www.tecneditedizioni.it Poste Italiane spa . Spedizione in abbonamento Postale – D.L. 353/2003 (conv. In L.27/02/2004 n.46) art. 1, comma1, DCB Milano
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magazine anno VII - numero 26 dicembre 2012
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Prof. Roberto Frassine Presidente Assocompositi
editoriale
The recent interest of car manufacturers towards the use of high-performance composites for lighter hybrid or electric cars for city and suburban, is rapidly changing the composites market worldwide. The strong impulse to reduce the cost of carbon fiber and the working hours required for components production are producing a series of innovations that goes from the collaboration between the aerospace and automotive industries to the development of new resins and innovative production processes. These technologies unimaginable only few years ago - are intended to generate a positive impact on all sectors and to open up new potentials for application in those industries that have not yet adopted composite materials for cost reasons, although a remarkable market in terms of production volumes. Assocompositi initiatives for the next two years will focus on these new developments, no coincidence our next National Conference will be held in Turin and will involve the major Italian players of aerospace and automotive for an in-depth discussion of the technical and strategic aspects of the composite material sector.
Dai materiali aerospaziali le soluzioni per l’ambiente Il recente interesse dei costruttori di autovetture verso l’utilizzo dei compositi ad elevate prestazioni, per l’alleggerimento delle vetture ibride o elettriche per impieghi urbani ed extraurbani, sta cambiando rapidamente il mercato dei compositi in tutto il mondo.
editoriale
From aerospace materials solutions for the environment
La forte spinta a ridurre il costo delle fibre di carbonio e i tempi necessari per la produzione dei componenti stanno generando una serie di innovazioni che vanno dalla collaborazione tra l’industria aerospaziale e quella automobilistica allo sviluppo di nuove resine nuovi processi produttivi. Queste tecnologie, impensabili fino a pochi anni fa, sono destinati ad avere ricadute positive su tutti i comparti ed aprire nuove prospettive di applicazione anche in quei settori industriali che finora non hanno adottato i materiali compositi per ragioni di costo, ma che costituiscono un mercato formidabile in termini di volumi produttivi. Le iniziative di Assocompositi per il prossimo biennio si focalizzeranno su questi nuovi sviluppi. Il prossimo convegno nazionale seguendo queste tendenze sarà tenuto a Torino e coinvolgerà i principali attori italiani dell’aerospazio e dell’auto in approfondita discussione degli aspetti tecnici e strategici del settore.
Compositi
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La tradizione del servizio dedicato ai global
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Sommario 8
MATERIALI
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Anno VII – Numero 26 Year VII – Issue 26 Dicembre 2012 Decembre 2012
Le fibre di basalto per la nautica Antonio Del Mastro
SPECIALE TESSUTI E RESINE
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NAUTICA
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Sostenibilità: questione di progetto Sustainability: a matter of design Andrea Ratti, Maurizio Valle
Periodicità trimestrale Quarterly review Registrazione al tribunale di Milano n. 189 del 20/03/2006 Pubblicità e Marketing Via Delle Foppette 6 20144 Milano - Italy tel. +39 0236517115 fax +39 0236517116 e-mail: marketing@tecneditedizioni.it
VITA ASSOCIAZIONE
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Progetto grafico impaginazione e fotolito Photo type – setting Lodovico Pieropan
STRUMENTI
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Stampa - Printed by Grafteam
Ottimizzare la progettazione di pale eoliche Design optimization of wind turbine blades
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Carlo L. Bottasso
PROCESSI
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La tessitura della fibra di carbonio Adalberto Horak
È vietata la riproduzione, anche parziale, senza l’autorizzazione della casa editrice Reproduction even partial is forbidden, without the permission of the publisher
SPECIALE NAUTICA
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TECNOLOGIE
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RTM per applicazioni strutturali RTM for structural applications
VETRINA
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COMPOTEC 2013
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Al via la 5° Rassegna Internazionale
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Coordinamento di redazione Editing Co-ordination Anna Schwarz Ufficio Commerciale Sales office Ramona Foddis
Mauro Maggioni, Federico Ciatto
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Direttore responsabile Publishing manager Liliana Pedercini
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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 Carlo L. Bottasso Federico Ciatto Antonio Del Mastro Adalberto Horak Mauro Maggioni Andrea Ratti Simona Tiburtini Maurizio Valle
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Call for papers 3° Convegno Nazionale Assocompositi Dal 22 al 24 maggio 2013 Assocompositi organizza il suo 3° Convegno Nazionale presso la sede del Politecnico di Torino al Castello del Valentino in collaborazione con Torino Piemonte Aerospace (un progetto della Camera di Commercio di Torino gestito da Ceipiemonte) e con il Politecnico di Torino.
La partecipazione al Convegno costituisce un’ottima opportunità di incontro e di scambio di informazioni ad alto livello per ricercatori, professionisti ed aziende del settore su materiali, tecnologie ed applicazioni. I contributi dovranno essere presentati sotto forma di abstract (formato .doc e lunghezza indicativa non superiore a
AREE TEMATICHE
SCADENZE
Aerospazio
Presentazione abstract 1°marzo 2013
2000 caratteri) e non potranno essere presentazioni commerciali. Gli abstract dovranno contenere titolo, nome degli autori, affiliazione, indirizzo completo ed e-mail ed essere inviati a: ufficiostampa@assocompositi.it entro il 1° marzo 2013 con l’indicazione di una delle aree tematiche riportate nella tabella.
QUOTE D’ISCRIZIONE INDIVIDUALI Applicazioni industriali Costruzioni Ecosostenibilità
Accettazione 10 aprile 2013
Energia Pagamento iscrizione 30 aprile 2013
Materiali Nautica
• 3 giornate: 500 Euro (ridotta: 350 Euro) • 1 giornata: 300 Euro (ridotta: 200 Euro) • studenti (3 gg): 150 Euro (ridotta: 100 Euro) Le quote ridotte sono riservate agli oratori, ai Soci Assocompositi, Soci SAMPE e Soci Torino Piemonte Aerospace. Cena Sociale: 75 Euro
Produzione Trasporti
Invio full paper per gli atti 28 giugno 2013
QUOTE SPONSOR AZIENDALI I desk espositivi saranno collocati nella storica Sala delle Colonne del Castello del Valentino.
Platinum: 2.300 Euro • DESK (tavolo con due sedie) • due quote di iscrizione individuali per tre giorni • logo in evidenza sui monitor della sala convegni • logo di grandi dimensioni nel materiale promozionale e negli atti • depliant inserito nello shopper del Convegno • 5 ingressi omaggio per una giornata da distribuire ai clienti Gold: 1.800 Euro • DESK (tavolo con due sedie) • due quote di iscrizione individuali per tre giorni
• logo in evidenza sui monitor della sala convegni • logo di piccole dimensioni nel materiale promozionale e negli atti
Silver: 800 Euro • una quota di iscrizione individuale per tre giorni • possibilità di esporre un totem portadepliant da Voi fornito
Pacchetti giornalieri clienti: 600 Euro A tutti gli sponsor è offerta la possibilità di acquistare un pacchetto clienti da 5 ingressi per una giornata.
Segreteria Tecnica Assocompositi Simona Tiburtini tel: 348 0105920 email: info@assocompositi.it Segreteria Organizzativa Eventum Alessandra Giani tel: 340 9228229 email: eventum@eventum.it
Le informazioni aggiornate sul Convegno e le schede d’iscrizione sono disponibili nel sito www.assocompositi.it o possono essere richieste direttamente alle sopraindicate segreterie.
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Compositi
Partecipazione a Compotec 2013 Assocompositi prende parte con uno stand all’edizione 2013 di Compotec e Seatec, che si terrà presso Carrara Fiere dal 6 all’8 febbraio. Il giorno 7 l’Associazione organizza il seminario “Impatto ambientale dei compositi: recenti sviluppi e normativa” dedicato all’importante e attualissima tematica del riciclo dei compositi a livello nazionale e europeo.
CALENDARIO PROSSIMI EVENTI 2012
ASSOCOMPOSITI A SAE 2013 Dal 29 al 31 gennaio a Torino l’Associazione prenderà parte con un desk istituzionale a SAE 2013, importante simposio internazionale dedicato alla progettazione, produzione e al mercato dei materiali compositi.
Tavolo di lavoro per la qualificazione FRCM Informiamo i Soci del settore costruzioni che proseguono i lavori del Tavolo di Lavoro Assocompositi per la stesura di Linee Guida per la qualificazione ed il controllo di materiali compositi fibrorinforzati a matrice inorganica (FRCM) impiegati per il consolidamento strutturale di edifici esistenti. In vista di una nuova riunione della Commissione Ministeriale, i produttori sono invitati a preparare e inviare ad uno dei laboratori universitari aderenti all’iniziativa una serie di provini per ogni tipologia oggetto della certificazione seguendo le indicazioni già fornite dalla nostra segreteria.
FIERE ■
7-10 gennaio, Dubai (Emirati Arabi)
Composites Arabia 2013
∎ Nuovi Soci
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29-31 gennaio, Orlando (USA)
ACMA Composites 2013 ■
• Airex: con i suoi prodotti dal marchio AIREX ® e Baltek ® è uno dei principali produttori mondiali di materiali d’anima. È un’azienda innovativa che dà grande importanza e valore all’introduzione di tecnologie moderne ed eco-compatibili per la produzione di strutture light-weight.
• Gazechim Compositi Italia: distributore in esclusiva delle resine poliesteri e dei gel coat CCP Composites, delle resine poliesteri Polynt e delle fibre di vetro prodotte da OCV. Propone un vasto assortimento di additivi ed ausiliari per compositi, inclusi i catalizzatori per resine poliesteri dell’Arkema e della Oxido, le cere prodotte da TR Industries e gli adesivi strutturali Simson, utilizzati per l’incollaggio di vari materiali sulla vetroresina, compresi legno e plexiglass.
• Ardea Progetti e Sistemi: produttore dei sistemi di rinforzo BETONTEX®, costituiti da nastri mono e multi direzionali a base di fibre di carbonio e di fibre speciali ad alto modulo legate da una leggerissima trama di vetro, termo fissata, a caldo, specificatamente progettati per applicazioni in edilizia, rinforzo e recupero strutture in cemento armato ed opere murarie in generale.
• ZEC: dal 1958 è sinonimo di qualità superiore, di eccellenti prestazioni e di massima conformità ai requisiti di sicurezza previsti dalla EN 13743. I dischi semiflessibili ZEC sono ideali per la lavorazione dei materiali compositi nelle fasi di smussatura e sfrangiatura e sono apprezzati nel settore nautico, nella produzione di tubazioni e pale eoliche e nella costruzione di manufatti in materiale composito.
CONVEGNI
Siamo lieti di dare il benvenuto tra i nostri nuovi Soci Industriali alle seguenti aziende:
6-8 febbraio (Marina di Carrara)
Seatec & Compotec 2013 ■
26-28 febbraio, Mosca (Russia)
Composite-Expo 2013 ■
4-5 marzo, Melbourne (Australia)
Composites Australia 2013 ■
12-14 marzo, Parigi (Francia)
JEC Europe 2013
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29 - 30 gennaio, Torino (Italia)
SAE 2013 ■
25-27 febbraio, Vienna (Austria)
Wood-Plastics Composites 2013 ■
11-12 marzo, Parigi (Francia)
SEICO 2013
Compositi
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Strumenti Presso il Politecnico di Milano è stato sviluppato un software per la progettazione di pale per turbine eoliche. In questo articolo viene descritto l’uso di questo strumento nella progettazione di pale per macchine multi-MW con caratteristiche di mitigazione passiva del carico, ottenute sfruttando gli accoppiamenti indotti dall’uso di materiali compositi anisotropi.
di Carlo L. Bottasso
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Ottimizzare la progettazione di pale eoliche
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Compositi
l problema della progettazione aerostrutturale delle pale di un rotore eolico riguarda la definizione della forma aerodinamica esterna ottimale e dei componenti strutturali della pala che raggiungano compromessi desiderabili tra diverse cifre di merito, inclusi efficienza aerodinamica, peso, costo di produzione, trasportabilità, ecc. Tutti questi aspetti vengono solitamente considerati e la soluzione di miglior compromesso viene definita nell’ambito del problema più generale della progettazione dell’intera turbina eolica (figura 1), dove l’obiettivo è tipicamente la minimizzazione del costo dell’energia. Questo articolo affronta la progettazione strutturale di pale eoliche per una assegnata forma aerodinamica. Sebbene questo sia solo un aspetto del problema più generale della progettazione di una pala e di una turbina eolica, come menzionato sopra, è nondimeno un compito complesso ed impegnativo. Infatti la progettazione dovrebbe identificare la configurazione strutturale ottimale, la scelta dei materiali ed il dimensionamento appropriato di tutte le parti in modo da assicurare un funzionamento economico, sicuro ed efficiente per tutta la vita della macchina. Dati configurazione e materiali, il problema di dimensionamento dovrebbe essere affrontato in modo tale che tutte le componenti della pala (dai longheroni, alla pelle e solette, alla zona di radice della pala, fino alle giunzioni incollate ed ai rinforzi, ecc.) possano sopportare carichi estremi oltre alla
Politecnico di Milano
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Fig.1: La natura multidisciplinare e multi-obiettivo della progettazione di turbine eoliche
fatica indotta da cicli deterministici ed eccitazioni turbolente stocastiche. Inoltre, la pala dovrebbe essere progettata in modo tale da evitare condizioni di risonanza, le quali incrementerebbero vibrazioni e fatica, essere sufficientemente rigida da evitare di urtare la torre anche in condizioni operative estreme, essere esente da flutter in tutto il campo di funzionamento, ed essere anche priva di instabilità locali quali il buckling della pelle e di altri elementi strutturali. La progettazione dovrebbe anche essere in grado di sfruttare appieno le proprietà anisotrope dei materiali compositi, per esempio in modo da indurre accoppiamenti tra flessione e torsione che attenuino i carichi [2]. Chiaramente questi obiettivi dovrebbero essere raggiunti col minimo costo possibile, soddisfacendo al contempo tutti i vincoli di produzione. La sfida principale in questo complesso problema di progettazione viene dalla necessità di conciliare la natura variabi-
le del carico in una turbina eolica, che richiede analisi in regime transitorio, con il bisogno di cogliere effetti locali quali le concentrazioni di sforzi e le instabilità in strutture tridimensionali complesse costruite con materiali compositi anisotropi. Le analisi dei transitori sono comunemente effettuate con modelli a travi della dinamica della macchina, accoppiati ad appropriati modelli aerodinamici e leggi di controllo che permettono la simulazione di tutto lo spettro di condizioni operative, definendo i valori estremi di carichi e deflessioni così come le sollecitazioni a fatica. D’altra parte, la verifica dello stato locale di sforzi e tensioni e della stabilità è tipicamente condotta con modelli dettagliati agli elementi finiti 3D, utilizzando condizioni di carico ottenute da quelle calcolate con i modelli dinamici. Al momento attuale, questa analisi in due fasi viene generalmente eseguita “a mano”: dopo un dimensionamento preli-
minare compiuto usando un modello aeroelastico a travi (detto nel seguito “grossolano”), si esegue una verifica più raffinata usando un modello FEM 3D (detto nel seguito modello “fine”) e si corregge poi ogni possibile difetto, per esempio aumentando lo spessore o la sequenza di laminazione di un componente. Eventualmente il risultato della verifica fine è usato per aggiornare il modello dinamico più grossolano, ed il processo è ripetuto fino a convergenza. Chiaramente questa procedura è dispendiosa in termini di tempo e molto laboriosa. Inoltre, la progettazione non viene condotta secondo una vera ottimizzazione integrata, il che potrebbe portare a risultati non ottimali. Per migliorare il metodo attuale di progettazione di pale per rotori eolici, il laboratorio POLI-Wind del Politecnico di Milano ha sviluppato degli strumenti software che conducono la progettazione in modo completamente integrato ed
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Strumenti
Ottimizzare la progettazione di pale eoliche >>
Fig.2: Ottimizzazione multilivello nella progettazione strutturale di una pala di turbina eolica
automatizzato. Una descrizione più completa e tecnica dei modelli e metodi implementati in questo software e delle applicazioni finora sviluppate è data nei Rif. [1,2,3].
PROGETTAZIONE STRUTTURALE AUTOMATIZZATA La figura 2 illustra l’ottimizzazione vincolata multilivello per la progettazione strutturale di pale per turbine eoliche, che è implementata nel codice di progettazione Cp-Max (Code for Performance Maximization) sviluppato negli ultimi anni al Politecnico di Milano. Come punto di partenza per l’ottimizzazione è richiesta una definizione iniziale della configurazione strutturale della pala e delle proprietà dei materiali ad essa associate. Successivamente, in
corrispondenza di alcune sezioni scelte lungo l’apertura della pala, vengono definite le principali variabili di progetto, che tipicamente includono gli spessori dei rivestimenti, longheroni e solette così come l’area dei rinforzi del bordo d’attacco e d’uscita; i valori intermedi di queste quantità lungo tutta la pala sono interpolati usando funzioni di forma. Sulla base di questi e di tutti gli altri dati di input necessari, viene sviluppato un modello aeroservoelastico completo usando il codice di simulazione per turbine eoliche Cp-Lambda (Code for Performance, Loads, Aeroelasticity by Multi-Body Dynamic Analysis). Cp-Lambda è un software avanzato di simulazione aeroservoelastica multicorpo, basato su una formulazione in coordinate cartesiane, dove i vincoli tra i vari corpi
del sistema sono imposti utilizzando i moltiplicatori di Lagrange. Le pale sono descritte usando un modello di trave deformabile a taglio e torsione geometricamente esatto, che può rappresentare rotazioni e spostamenti tridimensionali arbitrariamente grandi; la discretizzazione spaziale è ottenuta utilizzando una formulazione isoparametrica, che porta ad un metodo agli elementi finiti non lineari. L’integrazione temporale delle risultanti equazioni del moto del sistema multicorpo, in forma di equazioni differenziali algebriche di indice 3, è ottenuta mediante uno schema di integrazione non lineare incondizionatamente stabile con decadimento dell’energia. Il codice permette analisi statiche e dinamiche, così come il calcolo delle frequenze e della forma dei modi di vibrare intorno a
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Fissalo bene in testa
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Fig.3: Inclinazione delle fibre rispetto all’asse di passo per indurre un comportamento di riduzione del carico in pale eoliche
Il sistema bigHead trova ampio impiego nell’industria dei materiali plastici, automobilistica, nautica, e nell’edilizia. I bigHead possono essere inseriti durante lo stampaggio o incollati superficialmente con adesivi strutturali per semplificare gli assemblaggi dei prodotti e risparmiare sui tempi di produzione. Nella gamma bigHead troverete quelli con i requisiti idonei per ogni specifico problema di fissaggio o bloccaggio. distributore per l’Italia
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configurazioni di equilibrio deformato. In posizioni scelte dall’utente lungo l’apertura della pala, vengono calcolate matrici di rigidezza della sezione che tengono conto di tutti i possibili accoppiamenti strutturali; ciò viene realizzato tramite l’uso del codice ANBA (Anisotropic Beam Analysis), che discretizza la sezione o mediante mesh 2D a elementi finiti o mediante pannelli equivalenti. Il modello aeroservoelastico della macchina è completato da una strategia di regolazione e da un controllore in passo e coppia, come richiesto per governare la macchina in tutto il suo inviluppo operativo. Con questo modello aeroservoelastico ad anello chiuso possono essere simulate condizioni di progetto (design load cases, DLC) che includono venti turbolenti, raffiche estreme e condizioni di guasto, secondo linee guida di certificazione quali le IEC-61400 o le GL. Procedure automatizzate gestiscono il post-processing di tutti i risultati generati, per definire gli inviluppi di carico su ogni sezione della pala, inviluppi costituiti da matrici contenenti i valori delle risultanti massime e minime delle azioni interne. Usando gli inviluppi di carico, ad ogni nuova iterazione il software calcola tutte le variabili di progetto di interesse, così come la massima deflessione dell’estremità, gli stati di sforzo e deformazione in punti di verifica sulle sezioni di interesse tramite relazioni di recupero fornite da ANBA, ed il livello di danneggiamento a fatica negli stessi punti di verifica. Queste quantità sono quindi imposte come vincoli di disuguaglianza per il problema di ottimizzazione. Il codice calcola anche il diagramma di Campbell della macchina, in modo che le condizioni di vincolo che garantiscono una progettazione esente da risonanze possano essere incluse nell’ottimizzazione. Inoltre, si possono includere vincoli addizionali sui parametri di progetto incogniti, quali limiti sui ratei di variazione degli spessori lungo l’apertura della pala o sulla posizione relativa tra il centro di gravità di una sezione e l’asse di variazione passo. La funzione di merito del problema di ottimizzazione è rappresentata dalla massa totale della pala, o da un modello di costo, se disponibile. La massa della pala è calcolata in base alla geometria e materiali e include anche masse non struttu-
Ottimizzare la progettazione di pale eoliche >> rali dovute al rivestimento superficiale, allo riempitivo, alla resina assorbita, ecc. L’ottimizzazione multidisciplinare vincolata è eseguita fino a convergenza usando l’algoritmo sequential quadratic programming (SQP). Al fine di ridurre il costo computazionale, l’ottimizzazione è eseguita per un inviluppo di carico fissato; una volta che il costo dell’ottimizzazione converge, viene generato un nuovo modello aeroelastico della turbina eolica seguendo i passi descritti in precedenza e le necessarie analisi vengono ripetute finché nessun cambiamento è più rilevato nell’inviluppo di carico e nel valore delle variabili di progetto, cosa che tipicamente richiede pochissime iterazioni. Questa procedura minimizza il numero di valutazioni dell’inviluppo di carico, così da ridurre il costo computazionale. Dalla geometria calcolata della pala il codice genera automaticamente un modello CAD 3D, che tiene dettagliatamente conto di tutti i componenti (longheroni, flange, solette, rinforzi dei bordi d’attacco e d’uscita, pelle e riempitivi) e delle proprietà dei materiali e caratteristiche del laminato ad essi associate. La creazione della mesh della pala è eseguita in modo completamente automatico usando elementi a guscio o solidi, ed il modello FEM è esportato in formati compatibili con vari solutori FE commerciali. Il modello FE 3D è utilizzato per la verifica fine dei vincoli di progetto associati ai
valori ammissibili di sforzi, deformazioni, deflessioni e danneggiamento a fatica, in quanto il modello dettagliato rivela effetti che potrebbero essere stati trascurati dal modello quasi-3D costituito dal modello a travi 1D e dai modelli sezionali 2D. Per esempio, le concentrazioni di sforzi locali agli estremi delle solette o nelle regioni con rapide variazioni di geometria non possono essere rappresentati correttamente da modelli a travi, perché in questi casi le ipotesi stesse che sono alla base delle teorie delle travi sono violate. Nel caso in cui siano rilevate violazioni dei vincoli al livello fine, il ciclo di ottimizzazione al livello grossolano è ripetuto con limiti sui vincoli modificati proporzionalmente all’entità della violazione. Le iterazioni al livello grossolano e fine, illustrate in figura 2, sono ripetute finché non venga raggiunta una soluzione ottimale che soddisfi le condizioni di vincolo al livello di descrizione più raffinato. Inoltre, il modello 3D può essere utilizzato per progettare componenti strutturali secondari, come per esempio lo spessore del riempitivo della pelle usato per evitare il buckling, per mezzo di un’analisi linearizzata di stabilità. Ciò influisce a sua volta sulla massa non strutturale del modello della pala, portando a una stima migliorata della funzione di costo. Questo cambiamento nella massa influisce sull’analisi al livello grossolano, che è quindi ripetuta fino a convergenza;
questa si ottiene solitamente nel giro di poche iterazioni.
APPLICAZIONI Le procedure di progettazione automatizzata descritte in questo lavoro sono state applicate a diversi progetti industriali e di ricerca. Limitazioni di spazio precludono la descrizione approfondita di un’applicazione completa; tuttavia vogliamo descrivere qui brevemente un progetto interessante dove l’uso delle capacità di progettazione integrate sopra descritte si è dimostrato particolarmente utile. La mitigazione passiva dei carichi può essere ottenuta progettando una pala che, quando soggetta a carico a causa di, ad esempio, raffiche e/o fluttuazioni turbolente del vento, si deformi in modo da indurre una riduzione del carico stesso. La soluzione classica per ottenere questo compor tamento strutturale è stata quella di progettare pale con un certo grado di accoppiamento flessio-torsionale (bend twist coupling, BTC). Infatti il BTC implica che, quando la pala si flette a causa di aumenti di carico, la conseguente torsione influenzerà il carico aerodinamico attraverso un cambiamento dell’angolo di attacco. Questa forma di attenuazione del carico è in linea di principio molto attraente grazie alla sua natura completamente passiva: non ci sono attuatori che si possono guastare, nessuna parte mobile che si può
Fig.4: Angolo di attacco all’80% dell’aper tura per una raffica di vento corrispondente alla DLC 1.5 a 25 m/s
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Fig.5: Evoluzione temporale dell’angolo d’attacco per una condizione di vento turbolento (DLC 1.2)
usurare, e non c’è necessità di sensori, tutte caratteristiche che sono molto interessanti per le turbine eoliche, dove la semplicità, la bassa manutenzione e l’alta disponibilità sono punti chiave per la riduzione del costo dell’energia. Un modo per realizzare una pala dotata di comportamento BTC è quello di sfruttare le proprietà meccaniche anisotrope dei materiali compositi: come illustrato in figura 3, gli effetti di accoppiamento desiderati possono essere ottenuti ruotando le fibre del materiale composito rispetto all’asse di passo nelle solette ed eventualmente nella pelle di rivestimento. Tuttavia, come spesso avviene nella progettazione di turbine eoliche o di altri sistemi ingegneristici complessi, i benefici del BTC possono essere accompagnati da effetti indesiderati, come l’aumento del peso, della complessità di produzione ed eventualmente del costo. Per esempio, quanto il BTC è ottenuto spostando la direzione delle fibre rispetto all’asse della pala, si ottiene anche, come effetto collaterale, una riduzione della rigidezza flessionale. Per pale in cui la rigidezza flessionale è dettata dal soddisfacimento della massima deflessione dell’estremità della pala e/o dal valore della prima frequenza di vibrazione, è necessario ripristinare la rigidezza stessa, per esempio aumentando lo spessore delle solette, il che a sua volta implicherà un certo aumento di peso. Per tenere conto di questi effetti com-
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plessi, l’uso di un software di progettazione come quello qui descritto si dimostra essere estremamente utile. Le procedure di progettazione automatizzata implementate in Cp-Max sono state usate per il progetto di due differenti pale da 45 m per una turbina eolica di Classe IIIA da 2 MW, come più compiutamente descritto nel Rif. [2]. La prima pala adotta una configurazione convenzionale, mentre la seconda implementa una soluzione BTC con rotazione delle fibre nelle solette (5°) e nella pelle (20°), a partire dal 30% dell’apertura (cioè dal punto di massima corda verso l’estremità della pala). Entrambe le pale soddisfano esattamente gli stessi vincoli progettuali, ed in particolare hanno la stessa produzione annua di energia e la stessa deflessione massima dell’estremità, soddisfano le stesse condizioni sulle prime frequenze naturali di vibrazione in flappeggio e ritardo, hanno gli stessi limiti a fatica, usano gli stessi materiali e quindi hanno gli stessi sforzi e deformazioni ammissibili. Dunque, poiché entrambe le pale possono essere usate sulla stessa turbina eolica, il confronto diretto dei loro indici di prestazione può dare indicazioni utili sul possibile impatto della tecnologia BTC su questa specifica macchina. I risultati di questa ricerca, come più compiutamente descritto nel Rif. [2], indicano che in questo caso, rispetto alla pala stan-
dard senza accoppiamento, una pala BTC può raggiungere riduzioni interessanti sia sui carichi massimi che a fatica, riduzioni variabili tra il 5 e il 15% circa, dipendentemente dal componente della macchina. Il meccanismo di riduzione del carico della pala BTC è ben illustrato dalla figura 5, che mostra l’angolo d’attacco in un punto specifico lungo l’apertura durante una raffica di vento estrema (EOG, extreme operating gust), una condizione che definisce il valore massimo del momento flettente alla base della torre. All’inizio della raffica, quando i carichi sono ancora piccoli, gli angoli d’attacco delle due pale sono molto simili. Poi, ai valori più alti della velocità del vento, la pala BTC mostra un minor angolo di attacco, perché l’aumento della flessione dovuto al carico generato dalla raffica torce la pala stessa. Questo effetto di riduzione del carico viene ottenuto con una leggera riduzione simultanea della massa totale della pala, di poco superiore all’1%. Inoltre, è stato osservato che la pala, oltre ad essere più leggera e meno sollecitata, deve anche essere meno attuata in passo dal sistema di controllo. Per illustrare meglio questo interessante effetto, si può osservare il passo della pala ottenuto durante il funzionamento in anello chiuso della macchina in condizioni di vento turbolento. La figura 5 mostra l’evoluzione temporale del passo pala in condizioni di vento turbolento (DLC 1.2) a una velocità media del
Ottimizzare la progettazione di pale eoliche >> vento di 11 m/s. La figura evidenzia un comportamento marcatamente differente da parte delle due pale. Per basse velocità del vento nella regione di carico parziale, cioè intorno a 360 s a 11 m/s, i passi sono tutti costanti e uguali ai loro valori di trim. Quando la velocità del vento inizia ad aumentare e oscilla tra le regioni di carico parziale e pieno, i passi sono modificati dal sistema di controllo, ma in modo diverso per ognuna delle due pale. Infatti, la pala standard senza accoppiamento mostra ampie oscillazioni di passo, mentre il modello accoppiato mostra minori escursioni dello stesso. Per esempio, intorno ai 390 s il modello base è soggetto ad una sequenza piuttosto aggressiva di cambiamento del passo, mentre quella con BTC passa attraverso lo stesso evento con una regolazione dell’angolo di passo molto più morbida. Questi risultati illustrano chiaramente che il sistema di controllo del
passo, grazie al controllo passivo introdotto dalla tecnologia BTC, deve reagire in modo meno aggressivo alla fluttuazione turbolenta del vento, risultando così in una minore attività del sistema di regolazione del passo e quindi in ridotti cicli di lavoro per l’attuatore. Ciò implica una minore usura del sistema di controllo del passo, od un possibile uso sinergico della mitigazione passiva (con accoppiamento BTC) e attiva (tramite l’uso di un controllo individuale del passo) del carico, un’idea ulteriormente esplorata nel Rif. [2]. ■ Riconoscimenti L’autore desidera riconoscere il contributo di Filippo Campagnolo, Alessandro Croce e Federico Gualdoni del Laboratorio POLI-Wind del Politecnico di Milano, così come di vari studenti, nello sviluppo delle procedure software descritte in questo lavoro.
>> BIBLIOGRAFIA REFERENCES [1] C.L. Bottasso, A. Croce, F. Campagnolo, Multi-Disciplinary Constrained Optimization of Wind Turbines, Multibody System Dynamics, doi:10.1007/ s11044-011-9271-x, 2011. [2] C.L. Bottasso, F. Campagnolo, C. Tibaldi, Optimization-Based Study of BendTwist Coupled Rotor Blades for Passive and Integrated Passive/Active Load Alleviation, Wind Energy, doi:10.1002/ we.1543, 2012. [3] C.L. Bottasso, F. Campagnolo, A. Croce, S. Dilli, F. Gualdoni, M.B. Nielsen, Structural Optimization of Wind Turbine Rotor Blades by Multi-Level Sectional/Multibody/3DFEM Analysis, Scientific Report DIA-SR 12-01, Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale, Politecnico di Milano, May 2012.
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Tools
by Carlo L. Bottasso
Design optimization of wind turbine blades
Software procedures for the design optimization of wind turbine rotor blades were developed at the Politecnico di Milano. This article describes the use of these tools in the design of multi-MW wind turbine blades with passive load mitigation characteristics, obtained by exploiting the couplings induced by the use of anisotropic composite materials. he aero-structural design problem of wind turbine rotor blades concerns the definition of the optimal external aerodynamic shape and of the structural components of the blade that realize some desirable compromise among several figures of merit, including aerodynamic efficiency, weight, manufacturing cost, transpor tability, etc. All necessary trade-offs are usually considered and ultimately finalized within the more general problem of designing the whole wind turbine (figure 1), where the goal is typically the minimization of the cost of energy. This paper addresses the structural design of wind turbine rotor blades for a given aerodynamic shape. Although this is only one aspect of the more general problem of designing a blade and a wind turbine, as mentioned above, it is nevertheless a highly complex and challenging task. In fact, the design should identify optimal structural layout, choice of materials and proper sizing of all structural members to ensure a cost-effective, safe and efficient operation throughout the lifetime of the machine. Given layout and materials, the sizing problem should be performed in such a way that all blade components (from webs, skin and spar caps, to root bolting and all the way down to glued connections, reinforcements, etc.) can with-
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Compositi
stand extreme loads and the effects of fatigue due to deterministic cyclic and stochastic turbulent excitations. Furthermore, the blade should be designed in such a way to avoid resonant conditions, which would increase vibrations and fatigue, be stiff enough to avoid striking the tower even under extreme operating conditions, be flutter-free in all of its operating envelope, and also free from local instabilities such as skin buckling, wrinkling, etc. The design should also be able to fully exploit the anisotropic properties of composite materials, for example for inducing load mitigating couplings between blade bending and twisting [2]. Clearly, these goals should be met with the minimum possible cost, while satisfying all necessary manufacturing constraints. The main challenge of this design problem comes from the need to marry the unsteady nature of loading in a wind turbine, which requires transient analyses, with the need to capture local effects such as stress concentrations and instabilities in complex 3D structures made with anisotropic composite materials. Transient analyses are routinely performed with beam-like models of the machine dynamics, coupled to suitable aerodynamic models and control laws that enable the simulation of the whole spectrum of unsteady operating condi-
Politecnico di Milano
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tions defining extreme loads and deflections, as well as fatigue. On the other hand, the verification of the local state of stress and strain and of stability are typically conducted with detailed 3D static finite element models, under loading conditions obtained from the ones computed with the transient models. At present, this two-stage analysis is typically performed “by hand�: after a first coarse-level preliminary sizing performed using beam-like models, one performs a fine-level verification using 3D FEM and corrects any possible deficiency, for example by increasing the thickness or lamination sequence of a component. Possibly, the result of the fine-level verification is used to update the coarse-level dynamic model and the process is iterated until convergence. Clearly, this procedure is time consuming and labor intensive. Furthermore, the design is not conducted as an integrated multi-level optimization, and might lead to sub-optimal results since there is not a consistent way to reflect the results of the fine-level analysis into modifications of the coarselevel models. To improve on the current method of designing wind turbine rotor blades, the POLI-Wind Laboratory at the Politecnico di Milano has developed software tools, briefly described in the present paper, that conduct the design in a fully integrated and automated manner. More complete and technical details on the models and methods implemented in this software and of the applications developed so far are given in Refs. [1,2,3].
AUTOMATED STRUCTURAL DESIGN OF WIND TURBINE ROTOR BLADES Figure 2 illustrates the multi-level constrained structural design optimization of wind turbine rotor blades, which is implemented in the wind turbine design code Cp-Max (Code for Performance Maximization) developed in recent years at the Politecnico di Milano. As a starting point for the optimization, an initial definition of the blade structural configuration and associated material properties is required. Next, the primary design variables are defined at selected span-wise sections, typically including the thicknesses of skin, shear webs and
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Tools
spar caps as well as the area of the leading and trailing edge reinforcements; intermediate values along the blade span are interpolated using shape functions. Based on this and all other necessary input data, a complete aeroservoelastic model of the machine is developed using the wind turbine simulation code Cp-Lambda (Code for Per formance, Loads, Aeroelasticity by Multi-Body Dynamic Analysis). Cp-Lambda is an advanced multibody aeroservoelastic simulation software, based on a Cartesian coordinate formulation, where constraints among the various bodies of the system are enforced using Lagrange multipliers. Blades are described using a geometrically exact shear and torsion deformable beam model, which can represent arbitrarily large three dimensional rotations and displacements; spatial discretization is obtained using an isoparametric formulation, resulting in a non-linear full finite element method. Time integration of the resulting differential algebraic multibody equations of motion in index-3 form is performed using a nonlinearly unconditionally stable energy decaying integration scheme. The code supports static and transient analyses as well as the computation of frequencies and mode shapes about deformed equilibrium configurations. At user selected span-wise stations, cross sectional stiffness matrices accounting for all possible structural couplings are computed using the code ANBA (Anistropic Beam Analysis), based on either 2D finite element meshes or equivalent panels. The model is supplemented by a regulation strategy and a collective-pitch/torque controller, as required so as to control the machine over its entire operating envelope. With this closed-loop aeroservoelastic model, transient design load cases (DLCs) are simulated that include turbulent wind cases, extreme gusts and a variety of fault conditions, according to certification guidelines such as IEC6-1400 or GL. Automatic procedures manage the post-processing of all generated results, to define the sectional load envelopes, which are matrices containing values of the maximum and minimum internal stress resultants. Using the load envelopes, for each in-
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Compositi
stantiation of the blade design the software computes all relevant design quantities, such as maximum tip deflection, stress and strain states at selected verification points in a number of span-wise sections through recovery relations provided by ANBA, and the level of fatigueinduced damage at the same verification spots. These quantities are then enforced as inequality constraint conditions for the optimization problem. The code also computes the Campbell diagram of the machine, so that constraint conditions ensuring a resonantfree design can be included in the optimization. Furthermore, one can also include additional constraints on the unknown design parameters, such as bounds on the span-wise ply tapering rates or on the relative position between sectional center of gravity and pitch axis. The merit function of the optimization problem is represented by the total mass of the blade, or a cost model if available. Blade mass is computed based on the spatial and sectional configuration of the blade and also includes non-structural masses due to surface coating, foam core, resin take-up, etc. The constrained multi-disciplinary optimization is run until convergence using the sequential quadratic programming (SQP) algorithm. In order to reduce the computational cost, the optimization is run for a frozen load envelope; once the cost optimization converges, a new aeroservoelastic wind turbine model is generated following the previously described steps and the relevant analyses are repeated for updating the generalized load envelope. The optimization is repeated until no more changes in the load envelope and the design are detected, which typically takes very few iterations. This procedure minimizes the number of evaluations of the generalized load envelope so as to reduce the computational cost. From the computed blade geometry the code automatically generates a 3D CAD model, which precisely accounts for all components of the blade (shear webs, web core, flanges, spar caps, leading and trailing edge reinforcement, internal skin, skin core and external skin) as well as their associated material properties and laminate characteristics. The mesh-
ing of the blade is performed in a fully automated way by using either shell or solid elements, and the FEM model is exported in the form of input files compatible with various commercial FE solvers. The 3D FE model provides the framework for a fine-level verification of the design constraint inequalities associated with admissible stresses, strains, deflections and fatigue damage, as the detailed model reveals effects that may have been overlooked by the coarse quasi-3D model composed of 1D spatial beam and 2D cross sectional models. For example, local stress concentrations at the beginning and end of the spar caps or at regions with rapidly changing geometry in the span-wise direction cannot be correctly represented by beam models, since in these cases the very hypotheses underlying beam theories are violated. In case constraint violations are detected at the fine-level, the coarse optimization loop is repeated with constraint bounds that are tightened propor tionally to the violation amount. Coarse and fine-level iterations, illustrated in figure 2, are repeated until an optimal design that satisfies the constraint conditions at the finest description level is obtained. In addition, the 3D model can be used for designing secondary structural components, as for example the thickness of the skin core through a linearized buckling analysis. This in turn affects the non-structural mass of the blade model leading to an improved estimate for the cost function. This mass change affects the coarse-level analysis, that is then repeated until convergence; this is usually accomplished in a few iterations.
APPLICATIONS The automated design procedures described in this work were applied to a number of research and industrial projects. Space limitations preclude the indepth description of a complete application; however we want here to briefly describe an interesting design project where the use of the integrated design capabilities described above has proven to be particularly useful. Passive load mitigation can be achieved by designing a blade that, when loaded
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Design optimization of wind turbine blades for example by wind gusts and/or turbulent fluctuations, deforms so as to induce a load reduction. The classical solution to achieve this structural behavior has been to design blades with some degree of bend-twist coupling (BTC). In fact BTC implies that, when the blade bends because of increased loads, the ensuing change of twist will affect the aerodynamic loading through a change in angle of attack. This form of load alleviation is in principle very attractive because of its passive nature: there are no actuators which may fail, no moving parts which may wear out, and no need for sensors, all characteristics that are very interesting for wind turbines where simplicity, low maintenance and high availability are key to reducing the cost of energy. One way of designing a blade exhibiting BTC behavior is by way of exploiting the anisotropic mechanical properties of composite materials: as illustrated in figure 3, the desired coupling effects can be obtained by rotating the composite material fibers away from the blade pitch axis in the spar caps and optionally in the skin. However, as usual in the design of wind turbines or other complex engineering systems, the benefits of BTC blades may be accompanied by other undesirable effects, such as an increase of weight, and of manufacturing complexity and possibly cost. For example, when BTC is obtained by moving the fiber directions away from the blade axis, one also obtains a reduction of the bending stiffness as a side effect. For blades where the bending stiffness is dictated by the satisfaction of the maximum blade tip deflection and/or the placement of the first flap frequency, one then needs to restore it by, for example, increasing the thickness of the spar caps, which will in turn imply some weight increase. To account for these complex effects, the use of a design software as the one described here proves to be extremely useful. The automated design procedures implemented in Cp-Max were used for the design of two alternative 45 meter rotor blades for a Class-IIIA 2MW wind turbine, as more fully described in Ref. [2]. The first blade uses a conventional con-
figuration, while the second implements a BTC solution with fiber rotations in the spar caps (5 deg) and the skin (20 deg), starting from the 30% span location going outboard (i.e. from around the max chord to the blade tip). Both blades satisfy exactly the same design constraints, and in particular have the same annual energy production and same maximum tip deflection, satisfy the same conditions on the first flapwise and edgewise natural frequencies, have the same fatigue limits, use the same materials and hence have the same allowable stresses and strains. Hence, since both blades could be used on the same wind turbine, the direct comparison of their performance metrics can give useful indications on the possible impact of BTC technology on this specific machine. The results of this investigation, as more fully described in Ref. [2], indicate that in this case a BTC blade can achieve interesting reductions with respect to the standard uncoupled blade in both the maximum and fatigue loads, ranging from around 5 to about 15% depending on the machine component. The mechanism of load reduction of the BTC blade is nicely illustrated by figure 5, which shows the angle of attack at a specific blade station during an extreme operative gust (EOG), a condition that defines the envelope tower base fore-aft moment. At the beginning of the gust, when loads are still small, the angles of attack of the two blades are very similar. Then, at the higher values of wind speed, the BTC blade exhibits a lower angle of attack, because the increase in blade bending due to gust loads twists the blade section towards feather. This load reduction effect is achieved with a simultaneous slight reduction of the total blade mass, a bit over 1%. Furthermore, it was observed that this lighter and less loaded blade also needs to be pitched less, since it has a relieving effect on the pitch control system. To better illustrate this interesting effect, one can look at the pitch angle obtained in closed-loop operation in turbulent wind conditions. Figure 5 shows the pitch angle time history in turbulent wind conditions (DLC 1.2) at a mean wind speed of 11 m/sec. The figure high-
lights a markedly different behavior for the two blades. For low wind speeds in the partial load region, i.e. around 360 sec at 11 m/sec, pitch angles are all constant and equal to their own respective trim values. When the wind speed starts to increase and oscillates between the partial and full load regions, pitch angles are modified by the feedback control loop, but in a different way for each blade. In fact, the baseline uncoupled blade exhibits large pitch oscillations, while the coupled model shows lower pitch values. For example, around 390 sec the baseline model is subjected to an aggressive pitch control sequence, while the BTC one passes through the same wind event with a much smoother pitch input. These results clearly illustrate that the pitch controller, thanks to the self-reaction and built-in passive control of a BTC blade, has to react less aggressively to turbulent wind fluctuation, resulting in a lower effort on the pitch system and therefore in a reduced actuator duty cycle. This implies less wear on the pitch system, or the possible synergistic use of passive (by BTC coupling) and active (by the use of individual pitch control) load mitigation, an idea further explored in Ref. [2]. Acknowledgements The author wishes to acknowledge the contribution of Filippo Campagnolo, Alessandro Croce and Federico Gualdoni of the POLI-Wind Laboratory of the Politecnico di Milano, as well as of several students, in the development of the software procedures described in this work.
All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: The multi-disciplinary and multi-objective nature of wind turbine design Fig.2: Multi-level structural design optimization of a wind turbine rotor blade Fig.3: Twisting of fibers away from the pitch axis to induce a BTC load alleviating behavior in rotor blades Fig.4: Angle of attack at 80% span for a wind gust corresponding to DLC 1.5 at 25 m/sec Fig.5: Pitch angle time history for a turbulent wind condition (DLC 1.2)
Compositi
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Processi
di Adalberto Horak
La tessitura della fibra di carbonio La fase di tessitura è un passaggio fondamentale per determinare caratteristiche e proprietà dei tessuti in carbonio e richiede l’adozione di particolari procedure e accorgimenti. A partire dall’impiego di telai disegnati ad hoc. e tipologie di fibra di carbonio più comunemente usate nel mondo dei compositi sono due: la fibra ricavata da precursore, detto PAN (ottenuto tramite un processo di polimerizzazione a parametri specifici dell’acrilonitrile) e quella ricavata da Pitch (un sottoprodotto del processo di raffinazione del petrolio). La produzione mondiale di fibra di carbonio da PAN supera le 60.000 tonnellate anno nominali, che vengono poi convertite secondo vari processi di cui possiamo riassumere i principali in: filament winding e tow placement, pultrusion e pull winding, compounding, tessitura in senso generico. A sua volta dalla tessitura della fibra derivano tre diverse famiglie di prodotti: tessuti unidirezionali, tessuti multiassiali, tessuti tradizionali. Ad oggi circa il 50% della fibra di carbonio prodotta viene convertita tramite processi di tessitura, che rimane quindi il processo principale di trasformazione. Anche se entrambe le fibre di carbonio possono essere tessute, quella da PAN è la più utilizzata. Schematicamente, il
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Compositi
processo di produzione della fibra di carbonio da PAN parte dalla polimerizzazione per ottenere il precursore, passa poi all’ossidazione dello stesso, carbonizzazione a bassa e alta temperatura, applicazione del sizing e avvolgimento sulle bobine. Sul mercato è disponibile un prodotto che viene classificato, a livello dimensionale, per il numero in migliaia di microfilamenti che compongono la fibra, invece che i più classici Denari o Denier o dTex. I formati più usati in tessitura sono: 1 K o 1,5 K (mille microfilamenti), 3 K, 6 K, 12 K, 24 K, 48 K. Esistono poi formati diversi propri di alcuni produttori (come il 16 K o il 50 K), ma la gamma sulla quale si confrontano i maggiori produttori è quella indicata. A livello di caratteristiche meccaniche, la fibra di carbonio si distingue in basso modulo, modulo intermedio, alto modulo. In termini numerici si va da circa 220 GPa a oltre 500 GPa, ma la gamma più comune in tessitura è quella dai 230 ai 250 GPa, con tenacità che varia dai 3100 ai 5200 MPa.
I PROCESSI DI TESSITURA Venendo più nello specifico alle caratteristiche della fibra di carbonio in relazione ai processi di tessitura, la fibra è formata da migliaia di microfilamenti del diametro di circa 7 micron tenuti insieme grazie a un sizing e formanti una fibra dalla forma piuttosto piatta, un ovale molto schiacciato. La larghezza in mm di questa “piattina” può andare da meno di 2 mm a oltre i 25 mm, a seconda del tipo di fibra e se viene sottoposta ad un processo di aper tura. La fibra di carbonio è inoltre conduttiva elettricamente, riflette la luce, si sfilaccia facilmente per sfregamento (rottura di microfilamenti) e non è elastica. Per ultimo, la larghezza della fibra non è sempre uniforme. Queste sono alcune delle caratteristiche che influenzano la qualità del prodotto finito tessuto durante il processo di trasformazione. Tralasciando qui la produzione di multiassiali, queste annotazioni por tano immediatamente alla conclusione che una linea di tessitura “normale”, anche
BlackSun Partners
se configurata per tessuti tecnici, non è adatta a tessere il carbonio. Inoltre, anche se buona par te dei componenti della linea possono essere in buona sostanza quelli comuni ad altri tipi di tessitura tecnica con qualche piccolo accorgimento, il telaio, cuore del processo di tessitura, deve avere una configurazione specifica per il carbonio. Una caratteristica fondamentale che permette una migliore qualità in tessitura è la presenza della pinza positiva, ancora meglio se montata singola, cioè senza scambio fra le due pinze traente e por tante. A par tire da questo accorgimento fondamentale, il telaio potrà poi essere configurato con alcuni ulteriori accessori che aumenteranno la qualità del prodotto finale diminuendo al tempo stesso la possibilità che si creino difetti. È evidente che il costo dei difetti col carbonio è decisamente importante, visto il costo della materia prima fibra, quindi vanno assolutamente evitati. Alcuni esempi di accessori propedeutici a una tessitura di migliore qualità possono essere l’installazione di una calandra specifica di alimentazione, un cilindro compensatore adatto alla rigidità e sensibilità del carbonio, drivers elettronici che gestiscano e sincronizzino i movimenti delle diverse par ti del telaio e dell’arrotolatore, cantre frenate, arrotolatori assiali esterni, porgi trama per trama piatta, accessori
per la tessitura senza cimosse (il costo degli scar ti delle cimosse incide per un 4-10% a secondo dell’altezza del tessuto) etc. I difetti più comuni che può presentare un tessuto di carbonio, che il cliente finale a volte tende a sottolineare esagerandone la valenza proprio perché risultano par ticolarmente evidenti, date le caratteristiche del filato, sono: tensionatura non uniforme (linee di colore diverso sul tessuto), mancanza di coper tura uniforme (luce fra i fili), stramatura (trama e ordito non sono ortogonali), spanciatura (può capitare spesso quando la larghezza del tessuto è oltre lo standard di 100cm/120cm) ed altri. Dato che la caratteristica dei tessuti più comunemente richiesti è di avere una bassa battitura (poche inserzioni al cm) e date le caratteristiche dimensionali del filo, i difetti estetici spesso nascono proprio dopo la tessitura, in fase di arrotolamento. Così come problemi di tensionamento possono nascere già prima dei quadri di tessitura. Questo a ulteriore riprova che una linea di tessitura di carbonio va disegnata ad hoc, dimensionata secondo i limiti tecnici del carbonio ad essere tessuto (larghezza tessuto, velocità telaio, etc..), installata e gestita in un ambiente idoneo (data la conduttività della fibra, la produzione di microparticelle che si distaccano dai fili e tendono a volare, la sensibilità a condi-
zioni di temperatura e umidità) e con personale qualificato. I maggiori produttori di tessuti di carbonio hanno, ognuno secondo la propria sensibilità e grazie ad una grande esperienza, definito e implementato accorgimenti e procedure per fornire un prodotto di altissima qualità. Il trend di crescita di questo mercato sta però attraendo nuovi attori in Europa, dove è nato il primo tessitore di carbonio, nel Medio ed Estremo Oriente e nei cosiddetti BRICS, che, mancando di esperienza nel tessere carbonio, dovranno tenere in considerazione la specificità della fibra. ■
Adalberto Horak ha fondato nel 2009 BlackSun Partners, a seguito di una decennale esperienza nel mondo dei compositi avanzati e per difesa, ed altri settori industriali. Si occupa della commercializzazione in Europa della fibra di carbonio prodotta da DowAksa e di altre fibre tecniche, cooperando con i maggiori produttori mondiali. Anche grazie a una rete di aziende partner, fornisce macchinari e tecnologie, consulenza tecnica e di business, in particolare ad aziende che si occupano di carbonio a tutti i livelli della catena produttiva, incluso il riciclo dei prodotti a fine vita, con particolare enfasi su aziende in fase di start up, cambio di modello strategico, sviluppo nuovi prodotti o entrata in nuovi mercati.
Compositi
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Materiali
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Aldebran
di Antonio Del Mastro
Le fibre di basalto per la nautica Ancora poco utilizzate in Italia, le fibre di basalto, grazie alle elevate caratteristiche meccaniche, rappresentano una valida alternativa ai materiali tradizionali in diversi settori. La possibilità di resistere fino a temperature di circa 600 °C le rende applicabili in molti contesti di isolamento termico e protezione da incendi e in molti casi sostituibili alle fibre di vetro o di carbonio. Le fibre di basalto presentano ottime performance meccaniche, buona resistenza a trazione, ottima resistenza alla
e fibre di basalto (roccia di origine vulcanica) sono note da molti anni nel mondo dei compositi, specialmente in paesi extra-UE, come gli ex paesi URSS e la Cina, e vengono utilizzate nel settore meccanico, nautico, aeronautico, siderurgico, militare e delle costruzioni.
L
corrosione, che le rendono interessanti sia sotto forma di tessuti sia per processi di pultrusione, produzione di preimpregnati o semplicemente nella forma chopped. Nella forma di filato (yarn) il prodotto può essere impiegato per la produzione di tessuti, nastri isolanti, guaine.
PHYSICAL & MECHANICAL PROPERTIES COMPARISON Item
Basalt
E-G ass
S-Glass
Polypropylene
Aramid
Carbon fiber
Steel fiber
2.63
2.54
2.54
0.91
1.45
1.78
7.8
Tensile Strength (MPa)
3200-3850
3100-3200
3200- 4100
420
2900-3430
3500-6000
600-900
Elaslic modulus (Gpa)
93
72.50
86
3.50
70-140
230-430
250
Elongation at break (%)
3.1
4 .7
5.3
10
1.5-2.0
1.5-2.0
------
1050
850
850
100
270
------
800
-260-650
380
380
60
250
500
500
1100
1000
950
120
500
800
950
0.031-0.038
0.026-0.035
Density (g/cm ) 3
Softening point (°C) Working temperature (°C) Temporary temperature (°C) Thermal conductivity (W/m.K) Etectrical specific volume (Ohm.m) Acoustical Normal coefficient of sound absorption
1x1012
0.9-0.99
Tabella 1: Confronto tra le caratteristiche delle fibre di basalto con altre più diffuse fibre composite
Compositi
25
m
Materiali
Come nel caso di altre fibre composite, i filati ritor ti in un’unica direzione vengono definiti “single yarns” e quelli in direzione sinistra e destra “S-twist yarn” e “Z-twist yarn” rispettivamente. Diversi single yarns avvolti insieme vengono chiamati “plied” o “bilance yarns”. Un filato di basalto standard può avere diametri del filamento da 6 a 16 µm con una densità lineare in tex da 33 a 4800. Il trattamento super ficiale del filamento può essere di tipo epossidico (più comune in assoluto) oppure vinylester, fenolico, poliestere, etc. Dai filati si possono ottenere anche corde impiegate per resistere al calore o ad ambienti acidi/alcalini. Una speciale applicazione delle corde può essere l’utilizzo nella nautica o come rinforzo strutturale di murature storiche o danneggiate da eventi sismici. I filamenti di basalto tagliati a lunghezze prefissate vengono definiti chopped e possono essere trattati in superficie al fine di renderli flottanti in acqua e particolarmente adatti ad essere amalgamati con miscele di acqua ed altri additivi delle costruzioni per la produzione di lastre prefabbricate, prodotti similari o per il rinforzo di asfalti. Le fibre chopped vengono inserite anche in prodotti come freni, frizioni, piastre di vario tipo per applicazioni meccaniche. In genere, per quanto riguarda il settore delle costruzioni, tra i benefici dell’impiego di queste fibre si possono elencare:
• minor formazione di microfessure • aumento della resistenza flessionale, a fatica del cemento, alle basse temperature, superficiale del cemento. Le lunghezze delle fibre chopped più diffuse sono di 6, 12 e 24 mm.
I TESSUTI I tessuti in basalto vengono adottati per le loro eccellenti prestazioni meccaniche come elementi di protezione dalla radiazione elettromagnetica, per la realizzazione di cortine proteggi fuoco, materiale di base per la produzione di maniche filtranti. I diametri dei filamenti più adottati per i tessuti variano dai 9 a 13 µm con grammature che vanno 100 a 660 g/m2. I tessuti multiassiali sono creati per applicazioni in cui vengono richieste buone prestazioni meccaniche in varie direzioni. I più comuni sono i biassiali 0°/90° o -45°/+45° o i quadriassiali 0°/90°/+45°/-45° che vengono ora sempre più applicati nel settore del rinforzo strutturale di edifici. Vengono anche adottati per rinforzo di pale eoliche, serbatoi, nel settore automobilistico, dei treni ad alta velocità, aeronautica, attrezzature sportive e per la produzione di giubbotti antiproiettili. I tessuti in basalto unidirezionale sono i materiali in basalto più impiegati per il rinforzo di costruzioni con una grammatura variabile da 150 a 650 g/m2. La larghezza del tessuto adottata è in genere di 50 cm.
Come tutti i tessuti non impregnati per le costruzioni, i dati tecnici riportati dai costruttori devono essere conformi alle specifiche fornite dal CNR in documenti quali “Istruzioni per la progettazione, l’esecuzione ed il controllo di interventi di consolidamento statico mediante l’utilizzo di compositi fibrorinforzati”.
I TONDINI I tondini in basalto sono molto diffusi all’estero mentre hanno bassa diffusione in Italia. Sono disponibili con superficie nuda oppure quarzata per migliorarne l’aderenza o addirittura con un nucleo interno di acciaio. Con i tondini si possono realizzare prodotti come pannelli, barriere, passerelle, pavimenti, angoli di facciate e molti altri componenti strutturali. Grazie alle loro proprietà elettricamente isolanti, i tondini in basalto vengono impiegati per produrre isolatori per linee di alta tensione, in par ticolari applicazioni dell’ingegneria idraulica o per barriere in cemento speciali. Il rinforzo così ottenuto con le strutture in cemento presenta caratteristiche migliorative grazie alla differenza di PH tra tondini e ce-
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Compositi
Le fibre di basalto per la nautica
mento, con lo stesso coefficiente di espansione termica e con nessuna deformazione residua del tondino sogget-
to a flessione. I diametri dei tondini disponibili variano da 4 a 25 mm con pesi da 25 a 1076 g/m. Occorre ricor-
dare che, avendo il basalto un peso specifico 4 volte inferiore a quello del ferro, a parità di kg di prodotto acquistato e traspor tato, si produce una quantità di tondini in basalto pari a 4 volte i metri lineari costruiti con l’acciaio. Inoltre, in molte applicazioni, i tondini in basalto sostituiscono quelli in ferro di diametro superiore. I tondini in basalto non possono essere saldati e pertanto sono previsti diversi sistemi di aggancio in opera. Le reti in basalto vengono impiegate come rinforzi strutturali di edifici, quali elementi di rinforzo di asfalti, pavimenti, strade e banchine. Pur presentando le reti qualità meccaniche simili a quelle delle reti in acciaio, offrono il vantaggio di pesare mediamente 2,6 volte di meno, favorendo così le fasi di trasporto e posa del prodotto. ■
Speciale tessuti e resine
CEL COMPONENTS
BASF
La seduta che rispetta l’ambiente È nata Hemp Chair di Werner Aisslinger, il designer di progetti che abbinano tecnologia a nuovi materiali. Si tratta di una poltroncina di canapa che combina la fibra naturale con Acrodur® di BASF, legante termoindurente acrilico a base d’acqua che permette la realizzazione di un processo produttivo senza uso di sostanze nocive quali fenolo e formaldeide. Il processo di produzione è derivato dal mondo dell’automotive. Lo stampo a caldo della fibra naturale preimpregnata con Acrodur consente di produrre velocemente oggetti tridimensionali stabili e robusti ma leggeri. Il risultato è un prodotto ecosostenibile, ridotto nel peso ma molto resistente, che dimostra l’eccellente versatilità delle fibre naturali (75%) combinate con Acrodur (25%). Hemp Chair ha una seduta comoda e sicura. Leggerezza e impilabilità ne agevolano il trasporto, ma tali caratteristiche non vanno a discapito della stabilità. “La sfida in questo tipo di progetto è legata all’investimento iniziale per lo stampo, essendo il numero di pezzi nel settore del mobile non paragonabile con quelli dell’auto” commenta Guido Durazzano, Responsabile Italia Polymer Dispersions Fiberbonding di BASF. “L’opportunità, grazie all’impiego di fibre preimpregnate con Acrodur e Pigmenti Xfast® di BASF, è poter realizzare esemplari colorati o pezzi unici di Hemp Chair inglobando altri materiali nello stampo”.
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Compositi
Linee di produzione prepreg TG-50-F 50’’ Fabric Machine
CEL Components offre soluzioni “chiavi in mano” per la produzione di prepreg, progettate e realizzate da Tipton-Goss, che possono essere utilizzate facilmente anche da chi si avvicina per la prima volta all’impregnazione e dai produttori di parti in composito. Tipton-Goss offre un approccio innovativo al mondo della produzione dei prepreg, attraverso: • macchine compatte e nuove per tessuto prepreg, G-50-F, TG-60 e per nastro unidirezionale e Filmer (TG-24-T) • completa responsabilità ingegneristica (formulazione, miscelazione, prepregprocessing) • apparecchiature complementari progettate specificamente per lavorare in concerto con le macchine di Tipton-Goss • più di 20 anni di esperienza nella produzione di preimpregnati • nuove formulazioni di resine • showroom di lavoro e centro di formazione concernente tutti gli aspetti della produzione di preimpregnati • possibilità per i clienti di imparare come produrre effettivamente il pre-impregnato prima della consegna della
macchina • fornitura di tutti i componenti e delle materie prime necessarie su richiesta. I punti salienti dei servizi dell’azienda sono: • un approccio completo: dalla formulazione alla metodologia, alla fornitura dell’impianto, con anche corsi di formazione. • un impianto compatto e semplice, progettato specificamente per tutte le tipologie di utenti, con la possibilità di aggiornamenti necessari, dall’industria spaziale alla progettazione di oggetti sportivi. Una propria linea di preimpregnazione garantisce agli utenti una serie di vantaggi, tra i quali: lo sviluppo di prodotti con prestazioni elevate; una fonte stabile di materiali, che ne consente l’approvvigionamento regolare; la riduzione dei costi di approvvigionamento, di magazzino e della necessità di investire nella catena del freddo; la possibilità di eliminare la dipendenza da fornitori critici che possiedono capacità di fornitura limitate.
G&P INTECH
Tessuto unidirezionale in fibra di acciaio L’impiego dei rinforzi strutturali con tessuti in acciaio STEEL-NET immersi in una matrice organica (SRP) od inorganica (SRG) é una tecnologia versatile, di peso e spessori contenuti, che consente consolidamenti di elementi in c.a., c.a.p. e muratura di elevata efficacia nella riqua-
lificazione funzionale e nel miglioramento sismico delle strutture debolmente armate, dissestate e ammalorate. Tale tecnica consente infatti di ottenere un miglioramento generale delle caratteristiche meccaniche delle strutture soggette ad azioni sismiche attraverso un rinforzo
Speciale tessuti e resine Fig. 2
ELANTAS ITALIA
Adesivo per rinforzo strutturale in edilizia con marchiatura CE Il mondo dell’ingegneria civile sta mostrando un interesse sempre crescente per il settore dei materiali compositi ed il loro utilizzo nei processi di costruzione, ristrutturazione e consolidamento. In particolare, per il settore del ripristino di parti strutturali in cemento armato, l’utilizzo di matrici polimeriche abbinate a tessuti di rinforzo risulta essere una soluzione efficace. Questa tecnica di consolidamento risulta necessaria per tutti i casi in cui le strutture por tanti si deteriorano per invecchiamento o eventi naturali, come ad esempio il recente sisma in EmiliaRomagna, e non possono essere demolite (fig.1).
Fig. 1
ELANTAS Italia grazie al solido know-how maturato nella formulazione di resine termoindurenti nei suoi 50 anni di attività ha sviluppato il sistema Elan-tech® MC256-W256. Questo adesivo strutturale epossidico bicomponente viene utilizzato come matrice polimerica per i tessuti di rinforzo (fibra di carbonio, fibra di vetro, basalto e reti metalliche) normalmente impiegati nell’applicazione del consolidamento. Il sistema è stato recentemente marchiato CE secondo la normativa armonizzata EN 1504-4 che regolamenta le prestazioni minime richieste per l’utilizzo dei materiali polimerici per tale applicazione (capitolo 4.3), requisito fondamentale ed imprescindibile per l’utilizzo nella cantieristica. Le caratteristiche salienti del prodotto sono il facile rapporto di miscelazione 2:1 sia in peso che in volume, le confezioni predosate di 4+2Kg (fig.2), la possibilità di essere utilizzato agevolmente in applicazioni su superfici verticali o sopra testa grazie alla tissotropia che si sviluppa subito dopo la miscelazione dei due componenti, le buone proprietà di indurimento anche a basse temperature di applicazione (T>10°C) e l’assenza di untuosità superficiale del sistema indurito che permette una più agevole sovra copertura della riparazione strutturale. Il sistema, grazie all’accurata selezione della granulometria delle cariche, consente di ottenere un’ottima bagnabilità dei tessuti di rinforzo ed esaltare le proprietà meccaniche del sistema indurito. I dati ottenuti nelle prove di adesione e di compressione, svolte per l’ottenimento della
certificazione, testimoniano tale comportamento con valori almeno doppi rispetto a quelli richiesti dalla normativa. Il valore a compressione, testato su tutti i lotti prodotti secondo la EN12190 (fig.3), presenta valori sempre superiori ai 60 MPa rispetto ai 30 MPa minimi richiesti; analogamente la resistenza al taglio a strappo secondo la EN12188 risulta superiore ai 25 MPa, contro il minimo richiesto di 14 MPa. Il sistema mostra inoltre ottime caratteristiche di durabilità. Grazie ai valori di Tg raggiungibili può lavorare in continuo a temperature di 45-50°C e le proprietà di incollaggio non risentono dell’invecchiamento in ambienti molto umidi, oppure dopo ripetuti cicli di shock termico (-20°C + 50°C). La certificazione CE, oltre ad essere un requisito di legge, è una garanzia della costanza qualitativa del prodotto in quanto la normativa EN1504-8 prescrive un programma di sorveglianza in cui tutti i lotti sono sottoposti a test meccanici, chimici e reologici. Ciò risulta ulteriormente avvalorato dal sistema di Qualità ISO 14001-9001 secondo cui ELANTAS Italia opera da oltre 15 anni.
Fig. 3
con fibre in acciaio e con elevata resistenza ortogonale alle stesse. Sono stati condotti e sono tuttora in corso studi e sperimentazioni da parte di G&P intech in campo nazionale ed internazionale che testimoniano la validità del sistema per l’ambito specifico a cui è destinato. L’azienda inoltre sviluppa un importante servizio di consulenza ed assistenza ingegneristica anche con software dedicati, riservato alle pubbliche amministrazioni, alle imprese, ai progettisti e ai tecnici di settore.
Compositi
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Speciale tessuti e resine
REICHHOLD
Gelcoat con alta resistenza all’invecchiamento Reichhold ha sviluppato Norpol® CPG, un gelcoat con un’alta resistenza all’invecchiamento. Il prodotto combina una grande facilità di applicazione con una ridotta emissione di solventi organici. Il segreto di queste elevate prestazioni è la nuova resina base sviluppata dal centro ricerche Reichhold in Norvegia. Le super fici protette con Norpol® CPG mostreranno nel lungo termine solo modesti cambiamenti ed i prodotti saranno protetti da radiazioni UV, cambiamenti climatici ed esposizione all’acqua e anche a soluzioni non concentrate di prodotti chimici. L’applicazione del gelcoat sugli stampi continuerà nel prossimo futuro ad essere effettuata in stampo aper to e la bassa emissione di solventi è equivalente alla metà di quella dei prodotti oggi sul mercato, quindi già idonea a sostenere anche richieste future più restrittive in materia da par te della Comunità Europea. Il suo campo di applicazione va dalla produzione di barche, sanitari, componenti auto e pannelli per l’edilizia. Norpol® CPG è certificato dal Lloyds Register of Shipping e dal Det Norske Veritas (DNV) per la produzione di barche di ogni misura.
PRESTAZIONI • Elevata resistenza all’invecchiamento atmosferico anche dopo una lunga esposizione, basso livello di ingiallimento, visibile maggiore ritenzione della brillantezza superficiale • significativa riduzione del 50% delle emissioni di componenti volatili organiche (VOC) rispetto ai gelcoat convenzionali grazie anche a un contenuto di volatili solo del 30% nella versione a spruzzo e del 25% nella versione a pennello • stendibilità facilmente controllabile e priva di inglobamenti di aria • eccellente resistenza all’idrolisi che migliora la resistenza all’osmosi minimizzando la formazione di blistering sulle superfici anche se completamente e continuamente immerse nell’acqua • notevole resistenza alla formazione di micro fessurazioni.
SAATI
Sistemi di resina sul podio Ancora un successo di Saati Composites, divisione di Saati specializzata nella produzione di materiali compositi avanzati: la stretta collaborazione con il partner Audi Sport ha portato ad una nuovo vittoria. Dopo il trionfo del 2011, L’Audi R18 TDI ha conquistato tutti i gradini del podio della 24 ore di Le Mans del 2012. Come già l’anno scorso, la Audi R18 TDI è realizzata con preimpregnati di Saati, ma da quest’anno la collaborazione fra le 2 aziende è ancora più stretta. La vettura tedesca è stata costruita anche con un nuovo preimpregnato di Saati realizzato con la recente formulazione strutturale ad alta temperatura ER450 e con filati di carbonio ad alta resistenza. Quindi la ricerca e sviluppo del-
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Compositi
l’azienda ha portato in gara un altro sistema di resina, dopo che i preimpregnati a base del sistema di resina ET445 erano già stati utilizzati in molteplici parti della macchina l’anno scorso e sono ancora stati confermati per il 2012. Due sistemi innovativi, entrambi solvent free come richiesto dal settore automobilistico, ad alte prestazioni e con il servizio di supporto tecnico e commerciale: • ER450: sistema strutturale ad alta temperatura di esercizio, caratterizzato da cicli di polimerizzazione anche da temperature molto basse e flessibili sulle esigenze del singolo cliente ed applicazione • ET445: sistema per applicazioni generali, a media temperatura di esercizio, con ottime proprietà meccaniche ed insuperabili qualità estetiche.
Speciale tessuti e resine
SELCOM
Tessuti tecnici di nuova generazione
Selcom, azienda specializzata nel campo dei multiassiali in Italia, produce tessuti tecnici ad alta tecnologia per i materiali compositi avanzati. L’azienda è presente, da oltre vent’anni, nel settore nautico con un ventaglio di circa 300 tipologie di tessuti che vanno dai 100 ai 4000 gr/m², tessuti composti da fibre perfettamente parallele tra loro orientate ad una direzione (unidirezionali), a due direzioni (biassiali), fino ad arrivare a tessuti formati da un pacchetto di otto strati con diverse orientazioni appartenenti ad un intervallo di ±30° / ±70°. I tessuti, in base alle esigenze, possono essere accoppiati con mat, veli, feltri, film ed altri tessuti, anche inseriti internamente tra gli strati. Il personale tecnico della Selcom segue con par ticolare attenzione il tipo di tecnologia utilizzata per la costruzione del manufatto (es. laminazione manuale, infusione, R.T.M) realizzando apposita-
mente dei tessuti di rinforzo con caratteristiche molto diverse tra di loro, con l’obbiettivo di soddisfare le diverse esigenze produttive e per conferire al manufatto finale le caratteristiche volute dal cliente. La crisi di questi ultimi anni ha portato molti cantieri a rivalutare le strategie di vendita: alcuni puntano esclusivamente ad un prodotto di basso prezzo utilizzando molte volte materiali d’importazione di qualità scadente, altri invece puntano alla fascia alta del mercato con nuovi modelli, costruiti con materiali più performanti e leggeri utilizzando rinforzi più pregiati come i tessuti ibridi (combinati con fibre: carbonio-vetro, aramide-vetro, carbonio-aramide) o tessuti 100% in fibra di carbonio. Per far fronte alla maggiore richiesta di tessuti in fibra di carbonio Selcom si è dotata recentemente di una moderna linea di tessitura multiassiale che produ-
ce tessuti da 75 gr/m² sino a 800 gr/m², con una perfetta distribuzione delle fibre. La qualità di questi tessuti, rispetto ai tessuti tradizionali, ma anche rispetto ai multiassiali di precedente generazione, riduce drasticamente i punti critici nei laminati. Anche l’interesse per i bio-compositi è cresciuto notevolmente negli ultimi anni grazie alle buone proprietà meccaniche, bassi costi, bassa densità e soprattutto alla riciclabilità, a questo scopo Selcom ha puntato sulla fibra di lino testando diverse tipologie di fibre con lo scopo di ottenere un tessuto di rinforzo che conferisca al laminato buone proprietà meccaniche. Il prodotto è già in commercio ed è già utilizzato nel settore nautico. Si tratta di un biassiale formato da due strati di fibra di lino, uno orientata a +45° e l’altra a -45° in due diverse grammature, 400 g/m² e 600g/m².
FAI GIRARE
LA NOTIZIA! Comunicare l’innovazione è un passaggio fondamentale per favorire la circolazione delle conoscenze. Divulgare i risultati raggiunti, diffondere le informazioni e stimolare il confronto e lo scambio di idee è la nostra missione. Per questo motivo Compositi Magazine invita progettisti, ricercatori, esper ti ed operatori del settore che stanno lavorando a qualche nuovo progetto, a mettersi in contatto con la redazione inviando un testo che ne riassuma gli aspetti principali. Idee e progetti presentati verranno sottoposti al Comitato tecnico scientifico che, valutandoli, potrà decidere di pubblicarli per darne la giusta visibilità.
L’invito è rivolto anche a esper ti e analisti del mercato che possono aiutare gli operatori del settore ad avere un quadro più completo ed aggiornato sugli sviluppi del compar to a livello mondiale, segnalando evoluzioni nelle normative, indirizzi sull’utilizzo dei materiali e le aree più promettenti per avviare nuove possibilità di business.
Contatti: Anna Schwarz redazione@tecneditedizioni.it tel. 02 36517115 www.tecneditedizioni.it
Compositi
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Gazechim Compositi Italia
PARlS, MARCH 12, 13, 14, 2013
Distributore di prodotti per l’industria dei compositi a Gazechim Compositi Italia Spa distribuisce in esclusiva sull’intero territorio nazionale le resine poliesteri e i gelcoat CCP Composites, società francese del gruppo Total. Inoltre distribuisce su tutto il territorio italiano le resine poliesteri della Polynt, importante produttore italiano e tra i maggiori in Europa. È distributrice per l’Italia dei rinforzi in fibra di vetro della Owens Corning e dei feltri in poliestere e fibra di vetro voluminizzata della tedesca Spheretex. Ai prodotti legati alle normali tecnologie di stampaggio, Gazechim affianca anche una gamma completa di materiali e accessori per lo stampaggio dei compositi in infusione, sottovuoto e RTM light e non. I principali prodotti sono tessuti multiassiali, flowmedia, film per il vuoto, raccordi, pompe, ecc. Inoltre, grazie alla stretta collaborazione con i propri partner commerciali, Gazechim è in grado di fornire assistenza al cliente nella fase di start-up delle nuove applicazioni. Un vasto assortimento di additivi ed ausiliari per plastici rinforzati completa la gamma dei prodotti offerti alla clientela, inclusi i catalizzatori per resine poliesteri dell’Arkema. Particolarmente di rilievo, dal punto di vista qualitativo, sono le cere prodotte da TR Industries, azienda californiana, e gli adesivi strutturali Simson, utilizzati per l’incollaggio di vari materiali sulla vetroresina, compresi legno e plexiglass. Oggi, grazie anche alla trentennale esperienza del suo Amministratore, Francesco Riccio, la Gazechim Compositi Italia Spa costituisce un punto di riferimento fondamentale nel panorama italiano della distribuzione di prodotti per l’industria dei materiali compositi. ■
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Nautica
Politecnico di Milano - Dipartimento Indaco
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di Maurizio Valle e Andrea Ratti
Sostenibilità: questione di progetto Fig. 1: Linea di produzione di imbarcazioni a motore
La corretta gestione dei prodotti a fine-vita può avere un ruolo dirompente nella cantieristica nautica, non solo sotto il profilo della sostenibilità, ma soprattutto per le opportunità che la revisione degli attuali approcci progettuali alla realizzazione delle imbarcazioni può comportare. A partire da una maggiore flessibilità e ottimizzazione dei processi produttivi. Fig. 2: Cabinati abbandonati
dati a disposizione relativi alla composizione del parco nautico indicano che il 90% circa delle imbarcazioni attualmente in esercizio è riconducibile in toto o in parte alle tecniche del composito. Le caratteristiche fisiche e meccaniche offerte da tali materiali, abbinate ai bassi costi di produzione, alla versatilità del processo e alla libertà di concezione morfologica sono del resto fattori che hanno fatto del composito in VTR la scel-
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ta più favorevole per la realizzazione di imbarcazioni, a partire dai piccoli natanti fino ai grandi yacht di 40 metri e oltre. Da qualche tempo però la crescente attenzione maturata a diversi livelli nei confronti del tema della sostenibilità ambientale ha cominciato a rendere sempre più evidenti le problematiche associabili alla gestione del fine-vita del prodotto nautico e alle modalità di dismissione delle imbarcazioni, oltre che al
trattamento dei rifiuti da queste derivati, dal momento che i possibili approcci su questo versante pongono di fronte a una serie di alternative che differiscono per difficoltà di attuazione, costo, e nobiltà del risultato ottenibile. La gestione a livello ambientale di grossi quantitativi di rifiuto in materiale composito comporta infatti alcune criticità che devono essere attentamente valutate e risolte. Per questo motivo, da diversi
Compositi
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Nautica
anni sono allo studio soluzioni che, operando a livello chimico e/o fisico-meccanico, consentano di recuperare materia, valore o energia dai compositi dismessi. Tuttavia, la ricerca e le sperimentazioni in corso sulle possibilità di recupero del materiale, o della sua energia intrinseca, rappresenta solo uno dei possibili approcci al problema del fine-vita. Accanto al tema del riciclo è necessario riflettere parallelamente anche sulle possibilità di semplificazione dell’accesso ai componenti che potranno beneficiare di tali trattamenti e, a un livello successivo, sarà interessante indagare le possibilità di riutilizzo di alcune parti in composito, risalendo nella “gerarchia del rifiuto” a un livello più nobile di risultato. È noto infatti quanto sia difficile conservare caratteristiche e proprietà dei materiali di origine, dal momento che in molti casi queste risultano legate alla natura fibrosa del rinforzo che viene persa nelle operazioni di frantumazione. Per riuscire a evolvere verso un sistema in cui sia possibile riutilizzare i componenti di un’imbarcazione, bisogna necessariamente prevedere l’introduzione di una serie di accorgimenti già in fase di concezione del prodotto. Nello specifico, l’obiettivo deve essere quello di rendere perseguibile in un’ottica di sostenibilità operativa ed economica la gestione separata di componenti e materiali omogenei in modo da evitare che a determinare la fine della vita di una imbar-
Fig. 3: La fase di disassemblaggio rappresenta un nodo fondamentale nel problema legato al fine-vita del prodotto nautico
cazione possa essere l’obsolescenza tecnica e/o funzionale di una sua singola parte o viceversa. In altre parole, in un’ottica di previsione
della dismissione, serve integrare in fase di progetto una sorta di parcellizzazione del contenuto di valore ed energia di una barca in modo che il suo recupero risulti tecnicamente ed economicamente praticabile. Altri compar ti applicativi, come per esempio quello dell’auto, degli elettrodomestici o delle apparecchiature elettroniche, hanno del resto dimostrato come sia possibile ottenere risultati in questa direzione.
IL PROBLEMA DEL DISASSEMBLAGGIO
Fig. 4: Imbarcazioni abbandonate illegalmente
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Compositi
Le difficoltà di trattamento dei compositi utilizzati in campo nautico derivano in gran parte dalla mancata predisposizione del prodotto a essere sottoposto a una corretta gestione nella fase di finevita, non avendo finora la nautica praticato, se non in forma episodica, i criteri della progettazione sostenibile. Complice di questo è certamente la strutturale
Sostenibilità: questione di progetto >>
Fig. 5: Disassemblaggio distruttivo
carenza di specifica normativa al riguardo per il settore: questo consente che, al termine del suo esercizio, un’imbarcazione non abbia di fatto regolamentazioni e infrastrutture di riferimento che si facciano carico di operazioni di disassemblaggio e pretrattamento per favorirne la dismissione. In questo scenario di arretratezza legis-
lativa, organizzativa e progettuale, la fase di disassemblaggio rappresenta probabilmente il cuore del problema legato al fine-vita delle imbarcazioni. Il prodotto è costruito infatti con l’obiettivo di risultare in esercizio come un pezzo unico, monolitico, resistente alle sollecitazioni meccaniche e ambientali e che ciò possa essere ottenuto nella maniera più economica possibile. Ecco allora che il ricorso diffuso a soluzioni di giunzione irreversibile e/o di difficile accesso, tanto efficaci quanto critiche nei confronti delle successive esigenze di smontaggio, è certamente un ambito tecnologico attorno al quale è necessario e possibile sviluppare una serie di riflessioni. Nello specifico, tra le scocche in vetroresina vengono praticati fissaggi che fanno uso di un mix di adesivi strutturali e giunzioni meccaniche, in una disposizione poco controllata e spesso ridondante, che rende molto dif-
ficile separare le parti, una volta assemblate. Per di più questo ostacola l’accesso ad altri componenti di composizione eterogenea come gli accessori di coperta in acciaio o gli impianti installati nello scafo, sotto ai controstampi interni. All’irreversibilità di tali giunzioni si aggiunge una disposizione poco razionale delle stesse, che non vengono progettate pensando a una futura fase di disassemblaggio. Da un punto di vista concettuale, questo comporta che i componenti risultino assemblati senza una gerarchia ordinata, rendendo ancora più complesso gestire la loro separazione.
DESIGN FOR DISASSEMBLY E MODULARITÀ Migliorare tali aspetti legati alle modalità di costruzione dell’imbarcazione è quindi un passo decisivo verso la sostenibilità del prodotto in fase di dismissione e, tra i tanti punti di vista dai quali è possibile
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Nautica
Sostenibilità: questione di progetto >> vita utile del prodotto. Ipotizzando di applicare tale approccio costruttivo al segmento di imbarcazioni numericamente più significativo, costituito dai piccoli o medi cabinati a motore, è possibile fare ulteriori riflessioni sul modo in cui tali principi potrebbero essere sviluppati e messi in atto.
IL PUNTO DI PARTENZA
Fig. 6: Configurazione di assemblaggio attuale (a sinistra) e nuova configurazione modulare (a destra) nella sezione semplificata di un cabinato a motore
osservare il problema, uno riguarda proprio la configurazione di assemblaggio delle parti principali dell’imbarcazione. Gli approcci alla progettazione sostenibile fanno in genere riferimento ai criteri del Design for Disassembly, per favorire la migliore gestione dei componenti in fase di disassemblaggio del prodotto, che stabilisce alcune linee guida progettuali per facilitare la separazione delle parti, intervenendo sulla loro forma e disposizione, o dei materiali, in vista degli obiettivi di trattamento a fine-vita. Per definire quali possano essere le strategie più convenienti o praticabili è necessario fare chiarezza inizialmente sulle possibilità di gestione dei componenti una volta disassemblati, in relazione al fatto che questi possano essere riutilizzati, riciclati o semplicemente dismessi. Il Design for Disassembly risulta infatti funzionale agli obiettivi di carattere ambientale legati all’estensione della vita dei prodotti e dei materiali, proprio individuando e favorendone il trattamento più indicato. Nella nautica tale disciplina deve ancora fare il suo ingresso, sebbene l’impianto metodologico già sperimentato in altri settori applicativi potrebbe essere utilmente trasferito. Volendo applicare tali strategie al prodotto nautico si aprono interessanti possibilità di riprogettazione, che possono essere caratterizzate da diversi livelli di innovazione culturale e tecnologica. Uno degli aspetti più stimolanti da indagare riguarda la modularità e le possibilità di sfruttare tali principi in un’ottica di
razionalizzazione produttiva. Del resto, possiamo già trovare esempi efficaci nella concezione delle grandi navi, che per necessità dimensionale e costruttiva vengono realizzate per blocchi, successivamente assemblati. In maniera concettualmente analoga si potrebbe pensare di progettare il refitting delle imbarcazioni, nel momento in cui fossero dotate di una struttura di connessione tra le parti e di assemblaggio in grado di accogliere i diversi moduli interni, ma anche un loro rinnovo nel corso della
Attualmente la costruzione di tali imbarcazioni fa riferimento alla realizzazione e al successivo assemblaggio di tre macro-assiemi, costituiti dallo scafo, dagli interni e dalla coperta, anche se la materializzazione di tali subsistemi si materializza solo a imbarcazione ultimata. Tale scomposizione suggerisce la possibilità di identificare non solo concettualmente, ma anche fisicamente, i moduli di una nuova configurazione e tale revisione non interesserebbe esclusivamente la sequenza costruttiva in base alla quale le parti verrebbero concepite e poi assemblate, ma anche la possibilità di gestire la natura eterogenea delle varie parti da un punto di vista materico, estetico e funzionale. Per quanto riguarda i materiali di costruzione, si potrebbe riassumere infatti che da un punto di vista quali-quantitativo
Fig. 7: Allestimento dello scafo di un cabinato
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Nautica
un’imbarcazione in FRP sia costituita principalmente dal composito delle stampate e dal legno degli interni. Questi risultano localizzati in una zona abbastanza circoscritta del prodotto, che si presta a essere considerata in maniera indipendente. Da un punto di vista estetico, ciò che caratterizza maggiormente lo stile di un’imbarcazione sono invece le sovrastrutture, con i relativi allestimenti e accessori. Gli interni rappresentano anch’essi un fattore importante da questo punto di vista, mentre lo scafo partecipa in misura minore alla creazione dell’immagine del prodotto esso costituisce invece il principale componente di carattere funzionale per l’esercizio dell’imbarcazione come mezzo di trasporto sull’acqua. Analizzando i tempi con i quali un’imbarcazione raggiunge tipicamente un livello
di obsolescenza tecnica e/o funzionale ci si può facilmente accorgere come questo difficilmente si verifichi contemporaneamente per le tre componenti principali. Da questo punto di vista potremmo considerare la coperta come il componente più soggetto a invecchiamento stilistico e prestazionale, a causa della sua maggiore incisività nella connotazione dell’immagine del prodotto e dell’intenso utilizzo e sollecitazione che deve sopportare durante l’esercizio dell’imbarcazione. In modo simile gli interni possono rappresentare la parte più soggetta a un invecchiamento più estetico che funzionale e su questi può risultare in ogni caso più facile intervenire nel tempo con operazioni di manutenzione o rifacimento. Lo scafo costituisce invece la parte meno soggetta a invecchiamento, sia dal punto di vista estetico sia da quello
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funzionale. Un’opera viva dalle buone prestazioni, per esempio, viene spesso riproposta su nuovi modelli, qualora i vincoli progettuali lo consentano. I dettagli formali delle murate hanno in genere un impatto marginale sul carattere stilistico di buona parte delle tipologie di prodotto attualmente sul mercato o in ogni caso su questi è possibile intervenire facilmente con piccole modifiche sulle attrezzature di cantiere esistenti.
PROSPETTIVE PRODUTTIVE E COMMERCIALI Tali considerazioni portano a riflettere sulla possibilità di gestire separatamente questi macro-componenti dell’imbarcazione. Essi sono caratterizzati da obiettivi e durata differenti ed è interessante valutare quali possano essere modi alternativi per sfruttarne le rispettive qualità in maniera più flessibile ed efficace.
Sostenibilità: questione di progetto >> Riprendendo il concetto di modularità e provando a ipotizzarne l’applicazione, potremmo immaginare di gestire gli interni come un modulo a sé stante, integro nella sua struttura e assemblabile allo scafo in modo standardizzato. Allo stesso modo potrebbe essere gestita la coperta. Si presuppone, quindi, una configurazione nuova anche nella gerarchia delle giunzioni progettate per essere localizzate nei pochi punti strategici e funzionali alla connessione di questi moduli. Allo stesso modo, il loro disassemblaggio sarebbe facilitato quando fosse perseguita a livello di dettaglio costruttivo una maggiore accessibilità alla zona di giunzione in modo da poter separare, a fine vita, le grosse stampate in vetroresina della coperta e dello scafo e gestire in maniera indipendente la cellula abitativa degli interni. Un aspetto interessante potrebbe esse-
re rappresentato per esempio dalla possibilità di riutilizzo dello scafo che può facilmente prestarsi per sua natura a nuovi cicli di vita. In questo modo i componenti potrebbero mantenere un valore, legato non solo al materiale ma anche alla funzionalità, che può innescare un sistema di recupero del prodotto vantaggioso anche dal punto di vista economico. Tali prospettive non si esauriscono esclusivamente in benefici di tipo ambientale legati al miglioramento delle possibilità di recupero e dismissione: su un piano industriale, una configurazione di questo tipo potrebbe comportare la concezione di più linee di produzione parallele dedicate ai tre sottosistemi, al termine delle quali verrebbe composto il prodotto finale. Il carattere modulare dei tre componenti consentirebbe, tra l’altro, di poterli concepire in più varianti, che nelle diverse combinazioni potrebbe-
ro dar luogo a una gamma di configurazioni basate sulla stessa piattaforma. Diventa allora facile intuire i vantaggi teorici di una tale impostazione produttiva, anche in una proiezione di tipo commerciale. L’offerta potrebbe guadagnare enormemente in flessibilità e la condivisione di componenti tra le parti consentire di ottimizzare diversi processi. Un aspetto significativo riguarda la possibilità di utilizzare il modulo interno come riferimento da condividere con gli eventuali fornitori esterni, responsabili del suo allestimento. Le falegnamerie potrebbero prototipare e sviluppare gli elementi di allestimento e arredo direttamente all’interno del modulo concesso in uso dal cantiere. Ulteriore valore potrebbe essere disporre di differenti allestimenti interni da presentare al pubblico, senza che questo implichi necessariamente la realizzazione
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Nautica
Fig. 8: La modularità consente maggiore flessibilità produttiva e possibilità di aggiornamento dei macro-componenti
dell’imbarcazione completa e l’organizzazione di tutto ciò risulterebbe evidentemente più gestibile ed economico. Accanto ai risvolti produttivi, la nuova configurazione consentirebbe di aggiornare il prodotto tramite la sostituzione dei moduli di cui è costituito, tipicamente quello relativo agli interni o alla coperta. Immaginiamo di poter rinnovare l’imbarcazione cambiandole veste estetica esterna, con le linee dei nuovi modelli; o addirittura sostituendo il blocco interno, aggiornando la compartimentazione interna con nuovi volumi e allestimenti. Questa prospettiva sarebbe quindi interessante non solo dal punto di vista ambientale, ma forse prima ancora sul piano commerciale e delle opportunità di marketing del prodotto. La possibilità per il cantiere di affiancare alla produzione un servizio di “aggiornamento modulare”, con cui garantire al cliente la possibilità di rinnovare il proprio acquisto in termini vantaggiosi rispetto alla sostituzione con il nuovo, potrebbe favorire infine una forma di fidelizzazione del cliente attraverso programmi di assistenza e aggiornamenti durante tutta la sua vita.
COSA MANCA?
Fig. 9: La linea di produzione modulare (in basso) permette di concepire diverse configurazioni di prodotto, riordinando le fasi di assemblaggio rispetto all’attuale linea di produzione (in alto)
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Compositi
Sviluppare un prodotto che risponda a questi requisiti richiede di ripensarne la concezione costruttiva, con riferimento in particolare al sistema di giunzione tra i componenti. In una prima ipotesi si potrebbe immaginare di adattare la produzione attuale a questa nuova configurazione, per esempio ridisegnando i particolari più critici per consentirne l’assemblaggio secondo il nuovo schema modulare, senza necessariamente introdurre sconvolgimenti nei processi costruttivi attualmente in uso. Ovviamente, per procedere nella direzione di una costruzione modulare come quella descritta si deve presupporre un livello di industrializzazione del prodotto più evoluto rispetto a quello oggi utilizzato in modo diffuso, dal momento che un più spinto livello di controllo dimensionale e di assemblaggio tra le parti diverrebbe un prerequisito. Si ritiene tuttavia che la posta in gioco in termini di prospettive di adeguamento ambientale e di cambiamento e innovazione rendano i piccoli sforzi richiesti di tipo culturale, industriale e normativo assolutamente alla portata del settore. ■
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Nautical
by Maurizio Valle and Andrea Ratti
Sustainability: a matter of design
The correct management of products at the end of life can have a significant role in shipbuilding, not only in terms of sustainability, but also for the opportunities implied in the revision of existing design approaches to boat manufacturing, starting from an increased flexibility and optimization of manufacturing processes. he available data on the composition of the boat population show that approximately 90% of the boats currently in operation is totally or at least partly made by means of composite materials techniques. The physical and mechanical properties of such materials, combined with the low production costs, the versatility of the process and the freedom of design shapes represent factors that have made fiberglass (GRP) composites the most favourable choice for boat manufacturing starting from small boats to large yachts spanning a length of 40 meters and more. However, recently the growing attention gained at different levels with respect to the issue of environmental sustainability has started to highlight the problems connected with the endof-life management and the disassembly methods of boats as well as the treatment of waste coming from these processes, since the possible approaches to this issue generate a number of choices that differ in difficulty of implementation, cost, and quality of the achievable results. In environmental terms the management of large volumes of composite waste implies some critical issues that must be carefully evaluated and resolved. For this reason, for several years solutions have been studied that allow one to recover material, value or energy from discontinued composite manufacts. However, the research and the experiments currently investigating the possibilities of recovery of the material or its intrinsic energy are just one of the possible approaches to the problem of the end of life. Along with the issue of recycling we must also ponder how we can simplify the access to the components that will benefit from these treatments and, at the next level, it will be interesting to investigate the possibility of reuse of some composite parts, going back up to the
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result of highest quality in the waste hierarchy. Indeed it is well known how difficult it is to keep the characteristics and properties of the original materials, since in many cases they are associated to the fibrous nature of the reinforcement that lost in the waste crushing operations. In order to progress towards a system where it is possible to reuse boat components it is necessary to provide for the introduction of a series of measures already during the product design stage. Specifically, the aim should be to achieve the operational and financial sustainability of the separate management of homogeneous components and materials in order to avoid reaching the end of life of a boat due to the technical and/or functional obsolescence and of a single part or vice versa. In other words, in a perspective of disassembly planning, we need to implement a sort of subdivision of the value and energy content of a boat in the design phase in such a way that the recycling is technically and economically viable. Other industrial fields, like for instance the automotive sector, or the industry of household appliances and electronic equipment, have actually shown that it is possible to obtain results in this direction.
THE PROBLEM OF DISASSEMBLY The difficulty of processing of the composite materials used in the nautical field stems mainly from the product’s lack of attitude to be the object of a correct end-of-life management, as the criteria of sustainable design have not been adopted in boat manufacturing with the exception of sporadic cases. Certainly a contributing factor is represented by the systematic lack of specific regulations in the field: this means that for a boat at the end of service life there are no reference regulations and infrastructures in charge of the disassembly and pre-treatment operations supporting
the decommissioning. In such a scenario of lack of regulations, organization and planning, the disassembly stage lies probably at the heart of the issue of the boat end-of-life. Indeed the product is manufactured with the aims of an operational life as a single, monolithic item, able to stand mechanical and environmental stresses, and of a manufacturing process as inexpensive as possible. Hence this is why it is necessary and possible to ponder a range of technological issues concerning the bonding solutions, which are frequently irreversible and/or difficult to access, and thus technically effective and at the same time critical in terms of disassembly procedures. Specifically, bonding by means of a mix of structural adhesives and mechanical joints (badly arranged and often redundant) is used in fiberglass bodies, which makes it very difficult to separate the parts after they are assembled. Moreover, this prevents access to other components of various nature, e.g. steel accessories of the deck or the systems installed in the inner part of the hull. The irreversibility of such joints is aggravated by their poorly-arranged layout, which is not designed thinking about a future disassembly stage. From a conceptual point of view, this means that the components are assembled without a structured hierarchy, making their disassembly process even more complex.
DESIGN FOR DISASSEMBLY AND MODULARITY Improving these aspects associated with the boat manufacturing methods is therefore a crucial step towards the sustainability of the product being disposed of, and among the many points of view from which one may tackle the problem, one actually concerns the configuration assembly of the main boat components. In order to make the management of the com-
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Politecnico di Milano – Dipartimento Indaco
ponents during the manufact’s disassembly stage easier, the approaches to sustainable design generally refer to the criteria of the Design for Disassembly, which sets some design guidelines to facilitate the separation of the parts by operating on their shape and arrangement, or of the materials, considering the endof-life treatment goals. In order to define the most convenient or feasible strategies it is necessary to clarify first the management options for the disassembled components, that is the possibility to reuse, recycle, or simply abandon them. The Design for Disassembly actually serves the environmental objectives related to the extension of the service life of products and materials by means of the identification and promotion of the best treatment. This discipline has not come into practice in the nautical field yet, although the methodological framework already tested in other application areas could be profitably transferred. When considering the application of these
strategies to boat manufacturing, interesting possibilities open up in terms of redesign, which can be characterized by different levels of cultural and technological innovation. One of the most intriguing aspects to investigate is the modularity and the opportunities to exploit these principles from a point of view of production optimization. Indeed, we can already find good examples in the design of large ships, which are produced by blocks and then assembled due to size and construction needs. In a conceptually similar way one could imagine to design the refitting of boats equipped with a assembly structure allowing for the accommodation of the various inner modules as well as for the replacement during the service life of the manufact. Assuming the application of such manufacturing approach to the most sizeable class of boats, i.e. small and medium motorized cabin cruisers, further speculations could be done about the way to develop and apply these principles.
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THE STARTING POINT Currently, the production of these boats consists of the manufacturing and successive assembling of three macro-systems, namely the hull, the interiors and the deck, although the effective realization of these subsystems as such occurs only when the boat is completed. This idea suggests the possibility of a conceptual as well as physical identification of the new configuration modules. This reformulation should affect not only the manufacturing sequence leading the production and assembly of the components, but also the possibility of handling the whole variety of parts in term of material, aesthetics and functionality. As far as construction materials are concerned, we could indeed summarize that a FRP boat is both qualitatively and quantitatively made of the moulded composite parts and the wooden interiors. These are located in a fairly restricted area of the object, which can be hence considered independently. From an aesthetic point of view, the style of a
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Nautical
boat is mainly determined by non-structural elements, fittings and accessories. The interiors are an important factor in these terms, too, while the hull contributes less in the creation of the product look but represents the main functional component for the use of the boat as a means of water transport. Analyzing the time scales over which a boat typically reaches the point of technical and/or functional obsolescence we can easily realize that this moment rarely occurs simultaneously for the three main components. From this point of view we may consider the deck as the component with the highest attitude to stylistic and performance aging, because of its greater impact on the look of the product and of the stresses it has to bear during the service life of the boat. Similarly, the interiors can represent the part where the aesthetic aging prevails over the functional obsolescence and where maintenance or renovation operations over time are easier. On the contrary, the hull is the part less subject to aging, both from the aesthetic and from the functional point of view. A well-performing hull, for example, is most often implemented in new models, if the design constraints allow it. The formal details of the sides usually have a marginal impact on the overall stylistic look of most types of boats currently on the market or it is possible to operate on most of them with minor modifications using existing shipyard equipment.
MANUFACTURING AND COMMERCIAL PERSPECTIVES These considerations lead us to consider the option of a separate management of these macro-components of the boat. They are characterized by different purposes and duration, and it is interesting to evaluate possible alternative ways to take advantage of their respective qualities in a more flexible and effective way. Reconsidering the concept of modularity and trying to imagine its application, we could think about considering the interior as a module in its own right, intact in its structure and apt to be assembled with the hull in a standardized way. The deck could be dealt with in a similar way. Therefore we are considering a new configuration also in terms of hierarchy of the joints, which must be designed in few strategic points functionally aimed functional at the connection of these modules. In the same way, their disassembly would be made easier if an increased accessibility to the jointing area were pursued in the manufacturing design, in such a way to separate, at the
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Sustainability: a matter of design
end of life, the large moulded composite components of the deck and hull and to handle separately the inner living space. An interesting aspect could be represented for example by the possibility of reusing the hull, which by its very nature is easily brought to new life. In this way the components could keep a value associated not only to the material they are made of but also to their functionality, which can trigger a system of product recovery with advantages from a financial point of view, too. These perspectives are not limited exclusively to environmental benefits associated with the improvement of the recovery and disposal options: in a business plan, a configuration of this type could lead to the design of different, parallel production lines dedicated to the three subsystems to be later assembled in the final product. Furthermore, the modular nature of the three components would allow for the design of multiple models giving rise to a range of configurations based on the same platform in different assembly combinations. At this point it becomes easy to understand the theoretical advantages of such a manufacturing approach, even in terms of a commercial perspective. The market supply could gain enormously in terms of flexibility, and sharing components between the parties would allow for the optimization of various processes. A significant aspect is the possibility to use the internal module as a reference to be shared with possible external suppliers responsible for its construction. Carpenters could prototype and develop structural and furnishing elements directly within the module delivered by the shipyard. The availability of a range of interior decoration exhibited to the public would represent a further added value without necessarily implying the full construction of the boat, and the organization of the whole process would obviously prove easier and more convenient to handle. In addition to the manufacturing outcomes, the new configuration would allow for the update of the product by means of the replacement of its modules, typically the interior or deck components. Imagine that we can renew the boat by changing the outer look with the style of the new models, or even replacing the inner module, updating the interior layout with new spaces and fittings. This perspective would be interesting not only from an environmental viewpoint, but maybe even at an earlier stage, in the business plan and marketing opportunities of the product.
The ability of the shipyard to support the production of a “modular update” service (which would guarantee the customer the opportunity to refurbish their purchase under advantageous conditions with respect to the replacement) could ultimately lead to a form of customer loyalty through support and update programs throughout the product’s entire life.
WHAT IS MISSING? The development of a product meeting these requirements requires rethinking the manufacturing concept, with particular reference to the process of component bonding system. As an initial hypothesis we might imagine adapting the current production to this new configuration, for example redesigning the most critical parts to allow for the assembly according to the new modular scheme, without necessarily introduce a revolutionary manufacturing process within the current production procedures. Obviously, in order to proceed in the direction of a modular manufacture such as that described one must consider the existence of a product with a more advanced degree of technological content with respect to the current standard, since more stringent dimensional and assembly constraints would become a prerequisite. Nonetheless we believed that the stakes in terms of the perspectives for environmental adaptation and change and innovation make the required cultural, industrial and regulation efforts small and definitely within reach for this field. ■
All the mentioned figures refer to the italian version Fig. 1: Motorized boat manufacturing line Fig. 2: Dumped cabin cruisers Fig. 3: The disassembly stage represents a crucial point in the issue of the end-of-life of boats Fig. 4: Illegal dumping of boats Fig. 5: Destructive disassembly Fig. 6: Current assembly configuration (left) and new modular configuration (right) in the simplified section of a motorized cabin cruiser Fig. 7: Set up of the hull of a cabin cruiserFig. 8: Modularity allows for an increased manufacturing flexibility and opportunity of renovation of the macro-components Fig. 9: The modular manufacturing line (bottom) allows for different product configuration concepts, modifying the assembly sequence with respect to the present production line (top)
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Speciale nautica
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Compositi green MaTech, il Dipartimento del Parco Scientifico e Tecnologico Galileo di Padova che si occupa di materiali innovativi, fin dalla sua costituzione è impegnato in un’attività di scouting dei materiali innovativi presenti sui mercati internazionali, effettuata con continuità attraverso il contatto diretto con le imprese produttrici di nuovi materiali e tramite la visita di specialisti ai più importanti convegni, fiere e rassegne internazionali. I materiali e i prodotti sono oggi valutati non solo per le loro prestazioni tecnico-funzionali e per il loro valore estetico ma anche per l’impatto ambientale lungo tutto il loro ciclo di vita; questa tendenza oggi interessa fortemente anche il settore della nautica. Per rispondere a questa crescente sensibilità del mercato si inseriscono le nuove proposte di compositi a basso impatto ambientale in cui il tradizionale rinforzo in fibra vetro o carbonio lascia spazio alle nuove fibre di canapa, lino o bambù. Per ottenere compositi al 100% naturali si possono impiegare filamenti
di PLA (acido polilattico) all’interno della tessitura del lino. Anche i produttori di resina termoindurente stanno sviluppando alcune versioni “bio” dei loro prodotti, di derivazione parzialmente naturale, e i primi risultati sono già sul mercato. L’impiego di questa nuova generazione di resine, rispetto ai prodotti tradizionali, non solo contribuisce a migliorare l’impatto ambientale del prodotto composito finale, ma rappresenta anche un vantaggio in termini di prevenzione dei rischi legati alla manifattura dei pezzi, spesso caratterizzata dalla presenza della nociva formaldeide. Si possono oggi registrare le prime significative applicazioni di compositi completamente “bio” in alcuni prodotti del settore auto (inserti auto di CITROEN C4 PICASSO e Mercedes M-Class), dell’articolo sportivo come racchette da tennis, sci e nel settore della nautica (ad esempio la barca da regata offshore Mini Transat, ergonomica e leggera, realizzata con l’utilizzo di tessuti in lino e di resine “bio”).
Tubo composito “green”
Tessuti di lino per compositi “green”
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Verso il futuro con le fibre vegetali Il laboratorio di ricerca Microtex continua a lavorare ricercando soluzioni innovative sempre più ecosostenibili: tessuti di abbigliamento impregnati con resine epossidiche per applicazioni estetiche sono diventati il fiore all’occhiello della ricerca per un accessorio unico e personalizzabile al 100%. Tessuti di seta, viscose, poliestere, lane, impregnate e all’occorrenza accoppiate con fibra di carbonio, modellate secondo le infinite applicazioni della moda e di tutti gli altri settori che ricercano l’unicità e l’imprevedibilità. L’interesse per i bio-compositi, negli ultimi anni, è cresciuto notevolmente grazie alle buone proprietà meccaniche, bassi
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costi, bassa densità e riciclabilità. Nell’enorme panorama delle bio-fibre risultano par ticolarmente interessanti quelle di lino e canapa adatte anche nel campo del rinforzo strutturale, oltre che essere molto particolari per qualsiasi applicazione estetica. Come tutte le fibre vegetali, il lino e la canapa possiedono una struttura molecolare estremamente complessa, formata da una molteplicità di biopolimeri (lignina, cellulosa cristallina, pectina ecc.) ed un’architettura nanostrutturata che conferisce a queste fibre proprietà meccaniche tali da poter essere utilizzate anche come rinforzi nel settore civile.
Speciale nautica
SIKA ITALIA
Applicazione industriale di biocompositi innovativi Materie prime - matrici - confronto delle caratteristiche tra resina epossidica (EP) Sika Biresin e poliestere (UP-soluzione di riferimento)
La cantieristica nautica è sempre più attenta all’utilizzo di biocompositi nelle costruzioni del settore. Su questa tematica Sika, multinazionale chimica presente nel settore delle costruzioni edili e nel mondo dell’industria, in collaborazione con l’azienda Face, impegnata nella progettazione e costruzione di gommoni e che si propone come supporto e consulenza per le aziende e i cantieri che vogliono affacciarsi alla tecnologia dell’infusione, hanno sviluppato e realizzato un nuovo progetto. Con l’obiettivo di implementare il concetto di biocomposito ad una produzione seriale di un reale manufatto con funzione strutturale, sono stati applicati materiali e processi sostenibili nella produzione di un battello pneumatico da diporto ad elevate prestazioni. Ricerca ed innovazione delle materie prime, validazione sperimentale mediante prototipazione, ingegnerizzazione ed ottimizzazione del processo hanno permesso di sviluppare le logiche e la tecnologia produttiva di un’imbarcazione pneumatica, implementando il laminato “tradizionale” (fibra di vetro, anima in PVC e resina poliestere) con un materiale composito sostenibile di fibre naturali e resine di nuova generazione. Materie prime e modalità di processo del biocomposito sono caratterizzate dai seguenti prerequisiti: • fibre e materiali d’anima: naturali, rinnovabili per applicazione non-food • matrici a basse emissioni: low VOC, Normativa Reach, assenza stirene • basso impatto ambientale: requisiti di sicurezza e controllo rischi espositivi • garanzia di qualità costante e riproducibile in un processo di produzione seriale • ottimizzazione dei costi e dei tempi ciclo, garantendo anche una funzione strutturale e non “solo” di design (ca-
Zar 57 by Face in azione
ratteristiche meccaniche comparabili, se non superiori, alle versioni “tradizionali” di composito, garantendone l’impiego con affidabilità su componenti strutturali). L’imbarcazione pneumatica scelta raggruppa tutti gli elementi per validare le caratteristiche del biocomposito, come la produzione seriale, la necessità di resistere ad alte sollecitazioni, una componente estetica molto ricercata nel suo genere: lo Zar 57 del cantiere Zar-Formenti. È un battello pneumatico lungo 5.70 m, largo 2.54 m, con un peso totale senza motore di 680 kg ed una velocità di progetto di 40 kn: la soluzione vetro + PVC + poliestere è stata sostituita, con pesi raffrontabili, con la soluzione del biocomposito: tessuto Face Fibers lino da 390 g/m2 + anima sandwich Corecork
by Amorim NL10 da 6 mm + matrice in resina epossidica Sika Biresin CR 83 & CH 83-2/-6. La riduzione dell’impatto ambientale è stata garantita sia dalle materie prime naturali utilizzate sia dall’ambiente di lavoro pulito durante la fase di lavorazione. Inoltre le prove di infusione one-step hanno dato buoni risultati in termini di finitura super ficiale: lo scafo senza skincoat non ha riscontrato problemi di bolle mentre la coperta senza gelcoat è stata verniciata con minime operazioni di carrozzeria. Il vantaggio più significativo è stato la riduzione del peso di 80 kg rispetto alla versione standard. Questo e la maggior rigidità dello scafo hanno permesso al battello di ottenere eccellenti per formance in acqua raggiungendo la velocità di 46 nodi a pieno carico.
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Speciale nautica
TC-SC
SPECIALINSERT
Inserto a deformazione con doppio ancoraggio Specialinsert è impegnata nella realizzazione di inserti adatti alle necessità di fissaggio dei differenti materiali. Nata nel 1974, ha mantenuto l’iniziale specializzazione nei sistemi di fissaggio meccanici affiancando alla realizzazione di soluzioni in proprio la distribuzione di prodotti in esclusiva. La sua produzione è interamente Made
TC SC 1 applicato
in Italy, con sistema aziendale certificato ICIM dal 1997 nello stabilimento di Maerne (VE) L’azienda fornisce assistenza al cliente prima, durante e post vendita. Uno degli aspetti da evidenziare è la costante ricerca dell’innovazione, lo sviluppo di nuovi sistemi orientati alle esigenze di mercato e ai materiali di nuova concezione, grazie alla presenza al suo interno di un laboratorio tecnologico e di un ufficio studi. Tra i materiali di nuova concezione spiccano i pannelli sandwich, che hanno l’utilità di alleggerire e contemporaneamente ottenere un prodotto con ottima resistenza; per queste loro caratteristiche sono alla base degli sviluppi in diversi settori, tra i più importanti si distingue la nautica, dove il peso incide notevolmente sui consumi e sulle strutture. Foratura del pannello
Ma cosa si può usare per fissarsi sui pannelli sandwich? Questo è ciò che la maggior parte dei progettisti si domanda quando pensa a come fissare armadi, estintori, sedili, pensili, mensole e quadri elettrici. La soluzione è nata proprio in seguito ad un’applicazione fatta per fissare una consolle di guida su un pavimento in pannello sandwich, da questo punto di partenza le applicazioni sono diventate sempre più numerose.
DEFORM-NUT TC/SC Inserto a deformazione con doppio ancoraggio, meccanico e chimico. Il primo è dato dallo stesso principio del DeformNut, il secondo è assicurato dalla colla posta nel foro prima del montaggio dell’inserto stesso. Questo tipo di fissaggio garantisce la planarità dell’inserimento, evita il soffocamento della zona indebolita, fa lavorare su tutta la sua altezza il pannello sandwich distribuendo i carichi su tutto il pannello e non solo su una parte di esso come i classici fissaggi. Inoltre per finire dà il vantaggio di utilizzarlo e movimentarlo immediatamente, a differenza di molti altri presenti attualmente sul mercato. Questo inserto è idoneo ad ancorarsi a tutte le tipologie di pelli, alluminio, carbonio, vetroresina, ecc. I carichi a trazione arrivano fino a 2800 N, in relazione alla tipologia di applicazione e materiali utilizzati. Prodotto brevettato.
DEFORM-NUT TC/SC/1 Inserto derivato dal precedente con gli stessi sistemi di ancoraggio e le stesse qualità, ma con il vantaggio di poter lavorare su spessori minimi. Prodotto brevettato.
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Speciale nautica VABER
Adesivi strutturali in uno scafo da record Il 28 settembre 2012 Fabio Buzzi, detentore di numerosi record di velocità sull’acqua, e il suo equipaggio hanno stabilito un nuovo record sulla tratta New York - Bermuda con la barca FB Design 41 che ha percorso le circa 670 miglia nautiche in sole 17 ore e 6 minuti, alla media di 39,49, nodi, migliorando di 4 ore e 33 minuti il precedente record. Il 40 piedi protagonista del record è nato nel cantiere FB Design ed è stato disegnato personalmente dal campione. Gli scafi prodotti dall’impresa sono veloci, affidabili e resistenti, in grado di affrontare lunghi percorsi senza soste e in condizioni anche difficili. Lo scafo utilizza la tecnologia “Structural Foam”, un brevetto di FB Design che permette di iniettare una schiuma poliuretanica nel fondo dello scafo per renderlo assolutamente inaffondabile. Gli adesivi strutturali Plexus® sono stati utilizzati per l’assemblaggio delle parti strutturali dello scafo che è stato realizzato completamente in composito. In questa prova gli adesivi strutturali hanno confermato le loro specifiche performance di affidabilità e soprattutto di resistenza alla fatica e agli urti. Assicurano prestazioni migliori rispetto ai giunti laminati perché in pratica non richiedono preparazioni delle superfici, hanno un potere riempitivo fino a 50 mm e permettono un montaggio più facile e veloce. Gli adesivi prodotti da ITW Plexus® sono tecnologicamente avanzati e con un ridotto impatto ambientale, nel pieno rispetto delle norme più severe di protezione e salvaguardia ambientali. ITW Plexus® detiene il brevetto mondiale della tecnologia a base di metacrilato Core Shell impact modifier. I prodotti ITW Plexus® sono distribuiti in Italia da Vaber.
ICC camera
Applicazione avvolgifiocco su Perini Navi
ZUND
Tecnologia di precisione
I sistemi multifunzione Zund sono utilizzati per taglio e finitura non solo della fibra di vetro impiegata per la costruzione degli scafi, ma anche del carbonio e degli altri materiali compositi utilizzati per la produzione di accessoristica. Oltre che per la lavorazione dei timoni e degli alberi, è possibile applicare la tecnologia Zund anche per il taglio delle vele. Il sistema 3XL-3200 CV è adatto all’esecuzione di questa specifica operazione, grazie al formato di 3200 mm. Anche i tessuti e i PVC spalmati per la produzione dei teli copri barca, le pelli sintetiche e i tessuti per cuscineria, le pellicole in PVB per i vetri stratificati, i film di poliestere e policarbonato per cruscotti, plance, quadranti e strumentazioni, nonché le lastre in polipropilene per la realizzazione di serbatoi su misura e le pellicole per la decorazione di interni, fanno parte dell’ampio elenco di materiali applicati alla nautica che un sistema Zund può lavorare. Commercializzati sul territorio nazionale da ZundLab, i plotter sono studiati per lavorare 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Molto solidi e robusti nella struttura, oltre ad offrire massima produttività, eccellono per ergonomia, facilità d’uso e consumi energetici ridotti. La modularità è un’altra loro caratteristica vincente: i nove modelli di cui si compone la famiglia G3, la terza generazione di plotter della casa svizzera, sono compatibili con tutti gli utensili e i dispositivi automatici di alimentazione dei supporti forniti da Zund. Zund G3
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Speciale nautica PERSICO MARINE
Imbarcazioni che puntano alle performance A fine maggio di quest’anno sono partiti dalla Persico Marine a Nembro gli scafi in carbonio dell’AC72 Luna Rossa Challenge destinazione Auckland pronti per il varo che si è tenuto ad inizio novembre. Da questi capannoni di Nembro, a pochi km da Bergamo, l’anno scorso è partito anche il Volvo 70 di Abu Dhabi Ocean Racing e lo stesso è avvenuto per gli stampi in carbonio dell’ala dell’AC72 di Artemis Racing. Una cinquantina di tecnici specializzati da tutto il mondo, frese per lavorare pezzi anche di 25 m, la possibilità di accedere al know how del gruppo, a cominciare dal settore Research & Development, oltre a un portfolio unico, significano oggi per Persico Marine una serie di progetti in dirittura d’arrivo come, ad esempio, un superyacht cu-
stom per il quale è stato chiesto all’azienda di realizzare tutte le sovrastrutture in composito di uno yacht sopra i 100 m in turnkey solution. Persico Marine è quindi delegata alla progettazione, ai calcoli strutturali, alla realizzazione degli stampi, dei pezzi/stampate in infusione con resina epossidica e infine del montaggio presso il cantiere. In questo periodo alla Persico Marine stanno ultimando il primo scafo in carbonio della New Volvo Class 2014-2015, un progetto sviluppato dallo Studio Farr e la costruzione costituirà un vero puzzle. La Volvo New class nascerà infatti da un consorzio di aziende. Persico Marine ha realizzato lo stampo in infusione in carbonio alto TG (come aveva già fatto per l’ala rigida di Artemis e per alcuni alberi in carbonio della consociata Future Fi-
bres) e poi tutti gli scafi, completi di paratie strutturali e altri elementi come la keel box; altri tre cantieri europei si occupano invece rispettivamente della costruzione della coperta (Multiplast in Francia), di alcuni componenti interni (Decision in Svizzera) e infine dell’assemblaggio finale delle imbarcazioni (Green Marine in Inghilterra). Per la sua partecipata Future Fibres Persico Marine ha realizzato degli stampi in alluminio per la costruzione di albero e boma (fino a 75 mt) in carbonio con un sistema di guarnizioni e di chiusura sviluppato internamente. L’azienda sta inoltre usando la tecnologia della poltrusione (la fibra è tirata all’interno degli stampi invece che esserci spinta, come invece avviene nell’estrusione) per dei grandi pannelli per yacht. â–
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Tecnologie
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R&D Lamiflex Group
di Mauro Maggioni e Federico Ciatto
RTM per applicazioni strutturali Sviluppato con il supporto del Dipartimento di Ingegneria Aeronautica del Politecnico di Milano lo studio realizzato da Lamiflex evidenzia come la tecnologia RTM rappresenti un’alternativa all’utilizzo dell’autoclave per parti strutturali lineari, in particolare travi a sezione ad “H” a geometria complessa, che si avvicinano molto a quelle ottenibili per la macchinazione cnc di metalli.
evoluzione continua delle strutture meccaniche, con particolare riferimento a quelle dinamiche, unita alla sempre maggiore propensione alla leggerezza delle stesse, ha portato negli ultimi anni un aumento dell’utilizzo dei materiali compositi in sostituzione delle leghe metalliche. La tecnica costruttiva maggiormente impiegata per parti strutturali è quella dell’autoclave, dove una serie di preimpregnati, tessuti precaricati con resina non polimerizzata vengono stesi su uno stampo e successivamente curati con l’ausilio di temperatura e pressione all’interno dell’autoclave. La quasi totalità dei componenti in composito avanzato passa attraverso il processo produttivo descritto. In particolare, la tecnica è quella impiegata nel settore aeronautico dove materiali, formazione del personale
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Fig.2: Esempi di travi con forme complesse
Fig.1: Contenuto di fibre in funzione della produttività
produttivo, ciclo di cura sono normati da una serie di specifiche molto dettagliate che inquadrano il processo stesso come speciale. L’importanza dei “laminatori”, tecnici altamente specializzati che depongono i preimpregnati secondo opportuni schemi di laminazione, è un cardine importante del processo e influisce sulla qualità dei particolari stampati. Una disattenzione in fase di laminazione, la dimenticanza di strati durante la costruzione del laminato possono portare a scarti o addirittura a cedimenti del particolare strutturale. Si intuisce come la forte
componente manuale della tecnologia autoclave influisca anche sulla produttività stessa. Per contro, i componenti che ne scaturiscono possiedono un elevatissimo rapporto fibra/matrice e un rapporto peso/resistenza così vincente da giustificarne l’utilizzo per strutture destinate ad aeromobili. Le geometriche dei componenti che ne scaturiscono, però, sono spesso semplici e molto “lineari”, lontane dalla complessità che si può ottenere attraverso la macchinazione di un metallo. Questo limite si basa sul fatto che i tessuti di
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Fig.3: Stampaggio provini
Fig.4: Rottura di provini Fig.5: Esempio di test DMA test (resina RTM6 Hexcel)
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rinforzo sono strutture piane che per trasformarsi in geometrie tridimensionali non sviluppabili e complesse necessitano di deformazioni elevate o addirittura tagli e sovrapposizioni con conseguenti problematiche di sovraspessori e una notevole complessità anche nella progettazione degli stessi soprattutto per quanto riguarda la simulazione meccanica. Tagli, sovrapposizioni, deformazioni sono modifiche intrinseche alla proprietà del composito stesso, quindi valori di moduli elastici, o meccaniche di rottura ottenu-
te per provini piani devono essere applicate alle strutture tridimensionali con un certo margine di incertezza che genera fattori di sicurezza a volte elevati. Parallelamente, sotto la forte spinta del settore automotive, sono stati sviluppati altri processi produttivi; in particolare la tecnologia RTM (Resin Transfer Moulding) permette l’iniezione diretta in stampo di resina liquida che riempie la cavità dello stampo precedentemente caricata con una struttura in tessuto asciutto. Le frazioni volumetriche ottenibili fino a qualche hanno fa sono state ampiamente portate a livelli paragonabili a quelli dell’autoclave grazie ad una sempre maggiore disponibilità di rinforzi strutturali dedicati a tale tecnologia con particolare riferimento alle strutture multiassiali. Un secondo aspetto che ha limitato molto l’ingresso della tecnologia RTM nel settore aeronautico è stato anche la scarsa letteratura e i dati delle caratteristiche dei materiali al fine di poterli inserire in simulazioni numeriche di progettazione. In ogni caso sono molteplici i vantaggi che la tecnologia RTM possiede in termini di automazione, produttività, minor dipendenza della qualità del componente dal fattore umano. La tecnologia RTM rappresenta un’alternativa all’utilizzo dell’autoclave per parti strutturali lineari, in particolari travi a sezione ad “H” a geometria complessa. Proponiamo una linea guida costruttiva per la realizzazione di geometrie che si avvicinano molto a quelle ottenibili per macchinazione cnc di metalli. Particolare importanza ha avuto, nello sviluppo del lavoro, il concept della preforma che da un lato permette la realizzazione della stessa esternamente al tool di stampaggio, dall’altro fornisce una logica costruttiva così versatile da poter essere applicata ad un numero elevatissimo di strutture tipo trave. La preforma in oggetto e il sistema costruttivo sono stati brevettati da Lamiflex. È stata anche ottenuta un’elevata mole di dati tecnici di progetto per una nuova gamma di materiali che potrà permettere l’applicazione della tecnica e dei relativi materiali già in fase di progettazione per programmi strutturali futuri. Output del progetto sono stati infatti valori di
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Fig.7: Coefficiente elastico
Fig.6: Compor tamento meccanico di provini RTM
moduli elastici flessionali e trazionali, valori di invecchiamento e assorbimento di umidità, valori di temperature di transizione vetrosa, valori di rottura e relativi meccanismi di cedimento. Il lavoro può essere sintetizzato in cinque differenti step: • studio dei materiali di rinforzo e resine • test meccanici e chimico-fisici su provini • costruzione della pre-forma • stampaggio • analisi dei componenti stampati.
STUDIO DEI MATERIALI DI RINFORZO E RESINE - TEST La scelta si è concentrata principalmente sui rinforzi quadri assiali accoppiati attraverso un sistema di cuciture con filato poliestere e unidirezionali al fine di fornire una maggiore capacità di resistenza in direzioni preferenziali. Il quadro assiale (12K HR T700 con struttura 0°;+/-45°; 90°) permette un’ottima manipolabilità e stabilità del
rinforzo stesso durante i tagli e le deformazioni imposte mantenendo un ottimo orientamento della fibra anche dopo deformazioni particolarmente severe. Oltretutto la quasi isotropia del materiale consente, ai par ticolari stampati, una netta diminuzione delle tensioni interne residue a maggior vantaggio della stabilità dimensionale. L’orientamento delle proprietà viene ottenuto posizionando gli strati di UD nelle direzioni necessarie. Le laminazioni ottenute sono state confrontate con i materiali omologati standard attualmente in uso soprattutto nel settore aeronautico fornendo ottimi risultati. La scelta delle resine è stata volutamente molta ampia in modo da permettere uno spettro di dati completo e valorizzare lo studio per una più ampia gamma di applicazioni (non solo quelle aeronautiche). Si è quindi deciso di utilizzare una gamma di resine che spazia da bassa Tg
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(circa 80°C) fino a Tg superiori a 200°C. Tali resine, a base epossidica, sono state fornite da Huntsman, Hexcel e Gurit. Attraverso la realizzazione di uno stampo in carbonio per laminati piani si è proceduto a realizzare una serie di provini combinando molteplici laminazioni e resine per un totale di 13 laminazioni. Dalle lastre stampate sono stati ottenuti provini per test trazionali, flessionali, DMA, DSC, assorbimento di umidità, frazioni volumetriche, grado di porosità. All’interno della figura 6 si possono osservare i risultati tecnici più importanti in termini di performance strutturali. Quello che si può osservare è un ottimo,
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Fig.8 a,b: Concept standard di trave e concept RTM con butt-joint
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Fig.9 a,b,c: Esempi di preforma in carbonio
e in alcuni casi superiore, comportamento dei materiali in studio rispetto agli standard aeronautici. I dati ingegneristici ottenuti sono quindi un’ottima fonte di progettazione per strutture in composito processate con tecnologia RTM. La figura 7 riporta i coefficienti elastici strutturali completi per la combinazione quadri assiale; UD e resina RTM6.
COSTRUZIONE DELLA PREFORMA Il core dello sviluppo è rappresentato dalla preforma che permette una complessità geometrica finale molto simile alle strutture in metallo macchinate. Il cuore del concept si basa sul concetto costruttivo di butt-joint per la realizzazione della forma ad “H”; sistema brevettato da Lamiflex. Nella concezione stan-
dard la tipica forma ad “H” viene realizzata per piegatura del materiale dalla parte piana alla web della trave. Se la trave non è prismatica e presenta forme molto più complesse, questa logica costruttiva entra in crisi perché i limiti di deformabilità dei materiali di rinforzo impongono un range ristretto di geometrie realizzabili.
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Fig.11: Tool per RTM 3D
Fig.10: Prifilo di temperatura dello stampo
Ne segue che quando si approccia la realizzazione di componente di questo genere in composito o si vuole sostituire l’elemento macchinato in metallo occorre rivedere la geometrica dell’intera trave. Al contrario il concept costruttivo proposto da Lamiflex, combinato con l’utilizzo dei materiali di rinforzo opportuni, rende possibile la realizzazione di un’ampia gamma di geometrie. La figura 8a mette in evidenza come l’elevata deformazione che verrebbe richiesta al tessuto di rinforzo nelle zone degli spigoli, chiaramente non realizzabile, impone l’eliminazione dello spigolo stesso creando una struttura aper ta e intrinsecamente meno rigida della struttura mostrata in figura 8b che può essere facilmente realizzata come mostrato nella figura 9. Prendendo come riferimento le geometrie della figura 2, ottenute per macchinazione dal pieno, un tipico approccio per la realizzazione delle stesse in composito è rappresentato in figura 9. La tecnica a butt-joit permette la costruzione di una forma con un’ottima distribuzione del filato di rinforzo e con geometria complessa che si avvicina molto a quanto ottenibile da macchinazione. Una geometria di questo tipo risulta in-
trinsecamente più rigida a vantaggio della rigidità della struttura nel suo complesso e la presenza di materiale di rinforzo multiassiale diminuisce le tensioni residue all’interno del pezzo e migliora il comportamento a fatica del componente.
Fig.12: Preforma in carbonio e par te stampata
STAMPAGGIO E TESTING Lo stampaggio è stato ipotizzato con strategia di iniezione periferica che permette un’ottima distribuzione del fronte di avanzamento della resina ed elimina problematiche di formazione di vuoti interni.
Fig.13: Stampo in resina per lo sviluppo del concept
Fig.14: Analisi super ficiale SEM
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Fig.15: FEM
Un’impor tante innovazione è stata la realizzazione del sistema di termoregolazione dello stampo in carbonio attraverso un insieme di resistenze integrate nello stampo e controllate da una centralina termica esterna a PLC con controllo PID. Quest’ultima permette anche la registrazione di segnali da termocoppia e ha permesso di costruire il profilo termico dello stampo e della preforma in esso contenuta. In questo modo è stato possibile verificare la corretta distribuzione della temperatura e ottimizzare il ciclo di curing in modo dettagliato. La figura 10 mostra il profilo termico dello stampo con una rampa di salita di 2°C/min. Il materiale di costruzione dello stampo è HEXTOOL® M81; un mat random tridimensionale di carbonio sviluppato da Hexcel che permette la macchinazione della superficie dopo lo stampaggio e temperature di esercizio fino a 200°C. Si evita in questo modo la fase del master model in quanto la geometria finale è ottenuta per lavorazione. La struttura in carbonio dello stampo minimizza le dilatazioni termiche conseguenti alle temperature di esercizio ottimizzando le tolleranze dimensionali dello stampato. In fase di concept stampaggio, con lo scopo di verificare la strategia di iniezione e i tempi di riempimento, si è optato per uno stampo diretto in resina poliuretanica a bassa Tg (circa 80°C) e iniezione con resina Gurit Prime 20 (fig. 13). Lo stampo si è rivelato leggero e funzionale e di rapida realizzazione in grado di stampare anche piccole serie con costi particolarmente contenuti.
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Analisi al microscopio elettronico della sezione della trave processata in RTM hanno evidenziato un’assenza di vuoti interni a vantaggio della resistenza a fatica del componente. Presso il PoliMi è stato stimato un livello di porosità inferiore allo 0,01%. Sulla base dei dati ingegneristici ottenuti sui provini è stato sviluppato un modello FEM della trave per un’analisi statica per confrontare i risultati con una prova meccanica reale. Presso il Dipar timento di Ingegneria Strutturale del Politecnico di Milano è stata effettuata la prova statica della trave simulando un’azione di trazione con momento. La figura 16 mostra la prova di trazione e il grafico di carico in funzione dello spostamento della traversa. Il carico di primo cedimento previsto dalla simulazione FEM è di circa 2800 Kg e si è rivelato un valore molto vicino al reale osservato durante la prova di trazione. Il cedimento completo della trave si è osservato ad un carico di oltre 5 ton con un collasso della web sottoposta a carico di compressione.
CONCLUSIONI Il lavoro svolto ha messo in evidenza la reale applicabilità e ripetibilità della tecnologia RTM per strutture portanti complesse, ha permesso di costruire un importante database di dati di progettazione e ha creato un network di lavoro tra un gruppo di aziende che, ciascuna per le proprie competenze, ha introdotto quanto di più avanzato sia stato sviluppato recentemente a favore della tecnologia RTM. ■
Fig.16: Test statico presso il PoliMI
RTM per applicazioni strutturali WORKSHOP
LAMIFLEX
Il lavoro descritto è stato presentato in modo dettagliato attraverso un Workshop svoltosi presso l’Head Quarter di Lamiflex Spa lo scorso ottobre, dove si è mostrato lo stampaggio e il curing in diretta della trave in carbonio affiancata ad una serie di presentazioni tecniche legate alla tecnologia RTM. All’evento hanno partecipato referenti di aziende provenienti dal settore aeronautico e industriale verificando la reale versatilità, ripetibilità e controllo della tecnologia.
Azienda che lavora nel settore dei compositi dalla metà degli anni ’70 principalmente come fornitore e inventore dei nastri porta-pinza e delle relative ruote dentate, anch’esse in composito, di azionamento per i telai meccano-tessili. Negli anni si è differenziata avvicinandosi a settori industriali per la produzione di tubi in pressione, rulli e lame raschia cilindri per l’industria della carta, al settore medicale per la produzione di lettini e accessori per macchine radiologiche, al settore sportivo e del design abbracciando la maggior parte delle tecnologie utilizzate per la realizzazione di componenti in composito avanzato con resine epossidiche. È fornitore qualificato di AgustaWestland e Alenia Aeronautica per la fornitura di componentistica in composito. Vanta una esperienza decennale di produzione in RTM per applicazioni strutturali statiche e dinamiche ed è in continuo sviluppo sulla tecnologia che ritiene essere vincente e applicabile a componentistica strutturale avanzata. Collabora con Alenia per lo sviluppo di componentistica strutturale in infusion/RTM all’interno di programmi di ricerca fornendo competenze di concept, costruzione stampi e tecnologia di processo. Attualmente conta circa un centinaio di dipendenti e un settore di R&D che lavora a tempo pieno su nuovi progetti e programmi di sviluppo per il continuo miglioramento delle tecnologie e dei materiali.
Il marchio Araldite® citato è di proprietà Huntsman Corporation o di una sua affiliata, oppure concesso su licenza a Huntsman Corporation o a una sua affiliata. I marchi HexForce®, HexFlow®, HexTool® M81citati sono di proprietà Hexcel o di una sua affiliata, oppure concessi su licenza a Hexcel o a una sua affiliata.
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Technologies
by Mauro Maggioni and Federico Ciatto
RTM for structural applications
With the support of the Department of Aerospace Engineering of Politecnico di Milano Lamiflex has performed a study highlighting how the RTM technology represents an alternative to the use of the autoclave for linear structural parts and in particular for "H" section beams with complex geometry, yielding very close results to those obtained by means of cnc machining of metallic elements. he continuous evolution of mechanical structures, with particular reference to dynamic ones, combined with the ever growing tendency towards lightweight components, has led in recent years to an increasing use of composite materials at the expense of metal alloys. The manufacturing technique most frequently used for structural parts is the autoclave technique, where a set of prepregs, i.e. fabrics pre-loaded with non-polymerized resins, are laid up in a mould and subsequently cured by means of high temperature and pressure in the autoclave. This manufacturing process applies to almost all advanced composite components. In particular, this technique is exploited in the aerospace field where materials, technical staff training and curing cycle are standardized by a set of very detailed regulations thus defining a very special procedure. The importance of the technicians responsible for the lay-up of prepregs according to proper lamination schemes is a crucial point of the process and influences the quality of moulded products. Any inadvertency in the lamination process, any missing layer in the assembly of the laminate structure can result in alteration or even failure of the structural part. It is easy to feel the influence of the considerable manual work present in the autoclave technology on the productivity itself. Conversely, the resulting components have a very high fiber/matrix ratio and an effective weight/resistance ratio which justifies the use in aerospace structures. However, the geometries of these components are often simple and rather "linear", far from the complexity that can be obtained by means of machining of metallic parts. This limitation is based on the fact that the reinforcing fabrics are flat structures that require considerable deformations or even cuts in order to be modelled into three-dimensional non-developable geometries, with
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ensuing problems of excessive thickness and of remarkable design complexity for their mechanical simulation, too. Cuts, overlaps deformations are intrinsic modifications of the composite itself, therefore elastic module values or fracture mechanics obtained for planar samples must be applied to three-dimensional structures with a certain uncertainty estimate and a correspondingly high safety factor. At the same time, at the urge of the automotive industry other manufacturing processes have been developed. Specifically, the RTM (Resin Transfer Moulding) technology allows for the direct injection into the mould of a liquid resin that filling the mould cavity, previously loaded with a dry fabric structure. The volume fractions obtainable until a few years ago have substantially been brought to levels comparable to those reached by means of the autoclave process, thanks to an ever greater availability of structural reinforcements dedicated to this technology and in particular to multiaxial structures. A second aspect that strongly hindered the access of RTM technology to the aerospace field was also the scarce literature and data concerning material properties, which are necessary for the use of such materials in the numerical simulations of structural design. Anyway, the RTM technology offers several advantages in terms of automation, productivity, and reduced component quality dependence on the human factor. RTM technology is an alternative to the use of the autoclave for linear structural parts, in particular “H” section beams with complex geometry. We propose a manufacturing guideline for the production of geometries that are very close to those obtainable by metal machining. In the development of this work the preform concept has been of special importance, as it allows for the realization of the perform it-
self outside the moulding tool and it also yields a versatile manufacturing concept with potential application to a very large number of beam structures. These particular preform and manufacturing procedure have been patented by Lamiflex. We have also obtained a large amount of technical design data for a new range of materials, which will also allow for the application of this technique and respective materials in the design stage of future structural programs. As an output of the project we obtained indeed values for several material properties, i.e. flexural and tensile module, aging rate, moisture absorption, glass transition temperature, failure values and dynamics. The work can be summarized in five different steps: • Study of reinforcement materials and resins • Mechanical and chemical-physical tests on samples • Preform manufacturing • Moulding • Analysis of moulded components
STUDY OF REINFORCEMENT MATERIALS AND RESINS – TESTS Our choices were mainly focused on quadriaxial reinforcements, coupled by means of a stitching systems of polyester yarns and unidirectional fabrics in order to obtain a higher resistance to stresses along selected directions. The quadriaxial fabric (12K HR T700 with 0°;+/-45°; 90° structure) provides an excellent workability and stability during cutting and deformation operations, keeping a very good fiber orientation even after exceptionally severe deformations. Moreover, the almost total isotropy of the material yields a net reduction of residual inner stresses, with an increased dimensional stability. The desired orientation of material properties is obtained by positioning the
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R&D Lamiflex Group unidirectional fabric layers in proper directions. The laminates obtained in this way were compared to standardized materials, with special reference to those in use in the aerospace field, and have yielded excellent results. The choice of resins were deliberately very large in order to obtain a complete data range and to allow for the use of this study in a larger range of applications (beyond the aerospace industry). Therefore we have decided to use a set of resins ranging from a low Tg (about 80°C) to Tg values beyond 200°C. These epoxy-based resins have been provided by Huntsman, Hexcel and Gurit. After the manufacture of a carbon mold for planar laminates, we have then realized a set of samples by combination of a range of laminates and resins, for a total number of 13 different laminates. Samples have been obtained from the moulded objects to be used in tests of tensile and flexural stress, DMA, DSC, moisture absorption, volume fractions, porosity level. In Figure 6 we can observe the most significant technical data in terms of structural performance. One can notice an excellent behaviour of the materials under study, which sometimes is even better than that of aerospace standards. The technical data thus obtained are therefore a very good source of information for the design of composite structures manufactured by means of RTM technology. Figure 7 shows the complete structural elastic coefficients for the combination of quadriaxial/uniaxial fabric and RTM6 resin.
PREFORM MANUFACTURE The core of the process is represented by the preform, which provides in the end a geometrical complexity very similar to that of machined metallic structures. The core of the concept for the realization of the “H” profile is based on the construction idea of the buttjoint (Lamiflex patented system). In the standard concept, the typical “H” profile is obtained by bending the material onto the beam web. If the beam is not prismatic and on the contrary has a more complicated shape, this manufacturing concept fails as the deformation limitations of reinforcement materials allow for a restricted range of achievable geometries. As a consequence, when we approach the manufacturing of a composite component of this kind or we want to replace the machined metallic component we need to review the geometry of the whole beam. On the contrary, the manufacturing concept
proposed by Lamiflex, combined with the use of proper reinforcement materials, allows for the production of an ample range of geometries. Figure 8a highlights how the strong deformation imposed to the reinforcement fabric at the edges, which is clearly impossible to achieve, imposes the elimination of the edges, creating an open structure that is intrinsically less rigid than that shown in Figure 8b and easy to manufacture as shown in Figure 9. Considering as a reference the geometries in Figure 2, obtained by machining of a solid element, a typical composite manufacturing approach to these geometries is shown in Figure 9. The butt-joint technique allows for the production of a shape where the reinforcement yarn distribution is optimal and the complex geometry is very close to the one obtained by machining. A geometry of this kind is intrinsically more rigid with ensuing benefits for the structural rigidity, and the presence of multiaxial reinforcement material reduces the residual inner stresses in the object, improving the fatigue behaviour of the component.
MOULDING AND TESTING The chosen moulding strategy used peripheral injection, yielding an optimal distribution of the resin front-flow advancement and elimination the issue of formation of inner empty volumes. An important innovation was the implementation of the thermoregulation of the carbon mould by means of resistors integrated in the mould itself and managed by a PLC controller with PID tuning. This controller could also record the thermocouple signals and yielded the reconstruction of the mould and preform temperature profile. In this way it was possible to check the correct temperature distribution and to optimize in detail the curing cycle. Figure 10 shows the temperature profile of the mould with a ramp-up of 2°C/min. The mould material is HEXTOOL® M81, a three-dimensional carbon random mat developed by Hexcel that allows for the machining of the surface after moulding and for working temperatures up to 200°C. In this way we can skip the master model step as the final geometry is obtained by machining. The carbon structure of the mould minimizes the thermal expansion due to the high working temperature and therefore optimizes the dimensional tolerances of the moulded component. During the moulding we chose a direct mould in low-Tg polyurethane resin (about 80°C) and injection of Gurit Prime 20 resin (Fig. 13)
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with the aim of verifying the injection strategy and filling times. The mould proved to be light, functionally effective and fast to prepare, showing the potential for the a smallscale serial production with very moderate cost. Electron microscope analysis of the section of the RTM beam showed the absence of inner empty volumes, with benefits on the component stress and fatigue resistance. A porosity level lower than 1% was estimated at Politecnico di Milano. Based on the technical data yielded by samples, a FEM model of the beam was developed in order to perform a static analysis and to compare the results with a practical mechanical test. The static test of the beam was performed at the Structural Engineering Department of Politecnico di Milano through the simulation of a tensile stress. Figure 16 shows the tensile stress test and the load diagram as a function of beam displacement. The first-failure load estimated by the FEM simulation is about 2800 kg and it proved very close to the real value observed during the test. The complete failure of the beam was observed for a load larger than 5 tons with a collapse of the web under a compression load.
CONCLUSIONS The work has evidenced the real applicability and repeatability of the RTM technology for complex structural components. It has also provided the formation of a significant database of design data and created a working network between a group of companies, each contributing the top technological advances concernig the RTM technology within the respective skills. ■
WORKSHOP The work described here was presented in detailed during a Workshop held at the Lamiflex Spa Head Quarter in October, where moulding and curing of the carbon beam were presented live together with a series of technical talks about the RTM technology. Representatives from companies of the aerospace and industrial fields participated and could check the real versatility, repeatability and manageability of this technology. The Araldite® brand cited here is property of Huntsman Corporation or affiliated, or licensed to Huntsman Corporation or affiliated. The HexForce®, HexFlow®, HexTool® M81 brands cited here are property of Hexcel of affiliated, or licensed to Hexcel or affiliated.
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LAMIFLEX
Company working in the composite field since the mid ‘70s mainly as manufacturer and inventor of rapier ribbons and composite gears for textile machineries. Over the course of its history it has diversified its offer and reached the manufacturing field of pressurized pipings, rollers and doctor blades for the paper industry, as well as the medical industry with the production of beds and accessories for radiological tools, and the sports and design industry, adopting most of the technologies used for the manufacture of advanced composites with epoxy resins. It is qualified supplier of composite components for AgustaWestland. Lamiflex holds a decade of experience in the RTM manufacturing technology applied to static and dynamic structures and is constantly present in the development of what is considered the winning technologies for advanced structural applications. It collaborates with Alenia to research programs for the development of structural component by means of infusion/RTM techniques, by supplying conceptual ideas, mould manufacture and process technology. Lamiflex has currently about one hundred employees and a R&D branch working full-time on new projects and developmental programs aimed at the continual improvement of technologies and materials. ■
Il calcestruzzo peso piuma on i suoi pannelli strutturali a nido d’ape Nidaplast composites libera il calcestruzzo dal giogo del peso. Le soluzioni di nidaplast permettono di combinare materiali tradizionali e pesanti come il calcestruzzo o la pietra naturale con pannelli alveolari in polipropilene. Grazie a questo procedimento si può lavorare con lastre di materia prima sottili come la pelle. Il pannello sandwich così ottenuto sarà tre volte più leggero e più resistente di un pannello monolitico in calcestruzzo. Utilizzando il Nidapan® si riesce a ridurre di due terzi il peso di un tavolo. Con uno strato di calcestruzzo di uno spessore di 10 mm si ottengono super fici resistentissime che non saranno soggette a contrazione, fessurazione o deformazione. Le proprietà combinate di questa nuova struttura permettono ormai di creare degli ambienti decorativi dalle linee essenziali ed eleganti, che abbinano so-
All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Fiber content vs productivity Fig.2: Examples of complex beam shapes Fig.3: Moulding samples Fig.4: Breaking of samples Fig.5: Example of DMA test (resin RTM6 Hexcel) Fig.6: Mechanical behavior of RTM samples Fig.7: Elastic coefficient Fig.8 a,b: Standard beam concept vs RTM concept with butt-joint Fig.9 a,b,c: Examples of carbon preform Fig.10: Mould thermal profile Fig.11: 3D RTM tool Fig.12: Carbon preform and moulded part Fig.13: Resin mould for concept development Fig.14: SEM surface analysis Fig.15: FEM Fig.16: Static Test at PoliMI
Nidaplast
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brietà e modernità. Combinando un’anima nidaplast con una pelle di calcestruzzo o una sottile lastra di pietra, si possono lavorare e spostare più facilmente dei materiali che normalmente sono molto pesanti. Un altro vantaggio è quello dello sviluppo sostenibile: grazie alla riduzione delle quantità di materie prime occorrenti, i pannelli alveolari di nidaplast presentano un bilancio energetico positivo per la loro fabbricazione, trasporto, messa in opera e utilizzo. Nidaplast composites propone un’ampia gamma di anime strutturali a nido d’ape, adattate ai requisiti tecnici e meccanici di ogni progetto e/o impiego e a materiali come il calcestruzzo o la pietra naturale (marmo, granito, gres, ecc.). • Nidaplast® 8: l’anima per pannello sandwich è costituita di nido d’ape nidaplast, di un film plastico e di un tessuto non tessuto in poliestere. Viene utilizzata come isolante acustico impu-
trescibile, come inserto per l’assorbimento di urti e distanziatore livellante. • Nidapan®: una griglia termoplastica rinforzata in vetro per irrigidire l’anima strutturale a nido d’ape. Ser ve qui ad alleggerire e rinforzare la pietra naturale. Verrà utilizzato anche come paramento ver ticale o per mobili e arredamenti d’interni. In funzione dell’impor tanza delle sollecitazioni, viene proposta tutta una gamma di prodotti nidapan® (con tre livelli di densità della griglia termoplastica rinforzata in vetro). ■
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L’importanza della conformità Nadcap al momento che i compositi trovano sempre più spazio in applicazioni critiche, i laboratori di prova stanno ampliando sempre più la gamma e la complessità dei loro protocolli di prove. L’ottemperanza dei principi Nadcap (National Aerospace and Defence Contractors Accreditation Program) è diventato un requisito fondamentale per utilizzare un metodo uniforme di integrità di produzione. Lo scopo e l’intento di questi standard cruciali è assicurare che le prove in laboratorio siano effettuate correttamente e che i materiali forniti ai costruttori aerospaziali dai loro fornitori siano stati verificati in condizioni di prova ottimali, con flessioni e fattori esterni minimi che possano influenza-
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re i risultati considerati. Pertanto, la stretta aderenza alle esigenze esplicite ed implicite di questi documenti è fondamentale per la reputazione di entrambe le parti, produttori di materiali e produttori delle macchine di prova. Il mancato superamento di una verifica Nadcap potrebbe avere gravi conseguenze. Requisiti vitali per macchine di prova meccaniche sono la taratura dei diversi sistemi di rilevamento, come catene di carico, sensori di deformazione, temperatura ed allineamento. Ad esempio, in termini di variazioni di allineamento gli standard Nadcap specificano lo scarto massimo accettabile. Così la variazione della flessione del campione originario, per soddisfare lo
standard AC7101, per prove meccaniche in test statici, è al massimo il 10% e del 5% per i test ciclici. Per lo standard AC7122 su materiali compositi, la flessione accettabile è l’8% per test statici e ancora il 5% per test ciclici. Ma non sempre è sufficiente solo rispettare tolleranze di prova, in grado di fornire risultati precisi nell’ambito di singoli test. Instron continua perciò a sostenere tutti i laboratori che si stanno facendo strada verso il conseguimento di nuovi standard. Apparecchiature e software sempre più sofisticati sono sostenuti da una vasta gamma di servizi professionali per aiutare i laboratori ad ottenere la conformità Nadcap. ■
3A Composites Core Materials
Per un mondo più leggero ed efficiente in termini di costi I
materiali d’anima usati nelle strutture sandwich consentono di progettare prodotti compositi strutturali rigidi e leggeri. Grazie alle recenti innovazioni è possibile andare oltre e ridurre sia il peso che i costi dei materiali d’anima. 3A Composites Core Materials, con i suoi marchi per i materiali d’anima AIREX® e BALTEK®, è un esperto nelle soluzioni sandwich intelligenti e innovative.
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HYBRID CORE CONCEPT®
Con la sua ampia gamma di materiali d’anima ad alte prestazioni e un team di consulenza tecnica all’avanguardia, 3A Composites, partendo da una serie di requisiti estremamente personalizzati, che possono essere tecnici o commerciali, relativi al processo o alle proprietà ambientali, sviluppa la soluzione ideale e su misura per il materiale d’anima di ogni applica-
Hybrid Core Concept®: l’unione di diversi materiali offre una soluzione migliore per le esigenze specifiche in materia di costi totali, parametri tecnici e sostenibilità
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zione. Nella maggior parte dei casi l’ideale è un mix di diversi materiali d’anima, poiché i requisiti variano all’interno del componente. Ogni prodotto finale, che si tratti di uno yacht, di un container di carico, di una pala eolica o di un autobus urbano, presenta diverse regioni in cui sono richieste diverse caratteristiche del materiale d’anima. Ad esempio la resistenza all’urto è fondamentale nell’area di impatto con l’acqua di una nave, ma la resistenza alla temperatura è necessaria nella parte inferiore dello scafo. Delle buone proprietà a fatica sono necessarie nella traversa, mentre per un ponte adeguato serve una rigidità elevata. Gli indici del rischio di incendio, del rischio di fumo e di tossicità sono importanti all’interno della cabina, mentre la resistenza chimica è indispensabile nell’area attorno al motore e al serbatoio di gas. Purtroppo non esiste un materiale d’anima in grado di offrire tutte queste proprietà, tantomeno a un prezzo accessibile, pertanto un mix di diversi materiali d’anima offre solitamente un componente superiore a costi inferiori.
Materiali d’anima PET infusi con rivestimenti rimossi. Schiuma PET in commercio 100 kg (sinistra) vs. AIREX ® T92.100 SealX
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AIREX® T92 SEALX
L’efficienza in termini di costi è uno dei più importanti criteri nelle condizioni di mercato odierne. Negli ultimi anni 3A Composites Core Materials ha investito una fetta notevole delle sue iniziative di innovazione per aumentare il valore dei suoi prodotti per il cliente, riducendo al contempo il costo totale. Ha infatti iniziato con l’introduzione iniziale del PET come materiale d’anima in schiuma efficiente sotto il profilo dei costi, ha poi avviato notevoli misure finalizzate all’efficienza produttiva e ha introdotto tagli estremamente sottili (0,7 mm) e densità di schiuma inferiori. 3AC ha ora realizzato progressi decisivi in materia di assorbimento della resina dei materiali d’anima PET per i processi di infusione. Nonostante sia necessaria una certa quantità di resina nell’anima per garantire un
legame perfetto tra anima e rivestimento, la resina in eccesso contribuisce solo all’aumento del peso e dei costi. L’assorbimento della resina nell’anima rappresenta circa il 25% del costo totale del materiale d’anima (a seconda del sistema di resinatura e dello spessore del sandwich). Il nuovo AIREX® T92 SealX presenta un assorbimento della resina inferiore di oltre il 60% a qualsiasi schiuma PET equivalente e inferiore di circa il 50% rispetto alla schiuma PVC a celle fini equivalente. La riduzione di costi e peso così ottenuta viene accolta con estremo favore dai mercati altamente competitivi odierni.
Nuova gamma di soluzioni per il taglio dei tessuti Lectra, attiva nel campo delle soluzioni tecnologiche integrate per le aziende che utilizzano materiali morbidi (prodotti tessili, pelle, tessuti industriali e materiali compositi), ha organizzato un evento dedicato ai mercati dell’arredamento e dei tessuti industriali per presentare dal vivo le caratteristiche dei nuovi sistemi di taglio Vector®. Lo scorso novembre ha avuto luogo il terzo evento del lancio nazionale della nuova gamma di soluzioni per il taglio dei tessuti. Sono intervenute 15 aziende tra le più importanti del panorama industriale italiano, a conferma del grande interesse per gli sviluppi delle nuove tecnologie e per le possibilità che esse offrono in ambito produttivo. L’evento si è inoltre focalizzato sull’importanza delle soluzioni tecnologiche Lectra a supporto del processo di progettazione. In questa fase infatti i software Lectra permettono ai clienti di creare modelli in 3D da cui derivare le dime in 2D. In seguito poi possono essere predisposti in modo coerente i piazzamenti e il taglio di tutti i tipi di materiali tessili.
3A Composites possiede vaste piantagioni di balsa, che viene trasformata nel materiale d’anima rigido BALTEK® SBC.100 di legno di testa esclusivo
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BALTEK® SBC
Grazie alla sua resistenza ed elevata rigidità, la balsa è un materiale d’anima ideale per la maggior parte delle applicazioni sandwich. Inoltre, possiede la certificazione FSC (FSC® Forest Stewardship Council: Consiglio per la gestione forestale sostenibile) e garantisce quindi il massimo livello di sostenibilità sia ambientale che sociale.
Lectra
Oggi i sistemi Vector sono diventati più smart, produttivi, efficienti e flessibili garantendo la migliore qualità di taglio, il massimo tempo di attività del sistema, costi operativi ridotti al minimo e importanti risparmi di materie prime. Basata sull’efficienza e l’intelligenza delle soluzioni di taglio Vector, la nuova sala taglio combina un software ad alto valore aggiunto, macchine dotate di tecnologia pionieristica e la competenza settoriale acquisita da Lectra in quasi 40 anni. Numerosi dispositivi anti-errore contribuiscono inoltre a semplificare e accelerare la produzione di ogni linea di prodotto. La nuova inter faccia ergonomica, intuitiva e visiva consente il continuo monitoraggio e controllo di ogni passaggio del processo di produzione, avver tendo l’operatore in caso di pericolo. 120 sensori monitorano il compor tamento della testa di taglio in azione per ottimizzare il taglio in tempo reale e ridurre il consumo di materiale. Il sistema di manutenzione predittiva protegge la produzione prevenendo guasti potenziali.
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Compotec 2013
Al via la 5° Rassegna Internazionale ompotec, fiera internazionale in Italia completamente dedicata all’industria dei materiali compositi, riunisce nell’ambito di un solo evento ad altissima specializzazione produttori, distributori, industrie, università, istituti di ricerca, servizi legati a questi materiali ed alle relative tecnologie. L’edizione 2012 ha registrato la presenza di 125 marchi distribuiti su una superficie di 5.000 mq. Dei 7.086 visitatori professionali registrati nel corso dei tre giorni della rassegna, il 6% del totale è rappresentato da stranieri, provenienti da tutto in mondo e con una forte rappresentanza di Francia, Svizzera, Inghilterra e Germania. Compotec si è così qualificata come un evento focale per l’Europa e i paesi del bacino Mediterraneo. Compotec si terrà, anche nel 2013 in contemporanea con Seatec, 11° Rassegna Internazionale di tecnologie, subfornitura e design per imbarcazioni, yacht e navi, mantenendo il focus non soltanto sulla nautica, ma anche sui numerosi settori verso cui è indirizzata: aeronautico, automobilistico, nautico, edile ma anche medicale, del design, della moda e dello spor t. La duttilità del materiale permette infatti di dare forma e realtà a progetti complessi e audaci e la ricerca ha permesso, nel corso degli anni, di mutuare esperienze da un settore all’altro trasferendo modalità e soluzioni così applicabili in ambiti diversi. Per rafforzare l’identità del materiale composito in tutte le sue declinazioni, l’edizione 2013, che si svolgerà dal 6 all’8 febbraio, vedrà la dislocazione di Compotec all’interno del padiglione D, insieme all’area riservata ai Materiali & Applicazioni del Seatec, una sinergia che farà dell’intero padiglione un punto di eccellenza per ciò che riguarda i materiali, le lavorazioni e la costruzione tout court. Per coinvolgere maggiormente gli operatori dei vari settori sono stati programmati i Compotec Days, giornate di approfondimento appositamente dedicate ai settori edilizia, automotive, technology, technology transfer, marine, green solutions. Il calendario sarà pubblicato, con aggiornamenti in tempo reale, sul sito di Compotec (http://www.compotec.it). Gli interessati all’organizzazione di iniziative ed eventi dedicati al composito o a nuove tecnologie possono rivolgersi alla segreteria organizzativa (info@compotec.it ). Per rendere la manifestazione più dinamica, saranno attivate le Live Demo: le aziende espositrici potranno disporre, a titolo gratuito, di uno spazio per una dimostrazione teorica o pratica dei loro prodotti e delle loro tecnologie durante la rassegna. Le aziende espositrici saranno inoltre invitate ad aderire al percorso Greentec: una mano all’ecosostenibilità grazie alla facile identificazione delle aziende in linea con i criteri di risparmio energetico, riciclo, e tutto quanto aiuti la sostenibilità ambientale. Altro punto di forza dell’edizione 2013 è l’organizzazione di incoming dall’estero: l’importanza di incontrare nuovi potenziali buyers stranieri sarà rafforzata grazie al progetto di incontri B2B tra gli espositori ed un gruppo selezionato di operatori.
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L’iniziativa sarà supportata dall’impegno di ICE, Istituto per il Commercio Estero, e darà priorità ad operatori provenienti da Israele, Germania, Inghilterra, Francia. CarraraFiere sostiene anche economicamente l’industria del composito garantendo a tutti i partecipanti una tariffa ridotta del 20% sulla superficie prenotata. ■