettivo di realizzare una porzione di 2 m di ponte in scala reale.

Le attività alla base dei risultati ottenuti comprendono la progettazione e la realizzazione degli elementi, i sistemi di controllo dimensionale e morfologico, le soluzioni per l’assemblaggio attraverso

Fig.5: Schema 3D del ponte Trans-IND

Compositi

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Infrastrutture

Un ponte per la competitività >>

Fig.6: Dimostratore del ponte Trans-IND

sistemi di posizionamento intelligenti e l’adattamento dei dispositivi robotici per le fasi di montaggio.

CONCLUSIONI

Fig.7: Trave Trans-IND in materiale composito

Il progetto Trans-IND ha realizzato prodotti di grande valore aggiunto in chiave sostenibile attraverso la progettazione, realizzazione ed assemblaggio di componenti in materiale composito. La tipologia di approccio sviluppata è essenziale non solo per prevenire la migrazione delle industrie europee che lavorano nel campo delle costruzioni civili, ma anche per creare nuove filiere di industrie tecnologicamente avanzate che genereranno crescita e nuovi impieghi in Europa.

In tal modo si contribuisce ad accrescere la produttività dell’industria delle costruzioni europea, incrementando la conoscenza di nuove applicazioni che generano prodotti competitivi, insieme a servizi, processi e tecnologie in grado di soddisfare tutte le richieste dei principali attori del sistema, andando ad agire nella fase della catena di produzione più indicata per ottimizzare i risultati.

■ Ringraziamenti Si ringrazia il Consorzio di Trans-IND (www.trans-ind.eu) che ha collaborato con D’Appolonia durante i quattro anni di progetto e la Commissione Europea che ha contribuito a finanziare la ricerca nell’ambito del settimo programma quadro (FP7).

Fig.8: Barriere di sicurezza Trans-IND in materiale composito

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Compositi

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All the mentioned figures...

Infrastructures

by Daniela Reccardo, Alessandro Bozzolo, Donato Zangani - D’Appolonia S.p.A

A bridge to competitiveness

Development of composite modular structures to be assembled on site for the construction of transport infrastructure. This is the goal of the Trans-IND European project that has led to the industrialization of the entire building process of structures such as viaducts and bridges with the optimization of construction time and costs. rans-IND project focuses on the study and development of an innovative industrialized construction process for transport infrastructures based on composite materials components.

Started on June 2009, with a budget of 10 million Euros and a total duration of four years, Trans-IND today is approaching to the final stage, officially fixed by the end of May 2013.

The project, co-funded by the European Commission within the seven framework program (2007-2013), was led by a Consortium of 20 Partners coming from 9 different European countries, among which research centers, universities and industrial companies with complementary expertise in order to guarantee the achievement of the preset objectives.

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OBJECTIVES The main and most ambitious objective of the project consists in the industrialization of the construction process of transport infrastructures such as bridges, viaducts and pedestrian bridges, through the use of precast elements in composite material with the aim of reducing the production costs structures and make competitive the use of composites with respect to traditional construction materials.

As structural material, composite gives to designers a combination of particular characteristics whose traditional construction materials such as concrete, steel and wood have not available. In particular, the more advantageous relation between stiffness and strength with respect to the weight of composite materials makes them the most appropriate material for the designers of today as well as of the next future ones whose will be in charge for building structures with higher performances and low cost for design, production and maintenance.

The project research activities have been focused on several areas of interest in order to optimize the whole supply chain of civil infra-

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Compositi

structures, starting from elements design and production to the on-site assembly, taking into account several correlated aspects such as the logistic, the transport, the maintenance and the possible disassembly or recycle. In particular, the research was oriented toward the development of automated production systems of molding and components through the use of automatic and robotic systems allowing production optimization, waste reduction and productivity increase.

RESULTS The most important project result is the TransIND system consisting in an integrated construction process efficient and cost effective under many respects. In particular, the developed system allows to maximize the production process industrialization of main components for transport infrastructures using polymer-based materials such as carbon fiber, glass fiber, etc.

This system includes the whole range of activities, starting from the fundamental requirements of the main stakeholders for modular design, production, logistic, transport and assembly of components for civil infrastructures with the support of ICT tools specific to manage optimally the whole process.

The assembly phases are easy and efficient thanks to the modular solutions and connections studied during the project together with the use of radio frequency intelligent identification systems (RFID) that improve control and traceability of material and components flows.

Furthermore, the use of composite materials much more lighter with respect to the traditional construction materials allows the use of lighter equipments and cranes, agile and versatile. The robotic applications equipped with intelligent positions systems finally insure the total efficiency of the on-site building site.

Furthermore, the project results consist in the

Fig.1: Composite materials properties Fig.2: Civil infrastructures supply chain and life cycle Fig.3: Robotic arm equipped with manual guidance device for mechanized assembly of components (Reference: ITIA-CNR) Fig.4: 2D scheme of Trans-IND bridge Fig.5: 3D Scheme of the Trans-IND bridge Fig.6: Trans-IND bridge demonstrator Fig.7: Trans- IND beam in composite material Fig.8: Trans-IND safety barriers in composite materials

main elements to built a transport infrastructure complex and complete as a bridge, considering components both structural, such as beams and decks, and secondary elements, such as acoustic and safety barriers.

During the last project years, the Consortium was committed mainly in the production and assembly of the main components of TransIND bridge built at a demonstration site in Spain, Madrid, made available by Acciona Infrastructures, Technical Coordinators of the project.

The demonstrator is completely made of components in composite material developed during the project and represents the concrete and visible result of the effort carried out in these four years in which all the Consortium partners contributed, according to their specific expertise, to accomplish the objective of building a 2 m section of a bridge in real scale.

The activities at the base of the achieved results include design and production of elements, dimensional and morphological control systems, solutions for assembling through intelligent positioning systems and robotic systems customized for assembly phases.

CONCLUSION Trans-IND project performed high-value-added products in a sustainable manner, through design, production and assembly of components in composite materials. This typology of approach developed in Trans-IND is essential not only to prevent the reallocation of the European industries, working in the civil construction field, to other regions of the world able to offer more competitive potential solutions, but also to create new technologically advanced industries that will generate growth and employment within Europe. This will contribute to enhance the European construction industry productivity by implementing the knowledge of new applications that will generate competitive products together with services, processes and technologies in order to meet the requirements of the main system stakeholders, acting directly in the most appropriate production phase to optimize the results. ■Acknowledgements Special thanks to Trans-IND Consortium (www.transind.eu) that collaborated with D’Appolonia during the four project years and the European Commission who co-funded the research within the seven framework program (FP7).

Mapei

Tutte le soluzioni per ristrutturare na prestigiosa boutique in un edificio d’angolo localizzato nel centro della città di Viareggio (LU) è rimasta chiusa per alcuni anni. La decisione di ristrutturarla e trasformarla in una fornitissima profumeria ha visto all’opera l’Assistenza Tecnica Mapei che ha seguito le varie fasi del cantiere consigliando i prodotti più idonei per il rinforzo strutturale, la posa di pavimenti e rivestimenti e le impermeabilizzazioni esterne. Per il rinforzo strutturale, e in particolare per il ripristino del calcestruzzo, sono stati utilizzati la malta anticorrosiva MAPEFER 1K sui ferri di armatura, per il ripristino del sottofondo la malta cementizia bicomponente a basso modulo elastico MAPE-

U

GROUT BM e la malta cementizia tissotropica bicomponente fibrorinforzata MAPEGROUT LM2K. È stata poi la volta dell’intervento di rinforzo strutturale sulle travi effettuato con il primer bicomponente a base di resine epossidiche MAPEWRAP PRIMER 1, la rasatura con lo stucco epossidico MAPEWRAP 11 e, per finire, il tessuto MAPEWRAP C UNI-AX posato sulle zone interessate.

Successivamente è stato effettuato l’intervento di rinforzo all’estradosso del primo solaio con la realizzazione di un massetto cementizio in adesione con la tecnica del fresco su fresco utilizzando come massetto TOPCEM PRONTO in adesione con la resina epossidica EPORIP e con una boiacca formata da TOPCEM e PLANICRETE miscelati con acqua. Sul pavimento del negozio (circa 1000 m2) le piastrelle in gres porcellanato sono state posate con l’adesivo KERAFLEX e stuccate con KERACOLOR FF. I giunti sul massetto sono stati impermeabilizzati con il nastro gommato MAPEBAND incollato con ADESILEX PG4 e sulla pavimentazione con i sigillanti MAPEFLEX PU 45 e MAPESIL AC. Gronde ed elementi in calcestruzzo sono stati riparati con MAPEFER e MAPEGROUT BM e impermeabilizzati con MAPELASTIC e la rete MAPENET 150. Per la finitura è stata applicata la pittura acrilica impermeabile ELASTOCOLOR WATERPROOF. ■

Compositi

27

a

Aerospaziale

di Ludovico Vecchione *

Tecnologie italiane per i futuri lanciatori europei Il concetto di aniso-grid shell in fibra di carbonio sviluppato al Centro Italiano Ricerche Aerospaziali (CIRA) segna un marcato miglioramento di efficienza strutturale (40%) rispetto a soluzioni convenzionali in alluminio e si propone come candidato ideale per le strutture primarie dei lanciatori spaziali. a progettazione di strutture primarie ad altissima efficienza, soggette ai carichi di compressione e flessione quali gli inter-stadi dei lanciatori spaziali, non può che evolversi nella direzione dei materiali compositi per le note proprietà di resistenza, rigidezza e leggerezza. Meno evidente, tuttavia, è quale sia il concetto tecnologico-strutturale in grado di sfruttare in maniera ottimale il materiale base - segnando uno scarto sostanziale di efficienza strutturale dalle soluzioni convenzionali in alluminio - e quale il processo di manifattura tale da determinare un quadro complessivo di relativa economicità che possa giustificare il salto tecnologico. È noto che il rispetto delle buone norme progettuali per il materiale composito in taluni casi limita fortemente il risultato atteso in termini di risparmio di massa effettivo, rendendo meno appetibile l’applicazione, anche in relazione all’impiego dei costosi pre-impregnati e degli impianti a corredo.

Questa duplice esigenza (risparmio di massa e processo economico) trova invece una valida risposta nell’impiego di architetture in composito grid

L

Fig.1: Lanciatore Vega ed interstadio 2/3 in alluminio

28

Compositi

* Direzione Velivoli del Centro Italiano Ricerche Aerospaziali (CIRA)

che, almeno per le grandi strutture assial-simmetriche cilindriche come quelle degli interstadi o tronco-coniche come quelle degli adapter, sono in grado di soppiantare efficacemente le concezioni a guscio rinforzato proprie dell’alluminio. Nelle applicazioni in oggetto, il design strutturale è dominato da meccanismi di instabilità locali e globali sotto gli elevatissimi carichi di compressione della fase di lancio. L’impostazione di progetto che ne deriva, pertanto, deve tendere a strutture discretizzate in cui la maggior parte della massa e della capacità di assorbimento dei carichi possa concentrarsi sugli elementi di rinforzo, relegando ad uno skin estremamente sottile un ruolo secondario. Nell’ambito delle architetture in composito grid, un posto centrale è ricoperto dalle strutture denominate anisogrid (anisotropicgrid), un concetto più generale della più nota isogrid a celle triangolari (originariamente in alluminio) che caratterizza tutte le strutture pannellari critiche in peso dei lanciatori americani. La struttura anisogrid consiste in un sistema regolare di tow in fibra di carbonio interlacciati secondo traiettorie elicoidali e circonferenziali che formano celle ripetitive esagonali. La struttura grid viene completata (ove richiesto) da un sottile skin esterno in composito co-curato all’ossatura di elementi unidirezionali.

Nella figura 3 sono evidenziate le principali variabili di progetto di una struttura anisogrid, tra le quali spicca l’angolo di avvolgimento elicoidale ϕ rispetto all’asse della shell, che svolge un ruolo fondamentale ai fini del comportamento meccanico complessivo e dell’efficienza strutturale. La sezione tipica dei rinforzi è rettangolare, con uno spessore radiale H comune a tutti gli elementi, ed una larghezza solitamente differenziata tra elementi elicoidali e circonferenziali. L’anisotropia del sistema dei rinforzi (che macroscopicamente corrisponde ad un materiale omogeneo ortotropo) trova una corrispondenza ottimale nella resistenza a compressione delle strutture shell e nella possibilità di incontrare i diversi requisiti di rigidezza che si presentano di volta in volta. Sono state per questo sviluppate soluzioni in forma chiusa in grado di individuare con buona approssimazione le configurazioni strut-

>>

Fig.2: Strutture anisogrid a celle esagonali in fibra di carbonio

turali a massa minima, indirizzando le corrispondenti variabili ottimali di progetto.

La struttura anisogrid è diffusamente impiegata nei lanciatori russi fin dagli anni ’80. Dieci anni fa, alcuni ricercatori del laboratorio di Tecnologie e Materiale Avanzati (TEMA) del CIRA intuirono l’interesse e la portata di tale applicazione, dapprima attraverso i primi articoli russi che cominciavano ad affacciarsi in letteratura agli inizi del 2000, e successivamente ospitando le due figure più autorevoli sull’argomento, segnatamente: il professor V. Vasiliev ed il dottor Razin.

Tali incontri furono poi ricambiati con visite presso gli impianti russi di manifattura e di testing (un privilegio evidentemente riservato a pochi), e con collaborazioni scientifiche sfociate in alcune pubblicazioni e tesi di dottorato.

IL PROGETTO GRIDS Sulla scia dell’esperienza russa, il CIRA ha prodotto in questi anni un corpo di attività teoriche, numeriche e sperimentali che, sebbene nell’ambito prototipale, hanno evidenziato il raggiungimento di competenze apprezzate in tutto il mondo, come testimoniato anche dall’attuale cooperazione con l’Agenzia Spaziale Giapponese (JAXA), inizialmente attratta da alcune pubblicazioni su riviste di settore. Di recente, si è infatti concluso il progetto GRIDS, finanziato dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), volto a dimostrare la performance di un interstadio in composito anisogrid, in diretta comparazione con la soluzione convenzionale in alluminio, a parità dei requisiti di progetto provenienti dal lanciatore VEGA: geometria, carichi combinati, rigidezza, aperture principali, flange di

Fig.3: Parametri di progetto di una struttura anisogrid a celle esagonali

Compositi

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a

Aerospaziale un’idea della capacità di carico dell’interstadio realizzato, esso ha sostenuto una forza di compressione assiale di quasi 250 tonnellate, prova poi interrotta per sopraggiunti limiti operativi dell’impianto.

Axial Shortening

3,5 3

mm

2,5 2

DEPOSIZIONE AUTOMATIZZATA

1,5 1 0,5 0 -2500

-2250

-2000

-1750

-1500

-1250

-1000

-750

-500

-250

0

KN

Fig.4: Prova di compressione assiale (interrotta per limiti dell’impianto)

Fig.5: Prototipo di interstadio anisogrid progettato e realizzato al CIRA

Fig.6: Cella robotizzata per l’avvolgimento parallelo di strutture anisogrid

interfacciamento. I test meccanici eseguiti con successo sul prototipo di interstadio anisogrid (prove a rigidezza, a carichi combinati, a flusso massimo) hanno infine certificato un risparmio di peso del 40% rispetto al benchmark.

Tale corposo risultato dimostra per la

30

Compositi

prima volta in Europa un vero e proprio salto di prospettiva sulle reali potenzialità ed applicabilità del concetto anisogrid, non solo rispetto alla tecnologia convenzionale, ma anche in competizione con materiali compositi sandwich, già notoriamente molto efficienti. Per dare

Oltre allo sviluppo di modelli, di criteri di progetto e di ottimizzazione, suffragati da validazioni sperimentali tuttora in corso, sul fronte propriamente tecnologico è stato messo a punto e brevettato un processo di avvolgimento robotizzato (robotic winding) di fibre di carbonio secche, seguito da infusione di resina con sacco a vuoto. Il brevetto riguarda in particolare lo sviluppo di una testa di deposizione automatizzata in grado di svolgere con continuità la deposizione contemporanea delle traiettorie elicoidali e circonferenziali [5]. Il brevetto segna un marcato miglioramento di efficacia e versatilità rispetto alla tecnica di avvolgimento russo (in cui è necessario avvalersi di un circuito elicoidale di raccordo tra i diversi avvolgimenti circonferenziali).

La fase di avvolgimento del processo di manifattura si conclude quindi con la stratificazione di una preforma completa, secca ed interlacciata, che può eventualmente integrare elementi di discontinuità, quali aperture e relativi rinforzi.

Questi elementi vengono gestiti manualmente intercalando strati di tessuto secco in corrispondenza delle zone da rinforzare. La deposizione si avvale di un tappeto di gomma disposto sul mandrino di avvolgimento e munito delle opportune scanalature per consentire l’alloggiamento dei percorsi di avvolgimento e fornire un’azione di compattazione durante il ciclo di cura.

La fase di deposizione è quindi del tutto separata da quella di infusione e cura, consentendo una certa “tranquillità” nella gestione del materiale. L’infusione e la cura possono efficacemente avvenire anche al di fuori dell’autoclave, senza cioè l’ausilio di pressioni di compattazione additive al sacco a vuoto ed all’azione della gomma, ma solo con la somministrazione di calore tramite circuiti ad olio caldo, piastre riscaldate o forni ad aria calda. Questo aspetto segna un ulteriore punto a favore di un

Tecnologie italiane per i futuri lanciatori europei >> processo economico, dal momento che, rispetto al classico materiale pre-impregnato, sono richiesti investimenti meno onerosi.

Il processo proposto soppianta nel suo complesso il tradizionale wet filament winding russo con tutte le difficoltà operative e normative legate all’uso di resina allo stato liquido ed alla necessità di concludere in tempi molto brevi la deposizione e la cura del componente. D’altra parte, i risultati dei test eseguiti su coupon estratti da manufatti realizzati per infusione rendono le proprietà meccaniche di rigidezza e resistenza pressoché indistinguibili da quelle ottenute con l’originario processo wet.

MICROSTRUTTURA A proposito delle proprietà meccaniche, va rimarcato che la microstruttura dei rinforzi, essendo governata dagli incroci interlacciati, determina un contenuto ti-

pico di fibre (frazione volumetrica) decisamente inferiore (pressoché dimezzato) rispetto ai valori convenzionali di materiale pre-impregnato. Questo eccesso di resina, sebbene diminuisca la proprietà di rigidezza longitudinale, d’altra parte può accompagnarsi ad un incremento di resistenza a compressione.

Questo fatto ribalta il sentore comune secondo cui massimizzare il contenuto di fibre migliora necessariamente le prestazioni complessive del composito. Il concetto è applicabile alla rigidezza, ma non è altrettanto immediato per la resistenza a compressione. In definitiva, le proprietà meccaniche di rigidezza e resistenza tipiche di un rinforzo anisogrid, senza dover necessariamente scomodare fibre estremamente per formanti, sono superiori a quelle dell’alluminio con un densità di massa quasi dimezzata. Queste proprietà di base, unitamente ad un design ed un processo ottima-

Fig.7: Esempio di flessione a 4 punti su un elemento elicoidale

li, consentono di ottenere risultati di assoluto pregio come quelli evidenziati in precedenza. Attività di approfondimento della micromeccanica degli elementi interlacciati sono comunque in corso allo scopo di modulare le proprietà finali della struttura ed ottimizzare ulteriori aspetti, quali le proprietà termiche, già

a

Aerospaziale

di per sé favorite dalle fibre unidirezionali in carbonio, o la capacità di smorzamento, maggiormente affidata alla resina. In questo senso, l’impiego di doppi materiali per gli avvolgimenti elicoidali e circonferenziali (come ad esempio fibre di carbonio e vetro) apre degli scenari di sicuro interesse.

■ Ringraziamenti Si ringraziano Felice de Nicola, responsabile laboratorio Tecnologie dei Materiali e Giovanni Totaro, ricercatore.

Fig.8: Esempio di microstruttura di un elemento elicoidale a ingrandimenti crescenti

>>

Tecnologie italiane...

BIBLIOGRAFIA

[1] G. Totaro, F. De Nicola, “Recent advance on design and manufacturing of composite anisogrid structures for space launchers”, Acta Astronautica 81 (2012) 570–577. http://dx.doi.org/10.1016/j.actaastro.2012.07.012 [2] G. Totaro, “Local buckling modelling of isogrid and anisogrid lattice cylindrical shells with hexagonal cells”, Composite Structures 95 (2013) 403–410. http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2012.07.011 [3] G. Totaro, Z. Gurdal, “Optimal design of composite lattice shell structures for aerospace applications”, Aerospace Science and Technology 13 (2009) 157–164. http://dx.doi.org/10.1016/j.ast.2008.09.001 [4] V. Vasiliev, A. Rasin, G. Totaro, F. De Nicola, “Anisogrid Conical Adapters for Commercial Space Application”, 13th AIAA/CIRA International Space Planes Hypersonic Systems and Technologies Conference, Capua, 2005.

[5] F. De Nicola, G. Totaro, C. Vitiello, “Sistema per la Deposizione di materiali compositi in Wet Winding con rotazione infinita dell’occhio e con distribuzione parallela di supporto”, Brevetto Italiano, N. 0001397218

I.R.O.P. di F.lli Zanacca snc Via Martiri della Liberazione, 107/A – 43100 Vicofertile (PR) – ITALY tel.+39 0521 992968/9 – Fax +39 0521 992379 e-mail: irop@irop.191.it www.irop.it

Nata nel 1956, da molti anni IROP progetta e realizza

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Nella costruzione IROP si avvale dei più moderni criteri tecnologici. IROP ha inoltre recentemente ottenuto anche la Licenza di Costruzione Cinese per l’esportazione diretta in detto paese.

a

english text

Aerospace

by Ludovico Vecchione *

Italian technologies for future European launchers

The carbon fiber Anisogrid shell concept developed at CIRA (Centro Italiano Ricerche Aerospaziali, Italian Aerospace Research Center) marks a significant improvement in structural efficiency (40%) with respect to standard aluminium solutions and represents an ideal candidate for primary structures of space launch vehicles. he design of high-efficiency primary structures subject to compression and bending loads such as interstages of space launchers is forced to evolve in the direction of composite materials due to their well-known strength, stiffness and lightness properties. However it is less obvious to identify the technological and structural concept that will able to fully exploit the basic material – marking a substantial improvement in structural efficiency with respect to conventional aluminium solutions – and the manufacturing process that can financially justify such technological leap. It is known that the respect of good design standards for composite materials in certain cases strongly limits the expected results in terms of actual weight reduction, making their application less attractive, also due to the use of expensive pre-pregs and the associated equipment.

The two combined requirements (mass reduction and cheap manufacturing process) can be efficiently met with the use of composite grid architectures that can effectively replace the reinforcedshell concepts typical of aluminium structures at least for large axially symmetric cylindrical structures like those of interstages or the cone-shaped ones of adapters. In such applications the structural design is dominated by local and global instability mechanisms due to the very high compression loads of the launch stage. Consequently, the design

T

concept must be oriented to discretized structures where most of the mass and of the load absorption capacity is concentrated in the reinforcing elements while the extremely thin skin can play a secondary role. In the framework of composite grid architectures a key role is played by the so-called Anisogrid (anisotropic-grid) structures, a more general concept of the better-known triangular-cell isogrid structure (originally made out of aluminium) that characterizes all the weight-critical panel structures of American launchers.

The Anisogrid structure consists of a regular pattern of carbon fibers tows interlaced in circumferential and helical windings that make up periodic hexagonal cells. The grid structure is completed (if required) by a thin outer composite skin cured together with a structure of unidirectional elements.

Figure 3 shows the main design variables of an Anisogrid structure. Notice in particular the helical winding angle j with respect to the shell axis, which plays a fundamental role in the overall mechanical behaviour and in the structural efficiency.

The typical cross section of reinforcements is rectangular, with a common radial thickness H for all elements and usually a difference in width between helical and circumferential elements. The anisotropy in the reinforcement system (macroscopically corresponding to an orthotropic homogeneous material) perfectly matches the compression strength of shell structures and the different stiff-

* Direzione Velivoli del Centro Italiano Ricerche Aerospaziali (CIRA)

>>

ness requirements arising in different cases. To this aim we have developed closed-form solutions to identify the minimum-mass structural configurations with a good degree of approximation and thus optimize the design variables.

The Anisogrid structure has been widely used in Russian launchers since the 80s. Ten years ago, researchers from CIRA’s Technological and Advanced Material Laboratory (TEMA, Laboratorio di Tecnologie e Materiale Avanzati) sensed the interest and the scope of this application, first through the Russian articles that were beginning to appear in the literature in the early 2000s, and later by hosting the two most influential scientists in the field, i.e. Professor V. Vasiliev and Dr. Razin. These meetings were then reciprocated with visits to the Russian manufacturing and testing facilities (a favour evidently granted to few people), and with scientific collaborations that resulted in several publications and doctoral theses.

THE GRIDS PROJECT In the wake of the Russian experience, in recent years CIRA has produced an amount of theoretical, numerical and experimental works that even at a prototype stage have highlighted the achievement of skills appreciated all over the world, as demonstrated by the current cooperation with the Japanese Space Agency (JAXA), which was initially attracted by some publications in journals in this field. Indeed, we recently came to the end of the GRIDS project, funded by the Italian Space Agency (ASI), aimed at demonstrating the performance of an Anisogrid composite interstage in direct comparison with the conventional aluminium solution, on the basis of the same design requirements from the VEGA launcher: geometr y, combined loads, stiffness, main openings, connector flanges. Mechanical tests successfully performed on the Anisogrid interstage prototype (stiffness, combined load and maximum flow tests) have finally proved a 40% in weight reduction with respect to the benchmark. This striking result demonstrates for the first time in Europe a real shift in perspective on the effective potential and applicability of the Anisogrid concept, not only when

Compositi

33

a

english text

Aerospace

compared to the conventional technology, but also in competition with sandwich composite materials, already known to be very efficient. We can get an estimate of the interstage load capacity from the axial compression test, where the interstage was subjected to an axial compression force of nearly 250 tons, after which the test was stopped as we reached the operational limits of the testing machine.

AUTOMATED WINDING In addition to the development of models, design and optimization criteria, supported by ongoing experimental validation tests, in terms of the actual technological aspects we have perfected and patented a robotic winding process of dry carbon fibers, followed by vacuum resin infusion. The patent specifically addresses the development of an automated head that can smoothly perform the simultaneous lay-up of helical and circumferential patterns [5]. The patent marks a significant improvement in efficiency and versatility with respect to the Russian winding technique (where a helical winding connecting the circumferential ones is necessary).

The winding stage of the manufacturing process ends with the lay-up of a complete, dry and interlaced preform, which can possibly implement discontinuity elements such as openings and their reinforcements. These elements are handled manually by alternating layers of dry fabric in the areas to reinforce. The lay-up is performed using a rubber mat placed on the winding mandrel and provided with appropriate slots in order to allow for the housing of the winding patterns and to provide a compacting action during the cure cycle.

The layp-up stage is therefore completely separated from the infusion and cure stages, which guarantees a certain ease of operation in material processing. Infusion and curing can be effectively performed out of the autoclave, i.e. without the need for compacting pressure actions besides the use of the vacuum bag and the action of rubber, and just providing heat by means of warm oil circuits, heated plates or hot air ovens. This feature represents another advantage in terms of the process’ affordability, since less de-

34

Compositi

manding investments are required with respect to typical pre-preg materials.

The proposed process replaces the conventional Russian wet filament winding as a whole, with all its operational and regulatory difficulties regulations associated with the use of liquid resin and with the need to finalize the lay-up and curing of the component in a very short time. On the other hand, the results of the tests on specimens extracted from manufacts realized by means of infusion make the stiffness and strength mechanical properties almost indistinguishable from those obtained by means of the original wet process.

MICROSTRUCTURE Concerning mechanical properties, we must remark the fact that since the reinforcement microstructure is determined by interlaced crossings, this determines a typical fiber content (volume fraction) that is significantly lower (almost half) than usual values found in pre-preg materials. Although this resin excess decreases the longitudinal stiffness properties, on the other hand this can yield an increased compression strength. This fact reverses the common opinion that the fiber content improves per se the composite overall performance. This idea can be applied to stiffness, but it is not straightforwardly true as far as compression strength is concerned. All in all, the mechanical rigidity and strength properties of an Anisogrid reinforcement (even assuming typical values and not considering the most performing fiber types) are superior than those of aluminium while the density is almost halved. Together with optimized design and manufacturing process, these basic properties allow one to reach excellent results such as the those described above. Deeper investigations on the micromechanics of the interlaced elements are under way with the aim of tuning the final structural properties and consequently optimizing other features, such as thermal properties (already favoured by the unidirectional carbon fibers) and damping characteristics (where the resin plays the main role). In this respect, the use of two materials for helical and circumferential windings (like, e.g., carbon and glass fibers) opens up very interesting scenarios.

■

Italian technologies...

>>

REFERENCES

[1] G. Totaro, F. De Nicola, “Recent advance on design and manufacturing of composite anisogrid structures for space launchers”, Acta Astronautica 81 (2012) 570–577. http://dx.doi.org/10.1016/ j.actaastro.2012.07.012 [2] G. Totaro, “Local buckling modelling of isogrid and anisogrid lattice cylindrical shells with hexagonal cells”, Composite Structures 95 (2013) 403–410. http://dx.doi.org/10.1016/ j.compstruct.2012.07.011 [3] G. Totaro, Z. Gurdal, “Optimal design of composite lattice shell structures for aerospace applications”, Aerospace Science and Technology 13 (2009) 157–164. http://dx.doi.org/10.1016/ j.ast.2008.09.001 [4] V. Vasiliev, A. Rasin, G. Totaro, F. De Nicola, “Anisogrid Conical Adapters for Commercial Space Application”, 13th AIAA/CIRA International Space Planes Hypersonic Systems and Technologies Conference, Capua, 2005.

[5] F. De Nicola, G. Totaro, C. Vitiello, “Sistema per la Deposizione di materiali compositi in Wet Winding con rotazione infinita dell’occhio e con distribuzione parallela di supporto”, Brevetto Italiano, N. 0001397218

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: VEGA launcher and aluminium interstage 2/3 Fig.2: Anisogrid structures with carbon fiber hexagonal cells Fig.3: Design parameters of a hexagonal cell Anisogrid structure Fig.4: Axial compression test (stopped due to operational limits of the testing machine) Fig.5: Prototype of an Anisogrid interstage designed and realized at CIRA Fig.6: Robotic cell for the parallel winding of Anisogrid structures Fig.7: Example of 4-point bending test on a helicoidal element Fig.8: Example of the microstructure of a helical element with increasing magnification

a

Aeronautica

*Great Circle Services (Lucerne, Switzerland) **Studentessa di Ingegneria presso l'Università di Padova

>>

di Mario Pierobon* e Camilla Carraro **

Un rivestimento per voli più sicuri Leggero, ma resistente agli impatti e ai fulmini, oltre che in grado di fungere da barriera all’umidità e al calore. START-C2, l’innovativo concept di rivestimento protettivo per aerei in sviluppo presso Cessna, sarà tutte queste cose insieme.

La soluzione nasce nell’ambito di un programma di ricerca finanziato dalla Nasa, l’Agenzia spaziale americana. egli Stati Uniti il Fundamental Aeronautics Program/Subsonic Fixed Wing Project della NASA ha finanziato un programma di ricerca il cui obiettivo era lo sviluppo di potenziali concepts per rivestimenti protettivi per aerei di linea in materiale composito, che consentono il naturale flusso laminare e una significativa riduzione di peso nella struttura principale dell’aereo. Un rivestimento protettivo è necessario per assorbire gli urti e per garantire la protezione ambientale.

Il contratto NASA Protective Skins for Composite Airliners ha portato allo sviluppo del concept STAR-C² che «dovrebbe essere in grado di appiattire le asperità o lacune, fornire isolamento termico, assorbire l’impatto e l’energia acustica, riflettere i raggi ultravioletti e infrarossi, condurre grandi quantità di corrente elettrica (per i fulmini) e fornire una superficie esteticamente gradevole», spiega Vicki Johnson, ricercatore e Principal Investigator presso la Cessna Aircraft Company, che ha supervisionato il progetto.

Attualmente le strutture composite sono sovra-disegnate per essere in grado di resistere agli impatti, alle alte temperature e ad alti valori di umidità, oltre che a portare i carichi. All’interno della fusoliera è presente dell’isolamento acustico (e talvolta termico). All’esterno si utilizzano riempitivi e carenature per rendere la superficie liscia ed esteticamente gradevole, insieme ad uno strato di materiale di protezione dai colpi di fulmine, a vernice che fornisce anch’essa una superficie dall’aspetto gradevole all’occhio e liscia che riflette la luce solare per aiutare a minimizzare la temperatura nella cabina.

«Idealmente il concept C-STAR² mira a ge-

N

Primary structure for Loads, Environment and Damage

Protective Outer Skin over Primary Structure

Prime/paint Conductive skin Lighting strike Stringer

FIll/fair Skin

Stringer

Skin Frame Acoustic Foam w/aluminium foil Frame

Fig.1: Struttura e rivestimento composito attuale (sinistra) e schema del rivestimento protettivo (destra) Parameter Areal Weight Thickness Number of Layers Visible Damage

Lower

Target

Upper

0.14 psf

0.275 psf

0.50 psf

0.0 inches

0.25 inches

1.0 inches

0

2

N/A

N/A

Yes

N/A

Tab.1: Metriche dei rivestimenti protettivi STAR-C²

nerare una struttura primaria composita che deve solo trasportare carichi e può essere progettata senza penalità di peso per gestire l’impatto e le condizioni atmosferiche di calore e umidità - spiega Johnson -. Nella situazione ideale, il nucleo gestisce l’impatto e il trattamento termico e acustico, eliminando la necessità di un trattamento all’interno della fusoliera.

Un rivestimento protettivo provvederà invece a tutte le altre funzioni (smoothing, fulmini, estetico, barriera all’umidità e riflessione)».

Al fine di fare una prima valutazione della fattibilità del concept C-STAR², alla Cessna si è proceduto alla definizione di requisiti e metriche, conducendo una ricerca sui potenziali materiali, e alla costruzione e sperimentazione di 173 articoli di prova.

I requisiti critici per il rivestimento STARC² sono l’assorbimento di energia (impatto) e l’opportunità di individuare i danni, la conducibilità (colpi di fulmine) e la scorrevolezza (smoothness). Altri requisiti importanti includono considerazioni termiche, di riflessione, estetiche,

Compositi

35

a

Aeronautica

Impactor Diameter (in)

0.5

1.0

1.75

Impactor Weight (lbs)

5.0

5.0

5.0

50 in-lbs drop height (in)

10

10

10

180 in-lbs drop height (in)

36

36

36

250 in-lbs drop height (in) Hail Energy Ref.(in-lbs)

50

50

50

0.83

13.3

124.9

Tab.2: Parametri del test di impatto

Panel ID

Impact Absorbing Foam Layer

Interface

Impact Spreading Layer

Areal Density, psf

None

None

0.229

IM-92

Polydamp Hydrophobic Melamine with PEEK skin (3/4” thick) Soric LRC, 3 mm thick

Aeropoxy

Tegris LM

0.310

IM-90

Soric LRC, 3 mm thick

Aeropoxy

Innegra

0.310

IM-93

Soric XF, 2 mm thick

Aeropoxy

Carbon epoxy

0.373

IM-89

Soric LRC, 3 mm thick

Aeropoxy

Carbon epoxy

0.391

IM-86

Soric LRC, 2 mm thick

Aeropoxy

Carbon epoxy

0.395

IM-47

3 pcf metallic honeycomb, ¼” thick

Tegris LM

0.409

IM-45

3 pcf metallic honeycomb, ¼” thick

Innegra

0.411

IM-96

Soric XF, 6 mm thick

Aeropoxy

Carbon epoxy

0.423

IM-98

Soric XF, 6 mm thick

Aeropoxy

IM-5

10 pcf PU core, ¼” thick

Aeropoxy

IM-3

10 pcf PU core, ¼” thick

IM-61

6 pcf metallic honeycomb, ¼” thick

IM-44

3 pcf metallic honeycomb, ¼” thick

IM-49

3 pcf metallic honeycomb, ½” thick

IM-59

6 pcf metallic honeycomb, ¼” thick

Aeropoxy Grade 30 adhesive Grade 30 adhesive Grade 30 adhesive Grade 30 adhesive

IM-100

Grade 30 adhesive Grade 30 adhesive

0.012” 0.469 Aluminum sheet Tegris LM 0.473 Innegra

0.475

Tegris LM

0.475

Carbon epoxy

0.488

Innegra

0.490

Innegra

0.490

Tab.3: Scelte finali per i pannelli di impatto

acustiche, ambientali e di altro tipo.

Cessna ha identificato una serie di metriche per la configurazione iniziale degli obiettivi per il rivestimento protettivoSTAR-C² e quindi ha confrontato i parametri effettivamente ottenuti con gli obiettivi.

Le metriche includono peso areale, spessore, numero di strati e visibilità dei danni. Tutte le metriche hanno un target.

Alcune delle metriche hanno limiti inferiori e superiori. Un riepilogo delle metriche è indicato nella tabella 1. L’obiettivo per la metrica del peso areale è stato sviluppato confrontando il peso complessivo della struttura composita primaria, del nucleo e della pellicola al peso di una fu-

36

Compositi

soliera tradizionale composita del 2035 con tutti i materiali associati. Lo spessore è stato basato sulla minimizzazione del volume aggiunto per minimizzare la resistenza supplementare.

La ricerca di potenziali materiali da rivestimento è stata ardua per via delle molte variabili in gioco. La mancanza di dati completi e coerenti ha fatto della ricerca una sfida. Alla fine, i materiali da rivestimento e protettivi dai colpi di fulmine sono stati selezionati sulla base dei migliori dati disponibili. L’obiettivo era trovare il materiale più leggero possibile e limitare la quantità di adesivi richiesti. 25 diversi materiali sono stati

utilizzati negli articoli di prova, questi sono stati combinati nei seguenti articoli di prova di prima generazione: 99 per l’impatto, 44 per i colpi di fulmine e 30 di estetica e scorrevolezza.

Tutti gli articoli di prova erano pannelli piani da 24 pollici per 24. Un pannello base substrato di 24 pollici per 24 e composto da sette strati di materiale unidirezionale ad angoli variabili è stato utilizzato per rappresentare la struttura principale. I rivestimenti di protezione dall’impatto avevano solo del materiale per la diffusione e l’assorbimento dell’impatto (senza protezione contro i fulmini o un film estetico). I pannelli per l’estetica e la scorrevolezza mancavano dello strato di protezione contro i fulmini, ma avevano il film estetico. Gli articoli di prova per gli effetti elettromagnetici avevano tutti gli strati di materiali. L’abbreviazione “IM -XX“, dove XX è un numero, per gli articoli di prova di impatto, l’abbreviazione “LS-XX“ per gli articoli di prova degli effetti elettromagnetici, e l’abbreviazione “AS-XX“ gli articoli di prova in relazione all’estetica e alla scorrevolezza.

PROVE DI IMPATTO Al fine di ampliare le informazioni ottenute circa la capacità dei vari materiali di resistere agli urti, la matrice di test consiste in tre energie di impatto (50 inlbs, 180 in-lbs, e 250 in-lbs) con impattatori di tre diversi diametri (0,5”, 1,0“ e 1,75”) come indicato nella tabella 2. Il requisito è di 1,0“ a 180 in-lbs. Realisticamente i rivestimenti di protezione non devono superare i 180 in-lbs o 250 inlbs per l’impattatore da 0,5” o i 250 inlbs per quello da 1,0”. I pannelli devono passare tutte le condizioni energetiche per l’impattattore da 1,75”.

I 99 pannelli di impatto sono stati testati applicando a ciascuno nove impatti.

Nove linee di dati sono state raccolte per ciascun articolo di prova. I primi tre sono per l’impattatore da 0,5“ a 50, 180, e 250 in-lbs, i tre successivi sono per quello da 1,0” ai tre livelli di energia, gli ultimi tre sono per quello da 1,75” ai tre livelli di energia.

Raccogliendo tutti i dati per i 99 pannelli, riordinando, eliminando i pannelli che non soddisfacevano i requisiti di visibilità del danno e di impatto, e selezionando quei rivestimenti protettivi con un

Analisi Avanzata dei Materiali Compositi Un rivestimento per voli più sicuri peso areale inferiore a 0,50 psf (per gli strati di diffusione e assorbimento dell’impatto) si è giunti ai 16 pannelli illustrati nella tabella 3.

VO NUO

EFFETTI DIRETTI DEI FULMINI I pannelli compositi sono stati colpiti utilizzando componente di corrente D (ARP 5412A6) con un’ampiezza di 100 kA sul lato del rivestimento protettivo. I pannelli sono stati testati in base alle sezioni applicabili della SAE ARP54167. Inoltre, una barra metallica e del filo “fusibile” sono stati installati sotto i pannelli per simulare un sistema instradato sotto il rivestimento (fascio di cavi, linea idraulica, ecc.) per determinarne gli effetti. Questa configurazione è stata utilizzata su tutti i pannelli.

Il requisito per passare la sperimentazione sugli effetti diretti dei fulmini è quello di non avere alcun foro interno o alcuna delaminazione interna (nessun foro o delaminazione nel pannello di base sotto strato). Non vi è alcun requisito circa fori esterni o delaminazioni esterne; il rivestimento protettivo può essere completamente dissolto dopo un colpo di fulmine. Otto dei 44 pannelli hanno fallito il test sugli effetti diretti dei fulmini. I rimanenti pannelli con pesi areali di 0,50 psf o meno sono mostrati nella tabella 4; i pannelli sono ordinati per peso areale.

A differenza dei pannelli di impatto, questi pannelli hanno tutti gli strati di materiale e rappresentano il peso totale del rivestimento protettivo. In cima alla lista c’è la melamina idrofoba Polydamp con rivestimento in polietereterchetone metallizzato con un peso areale di 0,220 psf che è minore del target di 0,275 psf. Gli altri pannelli sono tutti al di sopra del target, ma questi sono tutti al di sotto il limite superiore di 0,50 psf.

TEST DI ANALISI TERMICA Un test di analisi termica è stato eseguito sui pannelli per l’estetica e la scorrevolezza al fine di individuare come il materiale dello stack-up avrebbe reso come isolante termico. Per sostenere questo test, un dispositivo di prova è stato fabbricato e montato nella porta d’apertura di un forno di convezione da laboratorio Blu M. Il supporto di prova era montato nell’apertura attraverso l’uso di diversi magneti di terre rare ed è stato sigillato contro i telai interni del forno per evitare perdite di aria. Un’apertura ha consentito ai pannelli di essere montati nel supporto attraverso l’utilizzo di un duplicatore ad anello e morsetti a ginocchiera. Una termocoppia di superficie è stata posta sulla superficie posteriore del pannello di prova montato, e l’aumento di temperatura è stato registrato nel tempo.

Termocoppie supplementari sono state montate a lastre di alluminio e collocate adiacenti al forno e nel forno, in modo che le temperature dell’aria nell’ambiente e nel forno potrebbero essere rispettivamente registrate.

La figura 2 mostra un campione di diagramma grafico dei dati generati per i pannelli centrali in poliuretano. Dati simili sono stati generati dal resto dei pannelli per i test di estetica e scorrevolezza. Le temperature di stato stazionario variavano insieme con il tasso a cui è stata raggiunta la temperatura massima.

La tabella 5 riassume i dati di tutti i pannelli testati. Il substrato di base non modificato ha mostrato una temperatura massima di 125,4° F. I nuclei più performanti sono stati i ¾“ schiuma di melamina Polydamp con una temperatura massima di 90,7° F, seguito dal ½” schiuma di melamina Polydamp con

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a

Aeronautica

Un rivestimento per voli più sicuri >>

Panel ID

Impact Absorbing Foam Layer

Impact Lightning Strike Material Spreading Layer

Aesthetic Film

Areal Weight, psf

LS-45

Polydamp Hydrophobic

None

None

None

0.220

LS-32

Soric XF, 2 mm thick

Innegra S

LDS 50-01 0.007 psf aluminum

LS-33

Soric XF, 2mm thick

Innegra S

Integument with integrated LSP & PSA

None

0.381

LS-29

Soric XF, 2 mm thick

Innegra S

0.016 psf expanded aluminum foil

Integument film with PSA

0.387

LS-37

Soric XF, 6 mm thick

Innegra S

LDS 50-01 0.007 psf aluminum

Integument film with PSA

0.393

LS-39

Soric LRC, 2 mm thick

Innegra S

LDS 50-01 0.007 psf aluminum

Integument film with PSA

0.399

LS-35

Soric XF, 2 mm thick

Carbon Epoxy

Integument with integrated LSP & PSA

None

0.446

LS-22

3 pcf metallic honeycomb, ¼” thick

Tegris LM

Integument with integrated LSP & PSA

None

0.464

LS-18

3 pcf metallic honeycomb, ¼” thick

Innegra S

LDS 50-01 0.007 psf aluminum

Integument film with PSA

0.470

LS-15

3 pcf metallic honeycomb, ¼” thick

Innegra S

0.0016 psf expanded aluminum foil

Integument film with PSA

0.488

LS-42

10 pcf PU core, ¼” thick

Innegra S

LDS 50-01 0.007 psf aluminum

Aptiv PEEK film with PSA

0.488

LS-16

3 pcf metallic honeycomb, ¼” thick

Innegra S

0.029 psf expanded copper foil

Integument film with PSA

0.494

LS-19

3 pcf metallic honeycomb, ¼” thick

Innegra S

Integument with integrated LSP & PSA

None

0.500

0.354

Tab.4: Pannelli soddisfacenti il test sugli effetti diretti dei fulmini

una temperatura massima di 95,5° F. Il terzo materiale che meglio ha passato questa prova è stato il ½” materiale non metallico a nido d’ape con un massimo di 97,7° F. I peggiori materiali nel test termico sono stati i pannelli ¼” metallic honeycomb - based panels e i Soric XF 2 mm cores, ognuno dei quali ha avuto temperature sopra 115° F.

ESTETICA E SCORREVOLEZZA

lie sulla superficie dello strato esterno prima di essere sottoposti ai test per i colpi di fulmine. L’alta densità del metallic honeycomb core (7,9 pcf) è stata necessaria per non mostrare il modello di base in superficie. Pellicole senza adesivi sensibili a pressione (Halar e Kapton) hanno mostrato bolle e grinze come risultato del nastro di trasferimento usato. Tranne che per il 3M 5004, le pellicole erano trasparenti e di diversi colo-

Pannelli di base substrato speciali sono stati modificati con elementi di fissaggio, aste tassello che rappresentano fasci di fili e duplicatori prima di collegare i rivestimenti protettivi per determinare la capacità dei rivestimenti protettivi di mascherare le sottostanti caratteristiche geometriche. La rigidità della maggior parte dei rivestimenti protettivi era significativamente superiore rispetto ai pannelli di base sotto strato che ha prodotto una significativa deformazione del substrato di base senza trasferire la deformazione allo strato estetico esterno dei rivestimenti protettivi. Nessuna delle combinazioni analizzate ha completamente coperto gli scostamenti geometrici del pannello di base sotto strato senza qualche trasferimento in superficie.

I pannelli fabbricati per gli effetti diretti e indiretti dei fulmini sono stati esaminati visivamente in relazione alle anoma-

Fig.2: Prestazioni termiche di pannelli con core poliuretanico

38

Compositi

ri e hanno reso difficile separare i fenomeni visivi da quelli fisici.

PROSPETTIVE FUTURE Sulla base del lavoro svolto finora, i rivestimenti di protezione sembrano essere un concept possibile. Anche tra i materiali odierni (piuttosto che tra quelli che esisteranno nel 2030-2035) ne esistono alcuni che soddisfano l’impatto e i requisiti per gli effetti elettromagnetici. Il peso è una sfida

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a

Aeronautica

costante. L’estetica sembra anch’essa una sfida importante: forse pellicole opache uniformi consentiranno di eliminare alcuni dei problemi estetici, ma probabilmente sarà molto difficile coprire imperfezioni della superficie sotto il rivestimento protettivo.

L’obiettivo della restante metà del programma è quello di utilizzare i risultati del test della prima generazione di pannelli per definire una seconda generazione (serie finale per il presente appalto) di rivestimenti STAR-C². Questi rivestimenti di seconda generazione saranno testati nuovamente per l’impatto, gli effetti elettromagnetici, l’estetica e la scorrevolezza al fine di verificare quanto bene i pannelli di seconda generazione soddisfano i requisiti. Sarà effettuato anche il collaudo acustico per convalidare che i rivestimenti protettivi siano in grado di assorbire il suono. Il risultato di questo programma di ricerca fornirà la prova della fattibilità del concept STAR-

Un rivestimento per voli più sicuri

Panel ID

Core Type

Max. Temp. (°F)

Average

Baseline Panel

125.4

Average

Soric XF, 2mm thick

115

Average

Metallic Honeycomb, 6 pcf, ¼” thick

110.5

Average

Polyurethane, 10 pcf, ¼” thick

101.1

Average

Non-Metallic Honeycomb, 4 pcf, ½” thick

97.7

Average

Polydamp, ½” thick

95.5

Average

Polydamp, ¾” thick

90.7

LS-11

Polyurethane, 20 pcf, ¼” thick

108.7

LS-13

Polyurethane, 30 pcf, ¼” thick

109.8

LS-18

Metallic Honeycomb, 3 pcf, ¼” thick

115.3

LS-27

Metallic Honeycomb, 9 pcf, ¼” thick

116.8

LS-37

Soric XF, 6 mm thick

100.6

Tab.5: Riepilogo degli andamenti delle prestazioni termiche per il substrato di base e per pannelli testati su estetica e scorrevolezza e fulmini

C² e le raccomandazioni per la NASA sulla ricerca di materiali futuri e lo sviluppo da parte di fornitori di materiali per sostenere il concept STAR-C².

■

L'ar ticolo è basato su "AIAA Paper 20131899, 54th Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, Boston, MA, April 8-11, 2013"

Possible where is impossible

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a

english text

Aeronautical

*Great Circle Services (Lucerne, Switzerland) **Engineering Student at the University of Padova

by Mario Pierobon* e Camilla Carraro**

A coating for safer flights

It is lightweight, yet resistant to impacts and lightning strikes and it works as a moisture and heat barrier. START-C2, the innovative concept of aircraft protective coating under development at Cessna, will be all of these things together. This solution comes as part of a research program funded by NASA, the American space agency. he US National Aeronautics and Space Administration (NASA) Fundamental Aeronautics Program/ Subsonic Fixed Wing Project has been funding a research program through a N+3 Phase 2 contract whose goal was “the development of potential concepts for composite airliners’ protective skins which enable natural laminar flow and a significant weight reduction in the aircraft’s primary structure. A protective skin is needed to absorb impact damage and to provide environmental protection.

The NASA Contract «Protective Skins for Composite Airliners” has led to the development of the STAR-C² concept which “should be responsible for Smoothing out bumps or gaps, providing Thermal insulation, Absorbing impact and acoustic energy, Reflecting ultraviolet and infrared radiation, Conducting large amounts of electrical current (for lightning strike), and providing a Cosmetic or appealing surface» said Vicki Johnson, a PhD and Principal Investigator at the Cessna Aircraft Company who has been overseeing this project. The current situation is such that composite structures are overdesigned to be able to handle impact and hot, humid conditions in addition to carrying the loads. On the inside of the fuselage, acoustic (and sometimes thermal) insulation is present. The outside uses filler and fairing to provide a smooth and cosmetically pleasing surface along with a layer of lightning strike protection material and paint which provides a smooth, cosmetically appealing surface; the cosmetic surface also reflects sunlight to help minimize the temperature in the cabin. «In the ideal situation the STARC² concept is meant to lead to a composite primary structure which only has to

T

carry loads and can be designed without the weight penalties to handle impact and hot, humid conditions - said Johnson -.

Under the ideal situation, the core handles impact along with thermal and acoustic treatment, eliminating the need for treatment inside the fuselage. A film might take care of all the other functions (smoothing, lightning strike, cosmetic, moisture barrier, and reflection)».

In order to make an initial assessment of the feasibility of the STAR-C² concept, Cessna has proceeded by defining requirements and metrics, by conducting a search for potential materials, and by constructing and testing 173 test articles.

The critical or design requirements for the STAR-C² skins are energy absorption (impact) and damage detect-ability, conductivity (lightning strike) and smoothness.

Other significant requirements include thermal, reflectivity, cosmetic, acoustic, environmental and other considerations.

Cessna identified a set of metrics to initially set goals for the STAR-C² protective skins and then to compare the actual parameters achieved with the goals. The metrics include areal weight, thickness, number of layers, and visible damage.

All of the metrics have a target. Some of the metrics have upper and lower bounds. A summary of the metrics are shown in table 1. The target for the areal weight metric was developed by comparing the total weight of the composite primary structure, core, and film to the weight of the traditional 2035 composite fuselage with all of the associated materials. The thickness was based on minimizing the added volume to minimize the additional drag.

The search for candidate film materials

>>

was frustrating in that there were many options. Lack of comprehensive and consistent data made the search a challenge.

In the end, films and lightning strike materials were selected based on the best known data. The goal was to find the lightest possible material and limit the amount of adhesives required. 25 different materials were used in the test articles; these were combined into 99 impact, 44 lightning strike, and 30 aesthetics and smoothing first generation test articles.

All of the test articles were flat 24” x 24” panels. A 24” x 24” base substrate panel made up of seven layers of uni-directional material at varying angles was used to represent the primary structure. The impact protective skins only had impact spreading and impact absorbing materials (no lightning protection or aesthetic film).

The aesthetics and smoothing panels were missing the lightning protection layer but had the aesthetic film. The electromagnetic effects test articles had all layers of materials. “IM-XX” where XX is a number was used to label the impact test articles, “LS-XX” was used to label the electromagnetic effects test articles, and “AS-XX” was used to label the aesthetics and smoothing test articles.

IMPACT TESTING In order to expand the information obtained about the ability of the various materials to withstand impacts, the test matrix consists of three impact energies (50 in-lbs, 180 in-lbs, and 250 in-lbs) with three different impactor diameters (0.5”, 1.0”, and 1.75”) as shown in table 2. The requirement is 1.0” at 180 in-lbs. Realistically the protective skins do not need to pass the 180 in-lbs or 250 in-lbs for the 0.5” impactor or the 250 in-lbs for the 1.0” impactor. The panels should pass all energy conditions for the 1.75” impactor.

The 99 impact panels were tested by applying the nine impacts to each one. Nine lines of data have been collected for each test article. The first three are for the 0.5” impactor at 50, 180, and 250 in-lbs (shown in column 7); the next three are for the 1.0” impactor at the three energy levels; and the final three are for the 1.75” impactor at the three energy levels.

Collecting all of the data for the 99 panels, rearranging it, eliminating the panels which did not meet the impact and visible damage requirements, and selecting

Compositi

41

a

english text

Aeronautical

those protective skins with an areal weight less than 0.50 psf (for the impact spreading and impact absorbing layers) led to the 16 panels shown in table 3.

DIRECT EFFECTS OF LIGHTNING The composite panels were struck using current component D (ARP 5412A6) with an amplitude of 100 kA on the protective skin side of the composite panel.

The panels were tested according to applicable sections of SAE ARP54167. In addition, a metal rod and “fuse” wire were installed under the panels to simulate a system (cable bundle, hydraulic line, etc) routed under the skin to determine effects. This configuration was used on all panels.

The requirement to pass direct effects of lightning testing is to have no inner hole and no inner delamination (no hole or delamination in the base substrate panel).

There is no requirement on outer holes or delamination; the protective skin can be completely gone after a lightning strike.

Eight of the 44 panels failed direct strike testing. The remaining panels with areal weights of 0.50 psf or less are shown in table 4; the panels are sorted by areal weight. Unlike the impact panels, these panels have all layers of material and represent the total weight of the protective skin. At the top of the list is the Polydamp hydrophobic melamine with metalized PEEK skin with an areal weight of 0.220 psf which is less than the target of 0.275 psf. The other panels are all over the target but these 13 are all at or under the upper boundary of 0.50 psf.

THERMAL ANALYSIS TESTING Thermal analysis testing was performed on the aesthetic and smoothing panels in order to characterize how the material stack-ups would perform as thermal insulation. In order to support this testing, a test fixture was fabricated and mounted in the door opening of a Blue M convection laboratory oven. The test fixture was mounted into the opening through the use of several rare earth magnets and was sealed against the internal frames of the oven to prevent air leaks. An opening allowed for the panels to be mounted into the fixture through the use of a ring doubler and toggle clamps. A surface thermocouple was placed on the back surface of the mounted test panel, and the tempera-

42

Compositi

ture rise over time was recorded. Additional thermocouples were mounted to aluminum plates and placed adjacent to the oven and in the oven, so that ambient and oven air temperatures could be recorded respectively.

Figure 2 shows a sample graphical plot of the data generated for the polyurethane core panels. Similar data was generated from the remainder of the aesthetics and smoothing panels. The steady state temperatures varied along with the rate at which the maximum temperature was reached. Table 5 summarises the data for all panels tested. The unmodified base substrate showed a maximum temperature of 125.4°F. The best performing cores were the ¾” Polydamp melamine foam with a maximum temperature of 90.7°F, followed by the ½” thick Polydamp melamine foam with a maximum temperature of 95.5°F. The third best performing material of those tested was the ½” thick non-metallic honeycomb material with a maximum of 97.7°F. The worst performing materials in the thermal test were the ¼” thick metallic honeycomb- based panels and the Soric XF 2mm thick cores, all of which had temperatures over 115°F.

AESTHETICS AND SMOOTHING Special base substrate panels were modified with fasteners, dowel rods representing wire bundles, and doublers before attaching the protective skins to determine the ability of the protective skins to mask underlying geometric features. The stiffness of most of the protective skins was significantly higher than the base substrate panels which produced significant deformation of the base substrate without translating the deformation to the outer aesthetic layer of the protective skins.

None of the combinations investigated completely covered the base substrate panel geometry deviations without some translation to the surface.

The panels fabricated for the direct and indirect effects of lightning testing were visually examined for outer layer surface anomalies prior to being subjected to their associated lighting strike tests.

The highest density of metallic honeycomb core (7.9 pcf) was required to not show the core pattern at the surface.

Films without pressure sensitive adhesives (Halar and Kapton) showed bubbles and wrinkles as a result of the

A coating for safer flghts transfer tape used. Except for the 3M 5004, films were transparent and of different colors making it difficult to separate visual from physical phenomena.

CONCLUSION AND FUTURE PERSPECTIVES Based on the work done so far, protective skins appear to be a feasible concept.

Even with today’s materials (rather than those which will exist in 2030-2035), there are materials which meet the impact and electromagnetic effects requirements. Weight is a constant challenge.

Aesthetics also appears to be a major challenge – perhaps uniform opaque films will help remove some of the aesthetics issues, but covering surface imperfections under the protective skin will most likely be very difficult. The goal of the next half of the program is to use the test results from the first generation of panels to define a second generation (final set for this contract) of STAR-C² skins. These second generation skins will be tested again for impact, electromagnetic effects, and aesthetics and smoothing to demonstrate how well the second generation panels meet the requirements. Acoustic testing will also be done to validate that the protective skins will absorb sound. The outcome of this research program will provide proof of the feasibility of the STAR-C² concept and recommendations to NASA on future materials research and development by material suppliers to support the STARC² concept.

■ The ar ticle is based on "AIAA Paper 20131899, 54th Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, Boston, MA, April 8-11, 2013"

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Current composite skin/structure (left) and protective outer skin concept (right) Tab.1: STAR-C ² protective skin metrics Tab.2: Impact test conditions Tab.3: Final impact panel possibilities Tab.4: Lightning strike panels passing DEL Fig.2: Thermal performance of polyurethane core panels Tab.5: Summary of Thermal Performance Trends from Aesthetic and Smoothing, Lightning Strike, and Baseline Panels

Aldebran

Nuovi materiali per l’aerospaziale na nuova classe di materiali prodotti da Aldebran può essere impiegata per colmare alcuni divari esistenti tra i materiali FRP e le ceramiche in applicazioni aeronautiche. Essi presentano la duplice natura di plastiche per alte prestazioni fino alla temperatura di 550 °C e quella di compositi preceramici fino a 1000 °C. Dopo i 550 °C e fino a 650 °C la matrice polimerica dei materiali si trasforma in una matrice ceramica, con la fondamentale caratteristica di non emettere fumi o odori durante la trasformazione.

Per applicazioni aeronautiche possono essere costruite con questi materiali paratie in composito A o composito-Q (un preceramico rinforzato al quarzo).

Parti di turbine, compressori, eliche, statori e rotori sono altri componenti che possono essere costruiti con questa tecnologia, che può offrire compositi in grado di non ossidarsi fino a temperature di 900 °C in atmosfera aperta.

Tutti i componenti per il settore aeronautico/spazio operanti in atmosfera calda possono essere prodotti con questa tecnologia che offre un’ampia gamma di flessibilità applicative con ottimi vantaggi tecnici ed economici, legati anche agli aspetti di risparmio di carburante e riduzione nelle emissioni.

La matrice possiede caratteristiche sia sintetiche sia minerali che supportano il materiale della fibra nei trattamenti ad alte temperature. A seconda delle esigenze del cliente è possibile regolare la conduttività elettrica e termica modificando la matrice. Allo stesso modo possono essere cambiate le qualità meccaniche e termiche applicando vari rinforzi.

Le plastiche fibrorinforzate per le alte temperature così ottenute sono ottimi isolanti termici ed elettrici, sono antiadesivi e dimostrano considerevole resistenza meccanica e duttilità. I composti preceramici mostrano notevoli prestazioni meccaniche in applicazioni ad alte temperature.

Questi materiali vengono prodotti sulla base di precise specifiche tecnologiche e trovano applicabilità nei più diversi settori industriali.

■

U

Composito A: preceramico rinforzato con fibra di Al2IO3 per applicazioni ad alte temperature

Composito B: preceramico rinforzato con fibra di basalto per applicazioni con temperature di esercizio da 250° C fino a 650 °C Composito C: preceramico rinforzato con fibra di carbonio per applicazioni con temperature di esercizio fino a 550 °C in aper ta atmosfera e fino a 1600 °C sotto vuoto o con gas iner te. Il composito C può essere ulteriormente processato per ottenere altri compositi contenenti ad esempio carburo di silicio

Composito S: preceramico rinforzato con fibra 3D di silicato per applicazioni con temperature di esercizio fino a 800 °C

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43

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s

Studio

*Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Università degli Studi di Genova **Istituto Italiano della Saldatura, Genova

>>

di C. Mandolfino, E. Lertora, C. Gambaro* - M. Pedemonte**

Caratterizzazione meccanica di un pannello sandwich Conoscere la risposta del materiale a determinati carichi è fondamentale per valutarne l’applicabilità a specifici impieghi. Nel caso di un composito il discorso si complica, in quanto per definire le proprietà della struttura occorre prima indagare quelle dei singoli componenti. I risultati di tale approccio su un pannello sandwich sono riassunti in questo studio.

Componente

Prova

Normativa ASTM utilizzata

Matrice epossidica

Trazione

D638

Tessuto di fibre di vetro

Trazione

D5035

Lamina di materiale composito

Trazione e taglio

D3039, D790

Laminato di materiale composito

Trazione e taglio

D3039, D790

Sandwich

Trazione e flessione

C297, C393

Tab.1: Dettaglio delle prove di caratterizzazione meccanica

na struttura sandwich è una particolare applicazione di composito laminato, realizzato collegando due pelli sottili e rigide ad un’anima, o core, leggera. Il vantaggio principale di utilizzare la struttura sandwich in componenti strutturali è di poterne sfruttare l’elevata rigidezza flessionale e l’alta resistenza in rapporto al peso.

La caratterizzazione meccanica e la conoscenza della risposta del materiale a determinati carichi, ed in particolare di un materiale composito, è di primaria importanza per una corretta progettazione.

Trasferendo questi concetti ai provini utilizzati nelle campagne sperimentali, una particolare attenzione deve essere prestata sia alla progettazione della geometria del provino, sia alla modalità di esecuzione della prova, che deve essere tale da fornire la corretta valutazione delle grandezze che si desiderano misurare. In particolare, la progettazione di una prova meccanica da effettuarsi su un composito deve essere eseguita

U

adottando un approccio basato sulla definizione, mediante un elevato numero di prove iniziali piuttosto semplici e mirate, delle proprietà dei singoli elementi costitutivi, per arrivare, dopo una serie di test intermedi via via più complessi, alla caratterizzazione dell’intera struttura.

Obiettivo di questo studio è stato quindi la caratterizzazione, mediante prove meccaniche, degli elementi costituenti un pannello sandwich, formato da uno strato di schiuma espansa di polimetacrillimmide (PMI) interposto fra due laminati, realizzati in resina epossidica rinforzata con fibre di vetro.

CAMPAGNA SPERIMENTALE La campagna sperimentale ha coinvolto tutti gli elementi costitutivi del materiale, considerandoli sia singolarmente sia accoppiati.

Il dettaglio delle prove meccaniche per valutare la resistenza a trazione, taglio e flessione dei vari componenti, è riportato in tabella 1. La preparazione dei cam-

Fig.1: Dimensioni del campione di sola resina

pioni e le prove meccaniche sono state eseguite presso i laboratori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università di Genova. Per tutte le prove è stata impiegata la macchina di prova servoidraulica Instron 8802, attrezzata con una cella di carico da 50kN.

RISULTATI ■ ■ Prova di trazione sulla resina epossidica e sul tessuto in fibra di vetro Per valutare le caratteristiche della matrice epossidica, sono state eseguite prove di trazione su campioni di sola resina, adottando una velocità di prova di 5 mm/min ed utilizzando 5 campioni (fig.1), come richiesto dalla normativa di riferimento (ASTM 638).

Allo stesso modo, per valutare le caratteristiche del rinforzo, dal tessuto in fibra di vetro, sono stati ricavati 14 campioni ognuno di dimensioni 25 x 150 x 0,1 mm. L’intreccio del tessuto testato è di tipo Batavia, dove due fili di trama passano sopra a due fili di ordito.

Compositi

45

s

Studio

Carico massimo [N]

σm [MPa]

Allungamento a carico max [mm]

εm [%]

Resina epossidica

5221.46

41.97

3.15

3.78

Provini tessuto “L”

527.39

197.58

1.87

2.34

Provini tessuto “T”

379.12

146.54

1.39

1.74

Tab.2: Caratteristiche a trazione di matrice e tessuto

Il test è stato eseguito su 7 provini ricavati in direzione longitudinale e 7 provini ricavati in direzione trasversale, in modo da testare sia la trama che l’ordito.

La velocità di prova è stata impostata a 300 mm/min.

In tabella 2 vengono riportati i risultati delle prove eseguite sulla resina e sul tessuto, dove con “L” si indicano i risultati relativi ai provini longitudinali e con “T” quelli relativi ai provini trasversali. I valori riportati sono le medie dei risultati ottenuti durante le prove.

Si può notare che i provini ricavati in direzione longitudinale hanno, come d’altra parte è atteso, caratteristiche migliori, in termini sia di carico sia di allungamento. Questo risulta ancora più evidente dal grafico in figura 2, dove sono confrontate le caratteristiche dei campioni ricavati in direzione longitudinale (in blu) e quelli in direzione trasversale (in rosso). È opportuno sottolineare come, confrontando i valori di carico massimo raggiunti dalla matrice e dal tessuto riportati ta-

bella 2, la matrice presenti un valore dieci volte superiore a quello del provino di tessuto ricavato in direzione longitudinale. Per effettuare il confronto è necessario considerare i valori di tensione σm, ottenuti considerando le sezioni resistenti, significativamente diverse nei due campioni. In tal modo, risulta evidente che il tessuto di rinforzo ha caratteristiche molto superiori a quelle della matrice, come tipicamente atteso nella realizzazione di un materiale composito.

Nella figura 3, vengono riportati in dettaglio i provini di tessuto ricavati in direzione longitudinale durante la prova e dopo la rottura; si noti l’elevato allungamento.

■ ■ Prove di trazione e taglio su lamina e laminato Associando i due elementi caratterizzati in precedenza, si ottiene una lamina di matrice epossidica rinforzata con fibre di vetro disposte a 0° e 90°. Sovrappo-

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Caratterizzazione meccanica... >> nendo a loro volta due di queste lamine, si ottiene il laminato che costituisce le pelli del pannello sandwich studiato.

Per proseguire nello studio dei vari componenti costituenti il pannello, sono state realizzate prove di trazione e taglio prima sulla lamina e poi sul laminato, facendo riferimento alle stesse normative per entrambe le tipologie di campioni (ASTM 3039 e D790).

Sono stati ricavati 7 provini per ogni tipologia, tutti di dimensioni 25x250 mm, come richiesto da normativa. La velocità di prova è stata impostata pari a 2 mm/min.

Com’è possibile notare dalla tabella 3, la sovrapposizione di due lamine in un laminato ha notevolmente migliorato sia le caratteristiche di resistenza a trazione che di allungamento.

In maniera del tutto analoga, la caratterizzazione di lamina e laminato è passata attraverso la prova di taglio, che riprende come metodologia e dimensione dei campioni quella di trazione. La differenza sostanziale è nella disposizione dei rinforzi che, in questo caso, sono disposti a ±45°. L’esito della prova, in termini di valori medi delle grandezze investigate, è riportato in tabella 4.

Anche in questo caso, è il laminato ad avere la migliore caratteristica in termini di resistenza a taglio. In ogni caso, però, il valore massimo raggiunto è inferiore a quello riscontrato nelle prove di trazione,

a

Fig.2: Confronto delle caratteristiche di trazione di campioni di tessuto ricavati in direzione longitudinale (in blu) e trasversale (in rosso) Carico massimo [N]

σm [MPa]

Allungamento a carico max [mm]

εm [%]

Lamina

1269.48

145.08

3.36

2.24

Laminato

3381.51

208.09

3.76

2.50

Tab.3: Risultati delle prove di trazione di lamina e laminato

Lamina Laminato

Carico medio [N]

τm [MPa]

Allungamento a carico massimo [mm]

εm [%]

470.76

26.90

10.61

7.07

2369.37

72.90

4.97

3.31

Allungamento a carico massimo[mm]

εm [%]

Tab.4: Risultati delle prove di taglio di lamina e laminato

Carico massimo [N] Sandwich

343.03

σm [MPa] 0.55

0.19

1.76

Tab.5: Risultati delle prove di trazione su pannello sandwich

b

Fig.3: a) Campione L2 durante la prova di trazione, b) 7 campioni “L” al termine della prova

Compositi

47

s

Studio

a

b

Fig.6: a) Campione prima di essere testato, b) Modo di rottura

a

Fig.4: Confronto delle caratteristiche di trazione (in rosso) e taglio (in blu) di campioni di laminato

b

Fig.7: Dimensioni del provino (a) e dell’attrezzatura (b) utilizzati

a

Fig.5: Grafico carico-allungamento delle prove di trazione su sandwich

come risulta confrontando i valori di σm e τm nelle tabelle 3 e 4 e il grafico in figura 4, nel quale sono riportate le caratteristiche a trazione (in rosso) e taglio (in blu) dei campioni di laminato.

■ ■ Prova di trazione e flessione su sandwich Una volta esaminato in tutte le sue componenti, il pannello sandwich è stato caratterizzato mediante prove di trazione e flessione.

La prova di trazione è stata effettuata su

48

Compositi

campioni di forma quadrata, di dimensioni 25x25 mm, e di spessore pari a quello del sandwich, ossia 11 mm, secondo quanto indicato dalla norma C297.

La preparazione dei provini è avvenuta incollando i campioni stessi alle attrezzature da inserire nella macchina di prova, attraverso un adesivo epossidico più performante della resina utilizzata per la matrice del laminato. Il carico è stato applicato imponendo una velocità costante della traversa pari a 0.5 mm/min.

In figura 5 vengono riportati i risultati

b

Fig.8: Prova di flessione durante il suo svolgimento (a) e dopo rottura del core (b)

della prova effettuata su 6 campioni. Il primo provino è stato utilizzato per verificare i parametri di macchina e quindi è stato escluso dal grafico e dal calcolo dei valori medi delle varie grandezze, riportati in tabella 5.

Le rotture sono avvenute sempre per distacco tra laminato e core, e non per rottura di uno dei due componenti. Tale zona di interfaccia costituisce evidentemente un punto particolarmente critico, come si può notare anche dai valori di resistenza e allungamento molto esigui.

Caratterizzazione meccanica...

In figura 6 sono ripor tate due immagini di un campione, prima di essere sottoposto alla prova e al termine, con particolare riferimento al distacco tra laminato e core. L’ultima prova eseguita sul pannello sandwich è stata quella di flessione, secondo ASTM C393. L’attrezzatura di prova è stata oppor tunamente dimensionata facendo riferimento alla geometria del provino da testare. Le dimensioni caratteristiche del provino e dell’attrezzatura sono ripor tate in figura 7. In questo caso, la velocità della traversa mobile è stata impostata a 5 mm/min.

In figura 8 si riportano due immagini del provino durante e dopo la prova. La rottura è avvenuta sempre per distacco tra laminato e core, con successiva rottura del core di PMI, come si vede in figura 8b.

In figura 9 sono illustrati i risultati della prova di flessione, su un grafico che riporta il carico in funzione della freccia.

Fig.9: Grafico carico-freccia delle prove di flessione su sandwich

La freccia media ricavata di 6,84 mm denota un buon comportamento del pannello a questo tipo di sollecitazione.

CONCLUSIONI Il processo di caratterizzazione meccanica di un materiale composito non può prescindere dalla valutazione delle caratteristiche di ogni singolo elemento che costituisce il materiale stesso.

L’attività presentata ha avuto quindi lo scopo di mettere in luce una metodologia di valutazione delle caratteristiche meccaniche di ogni singolo componente

di un pannello sandwich, formato da uno strato di schiuma espansa di polimetacrillimmide (PMI) interposto fra due laminati, realizzati in resina epossidica rinforzata con fibre di vetro.

Le varie prove hanno consentito non solo la valutazione delle caratteristiche meccaniche dei vari componenti, ma anche e soprattutto l’individuazione delle zone critiche del pannello e dell’importanza di progettare il materiale in modo che presenti la maggior resistenza nelle direzioni in cui si prevede venga sollecitato in maniera più significativa.

■

s

english text

Study

* Department of Mechanical Engineering, Università degli Studi di Genova ** Italian Institute of Welding, Genova

by C. Mandolfino, E. Lertora, C. Gambaro* - M. Pedemonte**

Mechanical characterization of a sandwich panel

The knowledge of a material response to given loads is a fundamental aspect in evaluating the opportunities of use in specific applications. In order to evaluate the properties of a composite material one must consider the anisotropies and inhomogeneities inherent to its nature. The goal of this investigation was the characterization of a sandwich panel in all of its elements by means of mechanical tests. sandwich structure is a particular laminate composite application realized by coupling two thin, stiff skins with a light core. The main advantage in the use of sandwich elements in structural components is the high bending stiffness and the high strength-toweight ratio.

The mechanical characterization and the knowledge of the material response to given loads is of fundamental importance for a correct design, especially in the case of a composite material.

When applying these concepts to the specimens used in an experimental campaign, special attention should be paid both to the design of the specimen’s geometry and to the testing procedure, which must be carried out in such a way as to provide the correct evaluation of the properties to be measured. In particular, the planning of a mechanical test to be performed on a composite element must be carried out adopting an approach based on definition of the properties of the single constituent elements by means of a large number of simple and targeted initial tests first, and finally coming to the characterization of the whole structure after a series of intermediate test of increasing complexity.

The goal of this study was hence the characterization by means of mechanical tests of the elements composing a

A

50

Compositi

sandwich panel made up of a polymethacrylimide (PMI) foam core placed between two laminates manufactured with glass fiber-reinforced epoxy resin.

EXPERIMENTAL CAMPAIGN The experimental campaign targeted all the components of the material, considered both individually and when coupled together.

The details of mechanical tests exploited to evaluate tensile, shear and bending strength of the various components are summarized in Table 1.

The preparation of specimens and the mechanical tests have been carried out in the laboratories of the Department of Mechanical Engineering at the University of Genova. An Instron 8802 servo-hydraulic testing machine equipped with a 50 kN load cell was used for all tests.

RESULTS ■ ■ Tensile test on the epoxy resin and on the glass fiber fabric Tensile tests on resin samples were performed in order to evaluate the characteristics of the epoxy matrix, using a test speed of 5 mm/min and 5 specimens (Fig. 1), as required by the reference standard (ASTM 638).

Similarly, in order to evaluate the properties of the reinforcement material, 14 specimens were obtained from the glass fiber fabric of size 25 x 150 x 0.1 mm. A

>>

Batavia weave, where two weft threads pass over two warp threads, was employed in this fabric.

The test was performed on 7 samples obtained along the longitudinal direction and 7 samples obtained along the transverse direction in order to test both weft and warp.

A test speed of 300 mm/min was set.

Table 2 shows the results of the tests performed on the resin and on the fabric, where “L” indicates results relevant to longitudinal samples and “T” those relevant to transverse samples. The values we display are the averages over the results obtained from the tests.

One can notice that longitudinal samples show better properties, as expected, both in terms of load and elongation.

This appears even more evidently when looking at the diagram in Fig. 2, where properties of longitudinal (blue) and transverse (red) specimens are compared.

It is important to emphasize that, when comparing the maximum load values obtained for the matrix and the fabric, reported in Table 2, the matrix shows a value ten times higher than that of the longitudinal fabric sample. In order to have a correct comparison one has to consider the tensile stress values σm obtained by taking into account the cross section of the material under stress, which are significantly different in the two samples. In such a way it is evident that the reinforcement fabric properties are by far superior than those of the matrix, as typically expected when manufacturing a composite material.

Figure 3 shows in detail the longitudinal fabric specimens during the test and after failure; notice the large elongation.

■ ■ Tensile and shear tests on a single sheet and on a laminate By joining the two elements previously characterized one obtains an epoxy-matrix sheet reinforced with glass fibers laid up at 0° and 90°. The laminate used for the face sheets of the investigated sandwich panel is obtained overlapping two of such layers.

The study of the various components of the panel continued with tensile and shear tests on a single sheet first and then on the laminate, with reference to

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english text

Study

the same standard for both types of specimens (ASTM 3039 and D790).

Seven samples of each type were prepared, whose size was 25x250 mm as required by the standards. A test speed of 2 mm/min was set.

As we can see from Table 3, the overlap of two sheets in a laminate significantly improved both tensile strength and elongation properties.

Similarly, the shear characterization of a single sheet and of a laminate was performed following the methods and sample size implemented in the tensile test.

The substantial difference is in the arrangement of reinforcements which in this case were laid up at ± 45°. The outcome of the test, in terms of average values of the properties here investigated, is shown in Table 4.

Once again the laminate has the best properties in terms of shear strength.

Anyway, the maximum achieved value is lower than that obtained in the tensile tests, as we can see comparing σm e τm values in Tables 3 and 4 and from the diagram in Fig. 4, where the tensile (red) and shear (blue) characteristics of the laminate sample are reported.

■ ■ Tensile and bending test on a sandwich After examining all of its components, the sandwich panel was characterized by means of tensile and bending tests.

The tensile test was per formed on square-shaped samples of size 25x25 mm and a thickness equal to that of the sandwich, i.e. 11 mm, as indicated by the standard C297.

The preparation of the specimens was performed by bonding the samples to the equipment to be inserted in the test

52

Compositi

Mechanical characterization of a sandwich panel deflection value of 6.84 mm was obtained which indicates a good behaviour of the panel under this type of stress.

CONCLUSIONS

machine with an the epoxy adhesive featuring better performances than that used for the laminate matrix. The load was applied by setting a constant crosshead speed of 0.5 mm/min.

Figure 5 shows the results of the test carried out on 6 specimens. The first sample was used to test the parameters of the machine and therefore was excluded from the diagram and from the calculation of average values for the various quantities of interest, reported in Table 5.

Failure always occurred due to detachment of the laminate from the core and never by break-up of one of the two components. This interface area evidently represents a particularly critical point, as we can also see from the very reduced strength and elongation values.

Figure 6 shows two images of a sample before and after it was subjected to the test, with particular reference to the laminate-core detachment.

The last test performed on the sandwich panel was a bending test according to the ASTM C393 standard. The test equipment was properly dimensioned with reference to the geometry of the specimen to be tested. The typical sizes of the specimen and of the equipment are shown in Fig. 7. In this case the speed of the moving crosshead was set at 5 mm/min.

Figure 8 shows two pictures of the sample before and after testing. Failure always occurred by detachment of the laminate from the core with a consequent break-up of the PMI core, as seen in Fig. 8b.

Figure 9 illustrates the results of the bending test by means of a diagram showing load vs deflection. An average

The mechanical characterization procedure of a composite material cannot ignore the evaluation of the properties of each single element making up the material itself.

Therefore the presented activity aimed at highlighting a method for the evaluation of the mechanical properties of all individual components of a sandwich panel made up of a polymethacrylimide (PMI) foam core placed between two laminates manufactured with glass fiberreinforced epoxy resin A range of tests allowed us not only to evaluate the mechanical features of all components but also (and more important) to identify the critical points in the panel and to highlight the importance of a material design oriented to give more strength in the directions where the most significant stresses are expected.

■

All the mentioned figures refer to the italian version Tab.1: Detail of the mechanical characterization tests Fig.1: Size of the resin sample Tab.2: Matrix and fabric tensile properties Fig.2: Comparison of the tensile properties of longitudinal (blue) and transverse (red) fabric specimens Fig.3: a) L2 sample during the tensile test, b) 7 “L” samples after testing Tab.3: Results of the tensile tests on a single sheet and on a laminate Tab.4: Results of the shear tests on a single sheet and on a laminate Fig.4: Comparison of the tensile (red) and shear (blue) properties of laminate specimens Fig.5: Load vs elongation diagram of tensile tests on a sandwich Tab.5: Results of the tensile tests on a sandwich panel Fig.6: a) Specimen before testing, b) Failure type Fig.7: Specimen (a) and equipment (b) size Fig.8: Bending test under way (a) and after break-up of the core (b) Fig.9: Load vs deflection diagram for the bending tests on a sandwich

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Poichè le pale dei generatori devono resistere per lungo tempo in condizioni di servizio a sollecitazioni cicliche, i cedimenti strutturali possono capitare per difetti produttivi, condizioni di carico inattese o danneggiamenti in servizio.

MSC Software ha messo a punto soluzioni per la progettazione di compositi che integrano funzionalità e aiutano i clienti ad analizzare e migliorare i propri prodotti, partendo dall’analisi della sequenza di stesura del materiale, fino alla valutazione di prestazioni e analisi di danneggiamento.

La teoria classica della laminazione è alla base di ogni procedura avanzata utilizzata nel calcolo numerico ad elementi finiti di materiali compositi e costituisce la base numerico-matematica necessaria per ricavare le proprietà elastiche risultanti delle strutture. In questo modo è possibile valutare l’effetto di diversi schemi di stratificazione, piuttosto che di rinforzi interni della pala, ottimizzando la sua struttura in base alle varie condizioni di carico.

L’analisi della rottura progressiva o PFA (Progressive Failure Analysis) è una metodologia numerica avanzata, sviluppata per prevedere la risposta non lineare e la rottura di strutture in materiale composito, a partire dal carico iniziale fino alla totale rottura della struttura.

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In questo modo è possibile valutare il comportamento della pala in seguito ad un danneggiamento, dovuto sia a condizioni di carico anomalo, sia a difetti di produzione.

Il fenomeno della rottura può essere studiato utilizzando diversi approcci integrati nelle tecnologie MSC Software, in funzione dell’origine del danno che si vuole studiare sulla pala, sia che si tratti di delaminazione, oppure di fratture interlaminari.

Raggiunto uno stato di rottura a seguito di un incremento di carico, il solutore considera l’abbattimento della rigidezza strutturale dovuta alla rottura rilevata in fase computazionale.

Lo studio di fenomeni di meccanica della frattura dall’innesco della cricca fino alla sua completa propagazione è basato sull’utilizzo della tecnologia VCCT (Virtual Crack Closure Technique).

Si tratta di una tecnica basata sul calcolo della percentuale di rilascio di energia e sulla resistenza a frattura per i tre modi classici descritti dalla meccanica della frattura (apertura, scorrimento e taglio). Tale metodologia consente di studiare fratture multiple in un singolo calcolo numerico agli elementi finiti, per poi ottenere risultati relativi alle singole fratture e le relative propagazioni.

Un ulteriore aspetto della simulazione ad elementi finiti di materiali compositi è la simulazione del processo di cura. La cura è uno dei processi manifatturieri maggiormente utilizzati dall’industria per la realizzazione di pale in materiale composito. Tale processo è principalmente basato su pressione, temperatura e sul relativo legame chimico dei costituenti (principalmente della matrice). Attraver-

Sequenza di stratificazione di una pala

so l’integrazione di modelli matematici atti a simulare il fenomeno di polimerizzazione della matrice, le tecnologie MSC Software consentono di simulare il processo di cura completo, al fine di ottenere la configurazione geometrica finale del componente a valle del ciclo di cura.

In questo modo si prevengono eventuali distorsioni di forma che renderebbero i pezzi inutilizzabili o fuori specifiche di progetto.

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Modello completo di generatore eolico, visualizzazione stress dovuto ai carichi

Compositi

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di Giovanni Manni - ETA

Il vento dell’innovazione Il boom dell’eolico pone una nuova sfida al settore dei compositi: realizzare pale più performanti per gli aerogeneratori. Vediamo come e dove è possibile migliorare nella produzione di queste strutture complesse, agendo in un sottile equilibrio tra costi, processi di fabbricazione e materiali. fficienza e innovazione in un mondo di grandi numeri, come il settore eolico, si scontrano con l’aumento dei costi e la difficoltà di industrializzare soluzioni complesse sviluppate per l’ottenimento dei risultati attesi. Il problema si risolve quando l’incremento dei costi di progettazione, produzione e industrializzazione risultano minori dei ricavi che le nuove soluzioni portano grazie all’aumento di efficienza, che per gli aerogeneratori significa una maggiore produzione di energia.

Nel mondo ETA, azienda specializzata nella produzione di pale eoliche con una forte esperienza nelle grandi costruzioni in carbonio, l’innovazione è concentrata sull’applicazione di modelli aeroelastici associati a nuovi profili aerodinamici in grado di aumentare la potenza prodotta dalle pale di una turbina, mantenendo invariati i carichi su tutti i componenti dell’aerogeneratore.

Da qui la sfida nel realizzare monolitici in carbonio di alto spessore (40-50 millimetri) con tecniche tradizionali come l’infusione, o utilizzare fibre unidirezionali allo scopo di controllare le deformazioni indotte dalla forzante (il vento) secondo direzioni e modi voluti.

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PROGETTAZIONE INTEGRATA Nel caso degli alti spessori di carbonio infusi con resine epossidiche, la sfida più grande è riuscire ad ottenere rapporti di

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Compositi

impregnazione conformi, ovvero percentuali di fibra al massimo del 70%. Tali valori molto simili a quelli dei pre-preg, risultano critici da raggiungere, spesso con il carbonio si rischia di arrivare addirittura al 25%, e per questo gli accorgimenti che si usano sono molteplici. Tra questi, l’interposizione di tessuti a maggior diffusione e impregnazione, la cui disposizione delle fibre facilita il passaggio della resina nel senso dello spessore.

Per ottenere questo risultato a garantire la bagnabilità del carbonio in profondità non bastano semplici biassiali di vetro, ma servono soluzioni ad hoc a seconda della geometria dei monolitici che si intende realizzare. ETA, nel caso specifico della realizzazione degli sparcap, le strutture portanti delle pale eoliche, ha messo a punto con un produttore di tessuti speciali configurazioni di filati che, attraverso l’uso di filamenti opportunamente disposti lungo le direzioni di diffusione delle resine, garantiscono la corretta dinamica di impregnazione nel senso dello spessore.

Il concetto non è quindi applicare tecniche di infusione note a laminati complessi, ma il contrario: studiare, in funzione della complessità dei laminati, soluzioni di infusione e sequenze di laminazione in grado di garantire la conformità delle dinamiche di infusione. Messo a punto tale processo, si procede con una serie di iterazioni progettuali fino a quando non si arriva a convergenza. Diversamente, partendo da una soluzione progettuale “congelata” risulta nella maggior parte dei casi impossibile arrivare ad un prodotto conforme, agendo solo sul processo di fabbricazione.

Il progetto pertanto, deve svolgersi parallelamente alla messa a punto dei processi di fabbricazione. Solo quando le soluzioni progettuali vengono validate da processi “robusti” e ripetibili, l’innovazione può avere un futuro.

VARIABILI DI PROCESSO Per arrivare a questo risultato è indispensabile, oltre a una specifica capacità progettuale, il controllo delle più importanti variabili di processo, come la temperatura degli stampi e delle resine da cui dipendono, rispettivamente, la diffusione nelle zone superficiali a contatto con lo stampo e la viscosità delle resine da cui direttamente deriva la capacità di bagnare i tessuti.

In ETA si lavora con tolleranze di processo molto strette. La viscosità di un’epossidica di tipo standard per infusione cambia in modo repentino con gradienti di temperatura nell’ordine dei 2-3°C. Pertanto, infondere con temperatura delle resine pari a 25°C o 28°C può determinare la conformità o meno di un processo e del relativo prodotto. Alcuni componenti per loro natura (geometria, sequenze di laminazione) possono necessitare di resine più o meno viscose, altri no.

Anche la scelta su dove iniettare la resina (quanti punti, dove) o su dove applicare il vuoto (quanti punti, dove interrompere le aspirazioni, con quale sequenza aprirle) sono aspetti determinanti per la qualità del prodotto finale. Di conseguenza, ciò che è importante prevedere non è tanto la dinamica della resina, bensì la dinamica della parte di tessuti asciutti che dovrà essere impregnata durante l’infusione e da dove l’aria presente nei tessuti avrà modo di evacuare. È chiaro, infatti, che se la resina formerà anelli intorno a zone asciutte, queste genereranno inevitabilmente difetti sul manufatto finito.

Alla difficoltà di settare i parametri giusti di processo, si somma il tema della ripetibilità del prodotto che, nel caso di un rotore composto da tre pale, diventa essenziale per l’equilibrio delle forze durante la rotazione. Differenze di peso superiori all’1% non sono accettabili.

Eolico DIFETTO CRITICO Altrettanto decisivo è il concetto di “difetto critico”, la capacità di individuare un processo in grado di assicurare l’assenza di difetti più grandi di un massimo consentito. Per le pale eoliche, dove la maggior parte delle rotture avviene a fatica, mettere a punto processi che assicurino l’assenza di difetti nel laminato e corretti valori di impregnazione delle fibre, entrambi possibili cause di innesco di rotture, rappresenta un’ulteriore difficoltà nell’implementazione di concetti innovativi.

Il tema del difetto critico spesso viene affrontato a valle di una costruzione. Si analizza cioè il risultato finale e, in base ai difetti, si tirano le conclusioni sul lavoro fatto. Il percorso dovrebbe invece essere contrario. Prima di iniziare la costruzione, addirittura prima di iniziare la progettazione, occorre chiedersi se la tecnica di corasor pubblicita aprile 2013.ai 22/04/2013 struzione scelta, con il controllo del pro-

cesso definito, con la tecnologia a disposizione, il grado di difetto critico che potremo raggiungere sia ammissibile sul prodotto che si va a realizzare. Solo in questo modo è possibile sviluppare innovazioni “concrete”, ovvero soluzioni ripetibili e che rendano l’analisi del valore fatta sul manufatto finale corretta e competitiva sul mercato.

CONCLUSIONI Creare qualcosa di innovativo nel settore dell’eolico è molto complesso. Più complesso probabilmente che nel campo aeronautico, dove i budget elevati consentono grandi investimenti e campagne di test infinite. Più complesso che nel settore nautico, dove il grado di difettosità e la ri9.38.54 petibilità non sono così vincolanti. Più

complesso che nel campo automotive, dove il fattore tempo lavora sulla scala degli anni ma in condizioni di esercizio discontinue.

Nel settore eolico si è creato così un asintoto tecnologico sul quale tutti i produttori di pale si sono assestati, e dove i costi, la difettosità, i processi di fabbricazione, i materiali e la ripetibilità trovano un equilibrio reciproco. Un asintoto dal quale difficilmente i grandi produttori tendono ad allontanarsi: fuori da tale asintoto c’è l’incertezza, gli investimenti legati alla ricerca, alla sperimentazione, e il rischio di non raggiungere l’obiettivo. Innovare, quindi, significa riuscire ad allontanarsi da quanto oramai consolidato migliorando una o più delle variabili in gioco mantenendo invariate le altre.

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Speciale software di progettazione

ALTAIR ENGINEERING

Progettazione di una tuga scorrevole su misura Caterham Composites ed Altair ProductDesign insieme, grazie ad HyperWorks, per lo sviluppo della tuga dello yacht IMOCA 60 della Alex Thomson Racing. li yacht a vela ad elevate prestazioni sono altamente ingegnerizzati rispetto agli yacht da turismo. Nella classe Open 60, in particolare, sono spesso prodotti unici, molti dei loro componenti sono progettati individualmente e realizzati per una singola imbarcazione. Per raggiungere standard elevati le imbarcazioni da gara moderne sono quasi completamente realizzate in materiali compositi. Per trarre un pieno vantaggio dall’utilizzo dei compositi e rendere il processo di progettazione dello yacht più rapido possibile, i designer di yacht da competizione utilizzano metodi di sviluppo virtuale per progettare, analizzare, ottimizzare e quindi verificare i componenti prima della costruzione effettiva dello yacht, risparmiando denaro, tempo e fatica quando la barca sarà poi in acqua.

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LA SFIDA La Caterham Composites è stata contattata dalla Alex Thomson Racing per intervenire su diverse aree dell’IMOCA Open 60 dello skipper Alex Thomson. L’azienda

Modello CAE del tetto per i 4 step di carico

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Compositi

era chiamata ad intervenire sullo sviluppo e la produzione della tuga scorrevole dello yacht. La tuga è progettata per offrire allo skipper protezione dall’impatto delle onde sul ponte, permettendogli di continuare a navigare al massimo potenziale. Questo design consente al tetto di scivolare in una posizione avanzata per massimizzare lo spazio di lavoro disponibile per lo skipper all’interno della cabina di pilotaggio.

Dati i requisiti progettuali, la Caterham Composites si è rivolta al dipartimento Product Design di Altair, ed alla sua suite HyperWorks per le loro capacità nello sviluppo dei compositi e per gestire l’ottimizzazione del tetto.

Per la parte esterna della tuga sono stati utilizzati materiali in fibra di carbonio a modulo intermedio e di diverse forme e per la parte centrale schiuma e Nomex. La differenza principale tra questo e gli altri progetti curati dalla Caterham Composites è stata il metodo di produzione, dettato da limitazioni di budget e di tempo molto comuni nell’industria della vela, comparata a quella delle competizioni automobilistiche.

Gli stampi sono stati realizzati in compensato che, anche se molto accurato, non può resistere a variazioni di temperatura o pressione. Tali stampi, non potendo essere trattati in autoclave (ad alta temperatura e pressione), hanno richiesto di considerare la frazione di volume inferiore e le minori proprietà meccaniche della resina a indurimento a temperatura ambiente; tutte variabili che sono state integrate con successo nella versione finale del progetto.

Una delle sfide principali è stata quella di creare un oggetto che fosse abbastanza leggero da non aggiungere peso in eccesso alla struttura di base dello yacht, ma comunque in grado di sopportare gli enormi volumi di acqua sul ponte che l’imbarcazione avrebbe dovuto sopportare durante le avverse condizioni del mare. La Caterham Composites ha lavorato nel rispetto delle norme ISO ed ABS per le pressioni di superficie ed ha aggiunto appropriati fattori di sicurezza dove necessario.

IL CASO STUDIO DI HYPERWORKS Tenendo in considerazione questi vincoli, gli ingegneri hanno iniziato a creare il design strutturale per il tetto dello yacht. I materiali adottati erano la schiuma A500 e Nomex a nido d’ape per la parte centrale e carbonio T800 per la parte esterna.

La fibra di carbonio disponibile era quella UD e in tessuti. Gli strati a 0 ° e 90 ° sono stati realizzati con fibre UD, mentre quelli a 30 °, 40 ° e 60 ° con i tessuti in fibra di

Speciale software di progettazione

Modello CAE dell’intero yacht inclusa la nuova tuga scorrevole

carbonio. Le anime del tetto sono state fissate ad uno spessore di 20 mm. Durante il processo di ottimizzazione sono stati considerati cinque casi di carico differenti. Una simulazione di carico ha preso in considerazione la pressione dell’acqua pari a 0.65 kNm ² che agisca su tutto il tetto, mentre gli altri quattro casi hanno simulato lo skipper in piedi con una gamba sola sul tetto in diverse posizioni (90 kg a 2 g).

Un’ottimizzazione in due step, una Free Size seguita da un’ottimizzazione Size del tetto. Durante il primo step, quella di ottimizzazione Free Size, la forma e il posizionamento ottimale degli strati è stato determinato rispondendo alla domanda: quale angolazione delle fibre è richiesta nelle varie sezioni della struttura? Sono stati definiti i seguenti obiettivi: minimizzare la conformità cedevolezza e limitare la massa a 20 kg.

Nel passo successivo, l’ottimizzazione Size si è fatta luce sullo spessore ottimale per le patch degli strati individuati precedentemente. Gli ingegneri hanno ottimizzato il sistema per: ridurre al minimo la conformità cedevolezza, vincolare la massa a 30 kg, la deflessione a 10 mm e l’indice di fallimento a 0.5.

RISULTATI Il design finale del tetto non ha ottenuto nessun fallimento con ogni tipo di carico ad una massa totale di 36 kg, offrendo performance di rigidità che incontravano perfettamente le attese e le richieste. Ha fornito il giusto riparo dalle onde senza limitare le capacità fisiche di Alex Thomson durante la navigazione dello yacht e, grazie al lavoro svolto con HyperWorks e all’esperienza degli ingegneri della Caterham Composites e di Altair ProductDesign, il progetto è andato in porto al primo colpo.

Il tetto è stato progettato, ottimizzato e prodotto nei tempi richiesti, utilizzando tutti i materiali disponibili. La tuga è stata sottoposta alla prova definitiva quando Alex ha stabilito il record transatlantico in solitario a luglio.

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DEMA

Progettazione avanzata di strutture aeronautiche ema Spa è un’azienda partenopea che realizza importanti progetti per i più grandi Key player internazionali fra i quali AleniaAermacchi e Bombardier.

Le aero-strutture in composito che l’azienda progetta e produce richiedono importanti competenze nel settore del design e della progettazione assistita dal calcolatore (CAD e CAE): l’interconnessione delle tecnologie CAD - CAE presenta notevoli vantaggi di utilizzo tra cui lo snellimento delle procedure progettuali e gestionali, la riduzione del Time To Market e molto altro.

Lo sviluppo di un prodotto in materiale composito prevede nella fase preliminare l’utilizzo di un software CAD, in azienda il Catia V5, attraverso il quale si definiscono i volumi e le super fici dei vari laminati. Un tool ausiliare, specificatamente usato per i materiali compositi, consente poi la definizione e la gestione del tipo di tessuto, la creazione della singola ply e la stesura corretta delle plies evitando eventuali possibili difetti durante la fase di manufacturing. Gli output di tale fase sono principalmente due: un documento di stesura delle plies (plies table) che indica il perimetro e l’orientamento (0°,90°, ±45°) di ogni tela ed un file d’inter faccia per le macchine laser del manufacturing che indicherà il perimetro di taglio di ogni ply e il cor-

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retto posizionamento della ply stessa sull’attrezzo di laminazione.

Contemporaneamente gli ingegneri strutturisti attraverso un software CAE, generalmente MSC Patran/Nastran, dimensionano le strutture simulandone il comportamento lineare, teoria classica della laminazione, ed il comportamento non-lineare, degradando la matrice di rigidezza per tenere conto di fenomeni di delaminazione e/o di meccanica della cricca.

Un esempio pratico è la porta anteriore del carrello di un velivolo di tipo business: tale struttura è composta da 2 “semi-porte” in sandwich, composte cioè da due skin in carbonio tra i quali viene interposto un “core” in nido d’ape. Per tali strutture progettista e strutturista congiuntamente definiscono il numero di plies ed il loro orientamento, l’intero volume del core, che conferisce rigidezza a dispetto del poco incremento di peso, ed infine rendono l’insieme realizzabile adattandolo alle specifiche regole di manufacturing.

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Compositi

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Speciale software di progettazione ENGINSOFT

Supporto numerico per la progettazione SAComp ed ANSYS Composite Prep/Prep sono due strumenti di supporto alla progettazione utilizzati per l’analisi preliminare e la verifica prestazionale di dettaglio delle strutture realizzate in materiale composito. L’Agenzia Spaziale Europea (ESA) ha inizialmente coordinato lo sviluppo della tecnologia ESAComp per realizzare un prodotto robusto ed accurato applicabile nell’ambito aerospaziale. L’obiettivo attuale, ampliato rispetto a quello di allora, consiste nel supportare in modo trasversale il progettista nella fase di analisi prestazionale delle strutture in materiale composito in tutti i campi dell’ingegneria.

Il software ESAComp ricopre un ruolo fondamentale nella fase di progettazione di una struttura in composito, poiché consente di guidare l’analista nella scelta dei materiali e della sequenza di laminazione più idonei in funzione delle condizioni operative presenti. Consente di condurre in maniera semplice ed efficace la fase del material design a supporto del metodo agli Elementi Finiti, complementare ad esso. In virtù dei risultati ottenuti mediante le feature di calcolo di ESAComp, i materiali compositi scelti ed i laminati candi-

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Instabilità locale dovuta alle non linearità geometriche

dati possono essere esportati direttamente per la successiva analisi svolta in ambiente di simulazione FEM, al fine di verificare le prestazioni dei materiali scelti su strutture geometricamente più complesse. La nuova versione 4.4.1 di ESAComp, rilasciata a febbraio 2013, mantiene invariata l’interfaccia grafica ma rispetto alla versione precedente estende la libreria di materiali e gli strumenti di analisi a disposizione dell’utente. In particolare il databank è stato ampliato con numerosi core material ed oltre 130 nuove lamine rinforzate in fibra di vetro e fibra di carbonio (fornite dai produttori Cytec, Hexcel, Grafil ed Umeco), è stato introdotto un nuovo moAnalisi strutturale su una pannellatura curva in condizioni di simmetria

HEXAGON METROLOGY

Acquisizione di New River Kinematics H

exagon AB, fornitore di soluzioni di progettazione, misura e visualizzazione, ha acquisito la New River Kinematics (NRK), azienda ingegneristica con sede negli USA, specializzata nel software di analisi tridimensionale per applicazioni di metrologia por tatile.

Fondata nel 1994, NRK ha rivoluzionato completamente la misura a coordinate con il primo software metrologico che ha introdotto un ambiente grafico tridimensionale nella metrologia por tatile.

Attualmente NRK sviluppa e suppor ta lo standard dell’industria nelle soluzioni software della metrologia por tatile.

SpatialAnalyzer® (SA), il suo prodotto più prestigioso, viene usato per eseguire un ampio spettro di operazioni legate

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Compositi

Speciale software di progettazione dulo per svolgere analisi non lineari su pannelli e strutture cilindriche, quindi l’evoluzione degli strumenti di post processing e di calcolo hanno reso le analisi più accurate e veloci. Il modo migliore per sfruttare a pieno le potenzialità del software ESAComp è quello di accoppiarlo ad un ambiente di simulazione FEM dedicato all’analisi sulle strutture in composito come il modulo ANSYS ACP. ACP costituisce uno strumento che, mediante avanzate feature per il pre ed il postprocessing di modelli complessi, è in grado di operare nell’ottica del “Concurrent Design”, in base alla capacità di guidare il progettista nello sviluppo integrato del prodotto in materiale composito e del relativo processo produttivo. Nell’ultima versione 14.5 di ANSYS, rilasciata a novembre 2012, il modulo Composite Prep/Post viene ulteriormente integrato con l’ambiente Workbench e potenziato con nuove feature di calcolo. Seguendo una procedura di progettazione integrata processo/prodotto, è possibile simulare gli effetti dei processi tecnologici dell’Hand Layup e del Filament Winding su geometrie complesse anche in presenza di superfici con una considerevole doppia curvatura; in tal caso è possibile prevedere e controllare l’eventuale formazione di grinze, inspessimenti e locali sovrapposizioni (overlapping), esaminando in fase di verifica numerica la variazione delle prestazioni strutturali in funzione della presenza di tali di-

alla misura di grandi volumi con l’impiego di apparecchi por tatili negli stabilimenti produttivi in tutto il mondo.

“Quando si tratta di industrie come quella aeronautica e cantieristica, in cui i pezzi sono di grandi dimensioni o molto costosi, è indispensabile ridurre le continue rilavorazioni. Con il software di NRK questo è più facile,” ha affermato Norber t Hanke, Presidente di Hexagon Metrology. “Dalla verifica del pezzo singolo al rilevamento estremamente preciso di grandi volumi con l’impiego di più strumenti, le avanzate possibilità di analisi di SA suppor tano i produttori di grandi componenti che non hanno altra scelta se non fabbricare componenti nel modo corretto“.

NRK offre la sola soluzione completa in grado di collegare più prodotti di qualunque marchio. Da bracci e teodoliti a tracker e scanner, le avanzate possibilità di analisi di SA uniscono gli input di qualunque apparecchio di metrologia in

Analisi tensionale sul modello 3D – Distribuzione degli stress nella direzione di stesura delle fibre

Simulazione di drappeggio e overlapping della lamine rinforzate sulla super ficie a doppia curvatura

fetti produttivi. Un considerevole passo avanti è stato compiuto nell’ambito della modellazione di strutture in composito con elementi solidi: i componenti 3D realizzati in materiale composito e quelli in materiale isotropo possono essere trattati separatamente, per essere successivamente combinati all’interno di un unico sistema assemblato. Infine la nuova versione del software consente di applicare facilmente le tecniche di sottomodellazione, ottimizzare lo spazio dei file e di parametrizzare i modelli in maniera semplice operando direttamente da interfaccia grafica.

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un’unica piattaforma. Questo è par ticolarmente impor tante nei processi di produzione di grandi componenti in cui i modelli CAD più grandi e i dati più completi presentano problemi aggiuntivi in fatto di precisione e, in definitiva, di produttività.

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Compositi

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Speciale software di progettazione IPERELLE

Sistema avanzato di progettazione perelle, azienda che si occupa da oltre vent’anni di strumenti e soluzioni PLM dedicate a chi progetta e produce, è par tner di Dassault Systèmes e distribuisce la nuova suite V6 che comprende un ambiente di progettazione e simulazione completo dedicato ai materiali compositi, ambiente arricchito dall’integrazione completa delle soluzioni Simulayt, società che opera nel campo del software di progettazione in compositi ed acquisita da Dassault Systèmes nel 2011.

Le soluzioni software Dassault Systèmes V6 derivano dalla lunga tradizione e presenza dell’azienda in campo aeronautico e sono ora a disposizione di chiunque abbia la necessità di gestire il processo di progettazione, calcolo e fabbricazione di prodotti in materiale composito. Il tutto in un’unica completa piattaforma di soluzioni PLM che garantisce la collaborazione coerente tra i diversi soggetti inclusi nel processo di progettazione, simulazione, test e produzione.

Fra i diversi modi per impostare la progettazione di una par te in materiale composito la progettazione a zone è ideale per acquisire i vincoli di analisi e prevedere il compor tamento della par te. Catia V6 offre funzioni semplici per la creazione e la modifica di zone (geometrie e profili laminari). La modellazione a zone consente un notevole risparmio di tempo grazie alla capacità di generare solidi concettuali o super fici IML per anticipare l’integrazione delle par ti in materiale composito nel progetto complessivo e per consentire un processo di “concurrent engineering” con par ti accoppiate. Passando dalla progettazione preliminare a quella dettagliata, Catia V6 consente la generazione automatica degli strati con una produttività elevata, par tendo dalle zone, con una gestione automatica della scalinatura degli strati e delle regole di sovrapposizione. La capacità di passare velocemente e automaticamente dalle zone agli strati, mantenendo nel contempo la

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Compositi

piena associatività, permette al progettista di concentrarsi sull’intento progettuale e contribuisce a ridurre drasticamente il numero di operazioni geometriche necessarie per progettare la par te.

La progettazione nel contesto dell’analisi fornisce un collegamento integrato fra progettazione e analisi. La possibilità di avere nello stesso ambiente solutori ad elementi finiti della potenza di Abaqus consente iterazioni veloci di progettazione e analisi in piena associatività con la definizione delle zone e degli strati, tenendo conto dell’effettiva angolazione delle fibre. I progettisti possono anche acquisire le informazioni dell’assieme all’interno dell’ambiente di progettazione. Dai pannelli delle ali ai barili della fusoliera, agli scafi di imbarcazioni, la metodologia a griglia consente di automatizzare e ottimizzare la definizione di strutture grandi e complesse nel contesto delle sottostrutture accoppiate. Quando il progettista è pronto per generare gli strati dalla griglia, è possibile ottimizzare ulteriormente il progetto scegliendo fra diversi algoritmi, forme degli strati e schemi di scarico (drop-off) personalizzabili. Sono inoltre disponibili funzioni avanzate di modifica degli strati per personalizzare il progetto, ad esempio inver tendo i bordi dello strato per ottimizzare gli scarichi e le forme degli strati stessi, reindirizzando alcune serie di strati lungo un percorso preferito, calcolando o modificando facilmente sezioni di scarico locali. Per quanto valido possa essere un progetto, bisogna comunque garantire che le par ti di materiale composito possano essere fabbricate in modo semplice, uniforme ed economico e rispettino i requisiti iniziali. A tale scopo sono disponibili funzioni dedicate per tenere conto dei vincoli di produzione fin dalle prime fasi della progettazione.

La progettazione nel contesto produttivo offre la possibilità di valutare le deformazioni della fibra negli strati, adottare misure correttive nelle prime fasi del

processo e generare il prodotto finito corretto (ad esempio sviluppi in piano) fin dal primo tentativo, eliminando così gran par te degli errori che possono emergere successivamente in fabbrica.

Le informazioni sulla posa delle fibre possono essere acquisite all’interno dell’ambiente di progettazione, realizzando strategie avanzate di posa delle fibre, come cur ve guida o settori e diverse modalità di propagazione.

La verifica delle strutture in composito richiede test molto lunghi e normalmente viene svolta in una fase troppo avanzata del ciclo di sviluppo per avere un impatto significativo sul processo di progettazione. Per prevedere con precisione il compor tamento strutturale delle par ti, in una fase sufficientemente precoce per inter venire in maniera utile sul progetto, tutto il set di dati può essere analizzato con la suite di prodotti FEA Abaqus e altri solutori in commercio. L’analisi a elementi finiti con Abaqus of fre ai tecnici funzionalità avanzate per simulare il compor tamento reale dei compositi, valutando fra l’altro fenomeni di delaminazione e danneggiamento attraverso elementi di coesione e tecnica della chiusura virtuale (VCCT). Progettisti e analisti possono comunicare in maniera efficiente durante il processo di sviluppo, risparmiando tempo, migliorando la qualità del prodotto e prevenendo errori costosi. Inoltre, CATIA Structural Analysis for Designers consente veloci iterazioni di analisi del progetto in maniera associativa. Grazie al trasferimento automatico delle proprietà dei compositi con angolo reale delle fibre, questo strumento effettua l’analisi termomeccanica, l’analisi delle frequenze e l’analisi di imbozzamento con criteri di valutazione specifici.

V6 di Dassault Systèmes è quindi uno strumento scalabile che permette a più persone di collaborare all’interno di uno stesso progetto e distribuire informazioni e viste 3D a tutti i soggetti coinvolti nel processo aziendale.

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Speciale software di progettazione SMARTCAE

Il software per il DesignTo-Manufacturing del laminato martCAE distribuisce in Italia i prodotti di Anaglyph, strumenti dedicati all’analisi strutturale, alla progettazione e al digital manufacturing dei materiali compositi.

Laminate Tools è un software che supporta gli ingegneri nelle fasi di progettazione, analisi e produzione di componenti in laminati compositi. Fornisce ai progettisti gli strumenti per definire laminati che riflettono accuratamente la composizione per pelli fisiche della struttura. L’analista trae beneficio da Laminate Tools in virtù del fatto che la definizione della laminazione concepita dal progettista è disponibile senza ambiguità, rendendo molto semplice la generazione del modello di calcolo per Nastran, Ansys, Abaqus e Femap. Per chi si occupa della produzione, il software fornisce la possibilità di simulare il drappeggio delle pelli

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sullo stampo e di generare il ply-book del laminato e gli sviluppi in piano di ciascuno strato da deporre, eliminando la prototipazione per tentativi e minimizzando lo spreco di materiale.

La versione Laminate Tools 4.3 offre la possibilità di realizzare il drappeggio delle pelli sulla matematica 3D dello stampo all’interno dei modellatori SolidWorks e Rhinoceros, attraverso un plug-in. Per lavorare con tutti gli altri sistemi CAD, Laminate Tools mette a disposizione il modulo Geometry che consente la lettura della matematica dello stampo attraverso i formati di scambio STEP e IGES. SmartCAE inoltre ha sviluppato un plug-in chiamato Femap2LT che abilita il drappeggio delle pelli di Laminate Tools all’interno del modellatore ad elementi finiti Femap. Con esso gli utilizzatori di Femap potranno gestire con maggiore velocità la

modellazione dei compositi laminati, avendo al contempo la capacità di generare lo sviluppo delle pelli e il ply-book della laminazione.

dei kit fino a quando lasciano l’autoclave • monitoraggio dei plies tagliati, quando diventano un kit (importante se alcuni plies devono essere tagliati ancora) • automatizzare la generazione dei nesting così che nesting dinamici altamente ottimizzati siano generati su richiesta, massimizzando l’efficienza di utilizzo del materiale • gestione della schedulazione di taglio in relazione alla disponibilità delle matrici ed all’impegno delle autoclavi • visualizzare qualsiasi operazione, dalla geometria di un ply e delle informazioni associate alla repor tistica completa della vita del componente, ripar tita in plies e poi rotoli di materiale.

Un’azienda dell’industria aerospaziale

ha connesso CrossTrack ai sistemi ERP e JETCAM CADCA-Nesting Software. La gestione dinamica dei nesting le consente ora di ritagliare qualsiasi plies danneggiato senza influire negativamente sull’efficienza dell’utilizzo materiale.

Ogni variazione, dalla modifica dei plies allo stato della lavorazione di un componente, viene aggiornata in tempo reale su tutto il sistema, permettendo di gestire i problemi legati alla produzione e di prendere decisioni in minor tempo.

Inoltre, può generare il nesting di un kitprincipale che contiene più kit-secondari e monitorarne l’effettiva durata. Effettuare il controllo qualità e del primo componente prodotto attraverso un sistema di rilascio che assicura l’inserimento nel nesting di produzione solo dei componenti di elevata qualità.

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Drappeggio eseguito con il plug-in per SolidWorks

Drappeggio eseguito con il plug-in per Femap

JETCAM INTERNATIONAL

La tracciabilità del processo ETCAM fornisce una suite completa per la lavorazione dei compositi per risolvere i problemi più comuni legati al mantenimento di un elevato standard qualitativo ed alla tracciabilità del processo produttivo: tracciabilità e durata dei materiali, dei plies, dei kits, degli ordini e dei nesting. Tutto in tempo reale.

Il sistema CrossTrack è basato su database SQL, lavora in parallelo al sistema MRP centrale, preleva le informazioni quali ordini e fornisce informazioni quali ricezione e movimentazione dei materiali, plies tagliati, stato dei kit (componenti ordinati) al MRP. I problemi risolti dal sistema sono: • gestione delle liste di ordini delle parti (e dei loro singoli plies) • monitoraggio della durata del materiale: dai rotoli ai plies e poi all’interno

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Compositi

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Chem-Trend

I distaccanti: prodotti ausiliari speciali a sostituzione di pezzi di metallo con materiali compositi nei settori dell’ingegneria automobilistica e aerospaziale consente di costruire veicoli leggeri ed efficienti dal punto di vista energetico, dotati di un’elevata resistenza a fatica e corrosione. Tuttavia, con l‘aumentare della domanda e dei volumi di particolari in composito, i produttori risentono della pressione ad abbassare i costi, ridurre al minimo gli scarti e migliorare i processi di produzione. I prodotti ausiliari, in particolare i distaccanti, hanno un ruolo importante nel perseguimento di questi obiettivi.

L’uso del distaccante più adatto garantisce una riduzione degli scarti ed un aumento della produttività. La scelta del miglior sistema contribuisce alla riduzione dell’impatto generale sull’ambiente, ovviamente nel rispetto delle legislazioni governative sulle emissioni di COV.

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SOLUZIONI PER ELEVATI VOLUMI DI PRODUZIONE NELL’AUTOMOTIVE Negli ultimi 5-10 anni si sono diffusi i materiali compositi, in particolare delle resine rinforzate da fibra di carbonio (CFRP), nella costruzione di auto a elevate prestazioni. Il mercato offre molti distaccanti per la produzione di volumi ridotti ma, una volta che si passa alla produzione seriale, ben pochi sostengono le sfide della produttività, in quanto l’applicazione del distaccante e la pulizia dello stampo costituiscono il collo di bottiglia dell’intero processo. Quando si parla di distaccanti semi-permanenti, in realtà le soluzioni sono legate all’utilizzo di un pacchetto di prodotti piuttosto che un singolo prodotto.

Chem-Trend fornisce sistemi distaccanti a base di acqua o di solvente per processi di stampaggio RTM o in autoclave, che comprendono primer per stampi, sigillanti,

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Compositi

distaccanti interni ed esterni ed altri prodotti ausiliari come i detergenti per stampi. Essi consentono ai produttori che fabbricano volumi elevati di materiali compositi di mantenere l’operatività degli stampi senza interruzioni non pianificate per la manutenzione; producendo pezzi che soddisfano severi requisiti qualitativi in modo continuo e senza imprevisti.

PRESENZA CRESCENTE DEI COMPOSITI NELL’AEROSPAZIALE Il design leggero dei componenti aerospaziali è una tendenza volta a ridurre il peso degli aeromobili e risparmiare carburante. Se nel 1982 soltanto l’8 % dei materiali utilizzati nell’Airbus A 130 erano compositi, di recente il loro numero è aumentato fino al 50 % nell’Airbus A 350 e nel Boeing 787. I materiali stampati più diffusi sono il PEEK (polietere etere chetone), il PPS (polifenilensolfuro) e il PEI (polieterimmide). Tuttavia i materiali compositi termoplastici hanno requisiti molto complessi per quanto riguarda il distacco. Oggi esistono non solo distaccanti per la lavorazio-

ne del PPS e del PEEK, ma anche sistemi distaccanti completi per processi di stampaggio ad alta temperatura e soluzioni a base di acqua che sostituiscono i sistemi tradizionali a base di solvente.

SOLUZIONI AUTOMATIZZATE NEI DISTACCANTI PER STAMPI La fabbricazione di un pezzo in composito inizia con gli utensili, la cui complessità e il cui investimento necessario crescono all’aumentare delle misure e dei volumi da produrre del componente. L’aumento dei processi di automazione, come l’AFP (Automated Fibre Placement) o l’ATL (Automated Tape Laying), impongono l’adozione di soluzioni automatizzate anche nell’applicazione dei distaccanti per stampi. Sempre di più sono disponibili sul mercato prodotti spray molto versatili che soddisfano i requisiti dell’automazione. I sistemi di distacco sono generalmente basati sull’utilizzo di un prodotto semi permanente, previa la preparazione degli utensili (siano essi in metallo o in compositi).

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Comi-TechMill

Centro di lavoro a 5 assi interpolati

l Centro di lavoro LaborShape è l’ultimo nato in casa TechMill in risposta alle esigenze produttive di stampisti per lavorazioni ad alta velocità di alluminio e compositi.

L‘obiettivo è offrire un prodotto ad alto contenuto tecnologico ma con particolare riguardo al livello di investimento, che sia il più possibile contenuto.

Struttura perimetrale chiusa (con l’opzione del tetto a “soffietto”), portale mobile gantry con doppia guida su entrambi i lati del ponte, movimentazione assi con viti a ricircolo, LaborShape si distingue oltre che per l’estrema rigidità della struttura, per la testa birotativa di cui è dotata. Si tratta di una testa monospalla, progettata e realizzata da TechMill, dotata di doppi motori su entrambi gli assi rotanti (per il recupero del backlash) ed encoder diretti, in grado di garantire altissime precisioni di posizionamento e ripetibilità, pari a quelle ottenibili con motori direct drive ma, a differenza di questi, senza alcun rischio di surriscaldamento.

La testa può montare mandrini con potenza fino a 30 Kw e coppia fino a 40 Nm con rotazione fino a 24.000 rpm, ed è adatta sia a lavorazioni a “secco” che con impianto di refrigerante ad alta pressione; il magazzino utensili può arrivare fino a 64 postazioni e il cono portautensili è del tipo HSK A63, o in alternativa ISO 40/50.

Diverse versioni e dimensioni di macchina disponibili, con campo di lavoro da 1200x 1200 mm fino a 3.000x3.000 mm e con corsa verticale Z da 1.050 fino a 1.600 mm.

Una versione speciale di LaborShape prevede il piano di lavoro con tavola rotante, completa di motore direct drive ed asse controllato da CN: la macchina si “trasforma” in un tornio verticale ed entrambi i processi di fresatura e tornitura sono ottenibili su un’unica macchina.

Il controllo numerico di cui è dotata è un Siemens 840D SL High Performance, con interfaccia e software dedicato, per facilitare al massimo la programmazione e garantire performances di eccellenza.

TechMill Srl, azienda del gruppo Comi SpA, dispone di una gamma completa di Centri di lavoro, totalmente configurabili, per lavorazioni su un’ampia gamma di materiali, dalla plastica e compositi fino ai metalli più difficili e sempre in funzione delle esigenze produttive nei diversi settori industriali, principalmente automotive, ferroviario, nautico ed aeronautico. ■

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JEC Europe 2013 Uno sguardo spettacolare alle innovazioni a soddisfazione dei professionisti nel corso del JEC Europe 2013 è stata generale e la fiera ha chiuso i battenti riportando ottimi risultati.

In base ai dati raccolti, i risultati cumulabili per tutti gli espositori della fiera possono valutarsi attorno ai 769 milioni di euro pari a 997 milioni di dollari US. Ogni espositore ha registrato mediamente 65 contatti utili con conseguenti ordini e un periodo di recupero dichiarato di 20 mesi.

Avendo la Hall 1 (50.000 m2) registrato il pieno, è stata aggiunta la Hall 2 (+1.200 m2) per ospitare conferenze, incontri e ristoranti. La piattaforma europea del Gruppo JEC ha raccolto i benefici dell’attività globale del gruppo registrando il pieno per questa 48a sessione (JEC conference è nato nel 1965). Grazie al lavoro svolto in Asia e in Nord America con JEC Asia e JEC

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Americas, si è registrata un’affluenza di nuovi espositori dall’America e dall’Asia per lanciare i loro nuovi prodotti. JEC Europe 2013 ha coperto le principali tematiche del settore: produzione in serie, termoplastici, compositi intelligenti con sensori integrati, nuove applicazioni, ambiente e riciclaggio.

Quest’anno la catena di approvvigionamento del settore automobilistico ha primeggiato su tutti i fronti dimostrando che i fornitori sono perfettamente in grado di far fronte alla domanda dell’industria automobilistica. Il 70% degli elementi esposti era correlato al trasporto automobilistico.

Per far fronte alla domanda e dato che JEC Europe riempie la Hall 1, il Gruppo JEC ha deciso di aumentare fortemente la superficie della fiera nel 2014. L’anno prossimo JEC Europe si svolgerà nelle Hall 7.2 e 7.3 del Parco delle esposizioni della Porte de

Versailles, su una superficie totale di 54.000 m2.

Si prevede che il mercato dei compositi continuerà a crescere mediamente del 6% all’anno fino a raggiungere un valore di circa 90 miliardi di euro e un volume di 10 milioni di tonnellate metriche entro il 2015 (a fronte degli 80 miliardi di euro e i 9,2 milioni di tonnellate metriche nel 2012). Il JEC Group inaugurerà una sede con uno staff permanente a Singapore per accompagnare e facilitare lo sviluppo della sua attività sul versante Asia-Pacifico.

Il Gruppo JEC e TUM (Technical University of Munchen) hanno sottoscritto un Memorandum of Understanding che definisce il loro interesse per il mercato asiatico. Si uniranno in partenariato per offrire un solido programma di conferenze al prossimo JEC Asia 2013 a Singapore.

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Breton

CENTRO DI LAVORO VERTICALE ad alta velocità a 5 assi continui reton EAGLE è la gamma di centri di lavoro a portale con traversa mobile ad elevata dinamica sviluppata e concepita per il settore dei materiali compositi, resine e leghe, ideale per eseguire con velocità e precisione lavorazioni di fresatura in 5 assi e sulle 5 facce del pezzo in un unico set up.

Le sue varie configurazioni consentono di eseguire anche le lavorazioni più impegnative con la massima flessibilità ed efficienza operativa con campi di lavoro che vanno da 2.000x2.500x1.000 mm fino a 20.000x5.000x2.500 mm ed oltre.

Massima flessibilità produttiva grazie alla possibilità di configurare l’a-

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Compositi

rea di lavoro ottimizzandola per lavorazioni sia di pezzi singoli sia di pezzi in pendolare.

Massima flessibilità operativa grazie all’ottima visibilità del campo di lavoro e al doppio accesso anteriore e posteriore che favorisce le operazioni di carico e scarico, set-up dell’attrezzatura e controllo in lavorazione.

Ideale per lavorare pezzi di medie e grandi dimensioni, in particolare la realizzazione di modelli, la contornatura di materiali plastici, compositi, strutture sandwich e lavorazione di leghe per la realizzazione di particolari complessi destinati al settore aerospaziale della modelleria e dello stampo. Per formante e dinamica grazie alla rigidezza della sua architettura a portale, alle teste birotative simmetriche a 5 assi continui con struttura a forcella in robusta fusione di ghisa, alla gamma di elettromandrini potenti e veloci che conferi-

scono a EAGLE la migliore flessibilità di utilizzo e precisione in qualsiasi condizione operativa.

Versatile dalle lavorazioni più complesse a quelle più gravose grazie alle teste di fresatura a cinque assi con rotazione continua dell’asse “C” e ampia capacità dell’asse “A” di lavorare in sottosquadra, mentre potenti freni idraulici assicurano la massima stabilità di posizionamento degli assi “A” e “C” nelle lavorazioni più gravose. Elettromandrini termostatati e dotati di speciale software di compensazione che assicura elevata precisione di lavorazione anche in condizioni operative variabili.

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Con Laminate Tools e PlyMatch migliora e ottimizza il workflow nella realizzazione dei componenti in materiale composito laminato

Velocizza la progettazione Con Laminate Tools è possibile semplificare la progettazione dei laminati grazie alla simulazione CAE (Computer Aided Engineering) del drappeggio delle pelli sullo stampo. Il progettista è in grado di identificare rapidamente quelle zone del prodotto in cui possono nascere problemi di realizzazione, quali grinze e eccessive distorsioni delle fibre, e può intervenire introducendo dei tagli sulla pelle virtuale o simulando altri accorgimenti come se si trattasse di una operazione reale di messa a punto.

Migliora le prestazioni Attraverso le interfacce FEM di Laminate Tools, l’analista può utilizzare i dati del progettista per realizzare il modello strutturale del laminato. Grazie al supporto nativo dei solutori Nastran, Ansys e Abaqus è possibile ottimizzare le prestazioni del prodotto senza modificare gli standard aziendali. Introdurre un ply di rinforzo nel modello FEM non è mai stato così semplice!

Aumenta la produttività I dati della laminazione progettata e analizzata possono essere condivisi con la produzione grazie alla generazione automatica del PlyBook e all’esportazione del profilo 3D oppure dello sviluppo in piano delle pelli, riducendo i costi legati al cattivo uso del materiale e migliorando la qualità e ripetibilità del prodotto.

Riduci gli errori PlyMatch è un sistema hardware e software di Realtà Estesa che consente al laminatore di identificare con precisione come posizionare la pelle modellata con Laminate Tools sullo stampo, minimizzando gli errori di produzione e riducendo i tempi di realizzazione del manufatto.

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