Compositi 27 marzo 2013 by Tecnedit Edizioni

www.tecneditedizioni.it Poste Italiane spa . Spedizione in abbonamento Postale â&#x20AC;&#x201C; D.L. 353/2003 (conv. In L.27/02/2004 n.46) art. 1, comma1, DCB Milano

Organo ufficiale di Assocompositi

magazine anno VIII - numero 27 marzo 2013

In caso di terremoto...

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Prof. Roberto Frassine Presidente Assocompositi

editoriale

The usual February appointment of Compotec in Carrara was the occasion for a series of investigations on the environmental sustainability of composites, which has always been one of the arguments used by the lobby of metallic materials to discourage their use. Today we can say that in Europe composite materials have taken in this respect the dignity of other materials, thanks to the efforts of EuCIA, our reference association at the EU Community level. Thanks to the definition of co-processing introduced in the recent revision of Directive 2008/98/EC, today’s composites are recyclable and comply with European legislation since 2011. Our work will continue in the coming years, as the European Commission aims to ensure that Europe uses its resources in a more efficient way through the traceability of waste and continuous updating of regulations. From the LCA (Life Cycle Analysis) point of view, which is now the standard for assessing the environmental impact of human activities, the use of composite materials is already a winner in many ways and it benefits further due to the most modern recycling strategies that can reduce carbon footprint up to 16%. If today the composite waste has become a raw material for the industry, the credit goes to the joint efforts of companies and organizations in Europe: more information on this issue is now available at Assocompositi Press Office.

Nuova vita per i compositi Il consueto appuntamento del Compotec di Carrara è stato l’occasione per una serie di approfondimenti sul tema della sostenibilità ambientale dei compositi, che da sempre è uno degli argomenti utilizzati dalle lobby dei materiali metallici per disincentivare il loro impiego. Oggi possiamo dire che in Europa i materiali compositi hanno assunto a questo riguardo la stessa dignità degli altri materiali, grazie agli sforzi profusi da EuCIA, la nostra associazione di riferimento a livello comunitario. Grazie alla definizione di co-processing introdotta nelle recenti revisioni della direttiva 2008/98/EC, oggi i compositi sono riciclabili e conformi alla normativa europea fin dal 2011. Il nostro lavoro continuerà nei prossimi anni, poiché la Commissione Europea mira a garantire che l’Europa utilizzi le sue risorse in modo sempre più efficiente attraverso la tracciabilità dei rifiuti e il continuo aggiornamento delle normative.

editoriale

New life for composites

Anche dal punto di vista dell’analisi LCA (Life Cycle Analysis) che è oggi lo standard per la valutazione dell’impatto ambientale delle attività umane, l’impiego dei materiali compositi, già vincente sotto molti punti di vista, si avvantaggia ulteriormente grazie alle più moderne strategie di riciclo che possono ridurre il carbon footprint fino al 16%. Se oggi il rifiuto in composito è diventato una materia prima per l’industria, il merito va allo sforzo congiunto delle aziende e delle organizzazioni europee: maggiori informazioni sul tema sono fin d’ora disponibili presso la segreteria di Assocompositi.

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Sommario AUTOMOTIVE

>> 46

Marzo 2013 March 2013

Riparazione CFRP in Lamborghini Lamborghini CFRP Repair

Periodicità trimestrale Quarterly review

Casper Steenbergen

9 VITA ASSOCIAZIONE

VETRINA NAUTICA

Anno VIII – Numero 27 Year VIII – Issue 27

49 53

Sull’onda dell’innovazione Riding the wave of innovation

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

Ignazio Crivelli Visconti

COSTRUZIONI

Progetto grafico impaginazione e fotolito Photo type – setting Lodovico Pieropan

Elementi prefabbricati PRC esistenti rinforzati con compositi cementizi Existing precast PRC elements strengthened with cementitious composites

Stampa - Printed by Grafteam

Carlo Pellegrino, Tommaso D’Antino, Paolo Franchetti, Francesca Da Porto, Giorgio Giacomin

DESIGN

THERMOGRAFIA

È vietata la riproduzione, anche parziale, senza l’autorizzazione della casa editrice Reproduction even partial is forbidden, without the permission of the publisher

Tecniche di imaging IR non invasive Non-invasive IR imaging techniques

La tecnologia …in bagno Technology …in bathroom

Coordinamento di redazione Editing Co-ordination Anna Schwarz

Massimiliano Della Monaca

N.P. Avdelidis, A. Bendada, C. Ibarra-Castanedo, X. Maldague, S. Fanou, M. Koui

DESIGN

Creatività tecnica

AUTOMOTIVE

Luca Zavaglia

Le sospensioni della XAM 2.0 The suspension of the XAM 2.0 vehicle

ANTEPRIMA JEC 2013

Andrea Airale, Massimiliana Carello

VETRINA

2013 USERS CONFERENCES

50 years of innovation A new era begins

SEATEC- COMPOTEC 2013

Visitatori in aumento

Direttore responsabile Publishing manager Liliana Pedercini

Ufficio Commerciale Sales office Ramona Foddis 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 Andrea Airale N.P. Avdelidis A. Bendada Massimiliana Carello Ignazio Crivelli Visconti Francesca Da Porto Tommaso D’Antino Massimiliano Della Monaca S. Fanou Paolo Franchetti Giorgio Giacomin C. Ibarra-Castanedo M. Koui X. Maldague Carlo Pellegrino Casper Steenbergen Luca Zavaglia

Compositi

3° Convegno nazionale Assocompositi a Torino Dal 22 al 24 maggio presso il Castello del Valentino Assocompositi organizza il suo 3° Convegno Nazionale in collaborazione con Torino Piemonte Aerospace e con il Politecnico di Torino. L’evento si articolerà in due giornate di interventi tecnici (dedicati ai temi aerospazio, applicazioni industriali, produzione, costruzioni, energia, materiali, nautica e trasporti) e in un’ultima giornata di visita a un’importante azienda del territorio piemontese. Il call for papers è fissato per il 15 marzo. Le iscrizioni al Convegno scadono il 30 aprile.

QUOTE D’ISCRIZIONE INDIVIDUALI • 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 Segreteria Tecnica (per informazioni su: programma, invio abstract e full paper, pagamenti e adesioni ad Assocompositi) Assocompositi Simona Tiburtini tel: +39 348 0105920 email: info@assocompositi.it

QUOTE SPONSOR AZIENDALI (Sala delle Colonne, 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

Padiglione Assocompositi a JEC Europe 2013 Assocompositi coordina per la prima volta un padiglione collettivo all’interno di JEC Europe 2013 (Parigi 12-14 marzo). Nell’area collettiva (postazione H56), insieme all’Associazione, esporranno i Soci Carùs, Mapei, Mates Italiana e Plastic Glass.

Compositi

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.

NUOVE PUBBLICAZIONI DI EUCIA SUL RICICLO DEI COMPOSITI Nel mese di febbraio EuCIA ha pubblicato la nuova brochure “Composites Recycling Made Easy” (disponibile in download alla sezione News del sito di Assocompositi) che fornisce una visione chiara delle vie di riciclo per i materiali compositi e del loro impatto sull’ambiente. Il documento dà inoltre una spiegazione completa sul riciclo dei materiali compositi in fibra di vetro nel co-processing in cementificio.

Segreteria Organizzativa (solo per: invio schede iscrizione, prenotazione desk aziendali, info alberghi e transfer) Eventum Alessandra Giani tel: +39 340 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.

SAE 2013 Dal 29 al 31 gennaio a Torino l’Associazione è stata invitata dagli organizzatori a partecipare con un desk istituzionale a SAE 2013 Design, Manufacturing and Economics of Composites Symposium, importante evento internazionale dedicato ai materiali compositi. Il simposio ha accolto oratori di livello internazionale concentrandosi sui temi del design e della produzione nei settori aerospace e automotive. Oltre al programma tecnico, il convegno ha ospitato anche una sezione espositiva che ha dato la possibilità ad Assocompositi di entrare in contatto con nuove imprese altamente tecnologiche e di promuovere le proprie attività.

Workshop sulla sostenibilità dei compositi a Compotec 2013 Nell’ambito dell’ultima edizione di Compotec (tenutasi a Carrara Fiere dal 6 all’8 febbraio scorso) l’Associazione ha organizzato in collaborazione con Compositi Magazine il workshop Impatto ambientale dei compositi: recenti sviluppi e normativa dedicato alla cruciale tematica del riciclo dei compositi a livello nazionale e internazionale. Il seminario ha riscosso un

ottimo successo e tra i contributi più significativi segnaliamo quello di Volker Fritz, Presidente di EuCIA, che ha illustrato tutte le ultime novità in fatto di normativa e legislazione europea. Gli inter venti successivi sono stati i seguenti: Prospettive di sostenibilità nella nautica: soluzioni per design for disassembling e impatto ambientale

(A. Ratti, Politecnico di Milano); Give composites a complete lifecycle (G. Bonaiti, Rivierasca); DSM: innovazioni dedicate alla sostenibilità (R. Fontana, Euroresins Group); Eco-compositi: il futuro è nelle fibre di lino (F. Doria, Mascherpa). Le presentazioni sono disponibili su richiesta presso la nostra Segreteria.

Offerta Padiglione Assocompositi a Composites Europe 2013 L’Associazione rinnova per il secondo anno consecutivo la sua collaborazione con Reed Exhibitions per coordinare il padiglione italiano all’interno dell’importante evento internazionale, che quest’anno si terrà a Stoccarda dal 17 al 19 settembre. L’offerta per i nostri Soci prevede degli stand preallestiti al costo estremamente scontato di Euro 3.050,00 per 8mq e di Euro 3.450,00 per 9mq (contro gli Euro 4.127,40 del prezzo ufficiale per 9mq). Il Padiglione si trova in una magnifica posizione nella Hall 6, copre una superficie totale di 123 mq e comprende una Lounge Area comune. In caso di interesse, vi invitiamo a contattarci sin da ora: ufficiostampa@assocompositi.it

CALENDARIO PROSSIMI EVENTI 2013 FIERE ■ ■

Siamo lieti di dare il benvenuto tra i nostri nuovi Soci Industriali alle seguenti aziende: ■ Euroresins: è una Società del gruppo multinazionale DSM, leader europeo nella produzione di resine poli e vinilestere. Euroresins è un network europeo che costituisce un one-stop-shop di qualità, con una gamma completa di prodotti per tutte le applicazioni nel settore dei materiali compositi. Distribuisce su tutto il territorio nazionale le resine DSM, i gelcoat, i sistemi autoestinguenti, gli stucchi e i mastici Bufa, i macchinari Bufatec, i materiali di rinforzo PPG, Saertex e 3B, i perossidi United Initiators, i materiali d’anima PGI e Viledon, gli agenti distaccanti SPC e Chemtrend, le paste abrasive lucidanti Farecla e i solventi ecologici Rhodia. Insieme a questi prodotti di qualità offre un servizio di Assistenza Tecnica tra i più qualificati.

JEC Europe

12-14 marzo, Parigi (Francia) ■

Hannover Messe

8-12 aprile, Hannover (Germania) ■

∎ Nuovi Soci

Composites Australia

4-5 marzo, Melbourne

Aircraft Interiors Expo

9-11 aprile, Hamburg (Germania) ■

Polymer Composites

28-29 maggio, Pilsen (Rep. Ceca) ■ Kerakoll: è l’unica azienda che offre una soluzione globale nel GreenBuilding per progettare, costruire e vivere nel rispetto dell’ambiente e del benessere abitativo. Con 20 linee di prodotti innovativi e più di 1.700 referenze ecocompatibili, i prodotti Kerakoll sono distribuiti nel mondo dal network GreenBuilding Point. Nell’ottica di rafforzamento della mission green rientra la realizzazione del Kerakoll GreenLab a Sassuolo che rappresenta in Europa uno dei primi esempi di edificio industriale a basso impatto ambientale, elevato benessere abitativo e alta efficienza energetica. All’innovazione il Gruppo affianca una intensa attività di Formazione e Aggiornamento Tecnico. Il GreenBuilding Campus è l’istituto di formazione e consulenza edile più impor tante a livello europeo.

■

JEC Asia

25-27 giugno, Singapore ■

JEC Americas

2-4 ottobre, Boston (USA)

CONVEGNI ■

SEICO

11-12 marzo, Parigi (Francia) ■

Composites Manufacturing

19-21 marzo, California (USA) ■

5th International Materials Education Symposium

4-5 aprile, University of Cambridge (UK) ■

9th International Conference on Composite Science and Technology

24-26 aprile, Sorrento (Italia) ■

10th International Conference of the EIHA

22-23 maggio, Wesseling (Germania) ■

3° Convegno nazionale Assocompositi

22-24 maggio, Torino (Italia)

Compositi

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Costruzioni

*Università di Padova, Dipartimento di Costruzioni e Trasporti ** G&P Intech s.r.l.

di Carlo Pellegrino - Tommaso D’Antino - Paolo Franchetti - Francesca Da Porto* - Giorgio Giacomin**

Elementi prefabbricati PRC esistenti rinforzati con compositi cementizi

Uno studio condotto presso l’Università di Padova ha indagato il comportamento di quattro travi TT prefabbricate precompresse rinforzate con diverse tecnologie: laminati FRP, fibre di carbonio in matrice cementizia e fibre di acciaio in matrice cementizia. na gran quantità di strutture in calcestruzzo rinforzato (RC) necessita di opere di riparazione o rinforzo a causa di progettazione o costruzione scorrette, modifica dei carichi di progetto, danneggiamento causato da fattori ambientali o eventi sismici. Il rinforzo per mezzo di polimeri fibrorinforzati (FRP) è stato studiato ampiamente negli scorsi decenni e alcuni studi hanno portato alle prime linee guida di progettazione per il calcestruzzo rinforzato. ACI 440.2R-08 (ACI Committee 440 2008) [1], European fib-T.G. 9.3 (fib T.G. 9.3 2001) [2], CNRDT 200-04 (CNR, Commissione incaricata di formulare pareri in materia di normativa tecnica relativa alle costruzioni 2004) [3] sono esempi di tali linee guida. Il rin-

forzo mediante compositi cementizi è una tecnica più recente riguardo alla quale sono disponibili in letteratura pochissime informazioni, specialmente in relazione alle fibre d’acciaio e alle formulazioni dei codici di progettazione su questi tipi di applicazioni di rinforzo. Inoltre, sono molto rare le indagini sperimentali su elementi a flessione in scala reale [4]. Alcuni esempi di studi su compositi a matrice cementizia si possono trovare in [5-9], mentre applicazioni sperimentali recenti di malte per riparare elementi strutturali esistenti, sviluppate all’Università di Padova, si possono trovare in [10,11]. Questo articolo descrive l’indagine sperimentale condotta su quattro travi TT prefabbricate precompresse, prese da

un edificio industriale esistente, dove erano usate come elementi del tetto. Una di queste è stata presa come trave TT non rinforzata di controllo, mentre le altre sono state rinforzate mediante tecniche diverse, ovvero (1) con uno strato di laminato CFRP incollato con resina epossidica in fondo alle anime, (2) con fibra di carbonio in matrice cementizia e (3) con fibra d’acciaio in matrice cementizia. Per ogni prova è stata adottata una configurazione di carico a quattro punti (fig.1). Ogni materiale coinvolto nello studio è stato caratterizzato meccanicamente. In particolare, sono stati presi campioni cilindrici di calcestruzzo e sono stati estratti e testati opportuni provini del rinforzo in acciaio.

Fig.1: Configurazione di carico sperimentale (dimensioni in mm)

Compositi

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Fig.2: Sezione trasversale di una trave TT (dimensioni in mm)

PROGRAMMA SPERIMENTALE ●●Geometria delle travi TT Le travi oggetto dello studio hanno una lunghezza di 1167 cm, una larghezza di 128,5 cm e un’altezza di 40 cm (con uno spessore dell’ala di 5 cm). Ogni anima ha una larghezza di 9,5 cm e il suo asse è a 510 cm dal punto medio

della sezione trasversale. Ognuna delle anime include staffe di Φ5/200 mm e un rinforzo longitudinale di acciaio ordinario da 2Φ5 sul lato superiore e 2Φ5 sul lato inferiore, due cavi con un diametro di 1/2” e due con un diametro di 3/8” collocati come in Figura 2.

●●Configurazioni di rinforzo Una delle travi (di qui in poi indicata con TT00) è stata tenuta quale trave TT non rinforzata di controllo, per confrontare il suo comportamento con quello delle travi rinforzate. La trave indicata con TTcl è stata rinforzata per mezzo di un laminato in carbonio incollato all’estremità inferiore delle anime. Il laminato in carbonio denominato CFK 150/200 ha uno spessore di 1,4 mm e una larghezza di 50 mm. Esso è stato incollato seguendo la lunghezza delle anime fino a una distanza di circa 10 cm dai supporti. La superficie in calcestruzzo è stata preparata/levigata prima dell’applicazione del rinforzo. Sono stati applicati uno strato di primer in resina e uno strato di resina epossidica (denominata Resin 90) e il laminato CFRP, accuratamente pulito, è stato infine applicato sopra l’adesivo e pressato per mezzo di un martello in gomma. La terza trave TT (indicata con TTcf) è stata rinforzata con due strati di fibra di carbonio di tipo C-NET 200U incollata al lato inferiore e alla parte bassa della superficie laterale delle anime per mezzo di una malta cementizia. Si è scelto di applicare due strati di fibre di carbonio per raggiungere una resistenza alla flessione teorica vicina a quella della trave rinforzata precedente. La fibra ha uno spessore di 0,117 mm.

Fig.3: Configurazione del rinforzo (dimensioni in mm)

Compositi

Costruzioni

Rete C-NET in carbonio

Applicazione della rete in carbonio e della malta

Tessuto in acciaio Steel Net

Applicazione tessuto in acciaio e malta

La malta Concrete Rock usata per quest’applicazione include aggregati fini, leganti inorganici e fibre polimeriche. La superficie in calcestruzzo è stata levigata meccanicamente prima dell’applicazione per migliorare l’adesione. Il secondo strato è stato applicato su di un’ulteriore stesura di malta posta sul primo strato. Una copertura finale di malta è stata applicata per proteggere le fibre. La quarta trave TT (indicata con TTsf) è stata rinforzata con uno strato di fibra d’acciaio di tipo Steel Net 190, incollata al fondo e alla parte inferiore delle anime per mezzo della malta cementizia usata per la trave precedente. Le fibre d’acciaio hanno uno spessore di 0,22 mm. La procedura per il rinforzo è simile a quella della trave precedente. In Figura 3 sono mostrate le tre configurazioni di rinforzo.

Elementi prefabbricati PRC esistenti rinforzati con compositi cementizi >> CARATTERIZZAZIONE DEL MATERIALE Ogni materiale coinvolto nel programma sperimentale è stato testato per ricavarne le principali proprietà fisiche. Sono stati estratti campioni adeguati della trave TT esistente per caratterizzare il calcestruzzo e le barre d’acciaio di rinforzo. Questi campioni, dopo un processo di rettifica meccanica, sono stati equipaggiati di strumenti di misura e testati a compressione per ottenere la resistenza alla compressione, fc, e il modulo elastico, Ec, secondo le norme ASTM C42/C42M [12] e Eurocode 2 [13]. I valori medi ottenuti dai test sono: fc = 59.9 MPa e Ec = 41809 MPa. Delle barre d’acciaio dalle ali e anime delle travi sono stati estratti e soggetti a prove di trazione adeguati provini. Sono stati ottenuti i seguenti valori medi della tensione di snervamento e del carico massimo di rottura: fy = 612 MPa e fu = 647 MPa. Non è stato possibile estrarre i cavi d’acciaio, perciò per i calcoli sono stati assunti dei valori tipici. I laminati in carbonio sono stati testati a trazione per ottenere i valori medi del carico massimo di rottura, della massima deformazione e del modulo elastico. Sono stati ottenuti i seguenti risultati: massimo carico ff = 2539 MPa, massima deformazione e εf = 0,0165, modulo elastico Ef = 168000 MPa. Per quanto riguarda le fibre in carbonio, sono state assunte le caratteristiche meccaniche date dal produttore. Le fibre d’acciaio sono state caratterizzate meccanicamente per mezzo di prove a trazione su singole fibre. Il valore medio della resistenza a trazione di una singola fibra è risultato fu,sf = 3156 MPa. La malta usata per gli esperimenti è la stessa per le fibre di carbonio e d’acciaio ed è stata caratterizzata a compressione e flessione secondo la UNI EN 1015-11 2007 [14]. I provini prismatici avevano una sezione trasversale quadrata con lato di 40 mm e lunghezza di 160 mm. I risultati hanno fornito un valore medio della resistenza a rottura per flessione Fflex = 8437 N e un valore medio della resistenza a compressione della malta fc,mor tar = 39,3 MPa.

Fig.4: Curve carico-deflessione per travi TT di controllo e rinforzate

Fig.5: Rottura della trave TT non rinforzata di controllo

RISULTATI SPERIMENTALI Il carico è stato applicato usando una configurazione di carico a quattro punti, applicando la forza nelle posizioni corrispondenti agli assi delle anime. I suppor ti sono stati realizzati usando due travi d’acciaio e uno strato di gomma è stato collocato tra le travi e i suppor ti per evitare fenomeni di cedimento localizzato. Le travi TT prefabbricate precompresse sono state equipaggiate con trasduttori di spostamento induttivi (LVDT) per mi-

surare le deflessioni, trasduttori di deformazione DD1 sul calcestruzzo per misurare le ampiezze delle fratture e le deformazioni da compressione, ed estensimetri sul laminato CFRP (solo nella trave TTcl). Nella figura 4 sono mostrati i diagrammi del carico in funzione della deflessione per la trave di controllo e per quelle rinforzate. La trave di controllo TT00 ha mostrato la tipica rottura a flessione con significative deflessioni alla frattura. Il carico massimo delle travi di controllo

Compositi

Costruzioni

Fig.6: Dettaglio della trave TTcl dopo la prova

era di 140 kN. In figura 5 è mostrata la trave TT00 prossima alla frattura. La trave TT prefabbricata precompressa TTcl, rinforzata per mezzo di un laminato CFRP incollato al fondo delle anime, è stata equipaggiata con 10 estensimetri collocati sui laminati CFRP in varie posizioni. La deflessione sulla mezzeria è

stata misurata per mezzo di 2 LVDT. Sono stati usati 4 DD1 per misurare la deformazione a compressione del calcestruzzo sulla mezzeria. Due di questi sono stati collocati sopra l’ala, gli altri due sulle facce laterali dell’ala. La frattura è avvenuta improvvisamente a un carico di 189 kN, con una corrispondente deflessione sulla mezzeria di 214,5 mm. Il cedimento è stato causato dall’improvviso scollamento lungo 2/3 dello span di uno dei 2 laminati CFRP incollati alle anime. La superficie di calcestruzzo era particolarmente scrostata vicino alla mezzeria (fig.6). La terza trave TT prefabbricata precompressa (TTcf), rinforzata per mezzo di 2 strati di fibre di carbonio in matrice cementizia, sono state equipaggiate con LVDT per misurare le deflessioni e di trasduttori di deformazione DD1 sul calcestruzzo per misurare le ampiezze delle fratture e le deformazioni da compres-

sione. Il collasso della trave TTcf è stato causato dal distacco del composito cementizio nei pressi della mezzeria. È stata osservata una trama di crepe diffuse e alcune porzioni della copertura in malta erano scrostate, specialmente nei pressi della mezzeria. Alcuni parti delle fibre di carbonio erano completamente spezzate (fig.7). Il carico massimo della trave TTcf era 169,2 kN, mentre la corrispondente deformazione alla mezzeria era 200,9 mm. La quarta trave TT prefabbricata precompressa (TTsf), rinforzata per mezzo di uno strato di fibra d’acciaio in matrice cementizia, è stata equipaggiata con LVDT per misurare deflessioni e trasduttori di deformazione DD1 sul calcestruzzo per misurare le ampiezze delle fratture e le deformazioni di compressione. La trave TTsf ha ceduto a causa di uno scollamento delle fibre d’acciaio, partito dall’estremità della trave e propagatosi

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Fig.7: Dettaglio delle fibre dopo la rimozione della coper tura in calcestruzzo

lungo il suo asse. La rete di fibre d’acciaio era particolarmente danneggiata sui bordi delle anime (fig.8). Il carico massimo era 173,6 kN, mentre la corrispondente deflessione alla mezzeria era 196,3 mm.

CONCLUSIONI I risultati dello studio hanno mostrato che la modalità di rottura nella trave con laminati incollati esternamente e in quelle con compositi cementizi era completamente diversa, e che il rinforzo in compositi cementizi fornisce un contributo significativo alla resistenza flessionale delle travi sia con fibre in carbonio sia d’acciaio. In particolare, le travi rinforzate hanno mostrato un aumento di carico massimo pari al 35% per la trave TTcl (con laminato incollato esternamente con resina epossidica), al 20% per la trave TTcf (con fibre di carbonio e malta cementizia), e al 24% per la trave TTsf (con fibre d’acciaio e malta cementizia) rispetto alla trave di controllo. ■ Ringraziamenti Gli autori ringraziano Francesco Meneghel e Nicola Pesce per i loro contributi nelle prove sperimentali durante l’attività inerente le loro tesi di laurea e i tecnici del Laboratorio per le Prove sui Materiali Strutturali del Dipartimento di Costruzioni e Trasporti dell’Università di Padova, in particolare Renzo Segafreddo, per il loro contributo nell’esecuzione delle prove. Infine, si ringrazia anche il supporto economico di G&P Intech S.r.l.

Fig.8: Cedimento del rinforzo in composito cementizio nella trave TTsf

BIBLIOGRAFIA • REFERENCES

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Compositi

Constructions

by Carlo Pellegrino - Tommaso D’Antino - Paolo Franchetti - Francesca Da Porto* - Giorgio Giacomin**

Existing precast PRC elements strengthened with cementitious composites

number of existing Reinforced Concrete (RC) structures need rehabilitation or strengthening because of improper design or construction, change of the design loads, damage caused by environmental factors or seismic events. Strengthening by means of fibre reinforced polymers (FRP), has been widely studied in the last few decades, and some studies have resulted in the first design guidelines for strengthened concrete. ACI 440.2R-08 (ACI Committee 440 2008) [1], European fib-T.G. 9.3 (fib T.G. 9.3 2001) [2], CNR-DT 200-04 (Italian Research Council Advisory Committee on Technical Recommendations for Construction 2004) [3], are examples of such guidelines. Strengthening by means of cementitious composite reinforcement is a more recent technique about which there is very few information available in literature, particularly in relation to steel fibres and design code formulations on these kind of strengthening applications. Furthermore, experimental investigations on real-scale flexural elements are very few [4]. Some examples of studies on composites with cementitious matrix can be found in [5-9], whereas recent experimental applications of mortars for rehabilitating existing structural elements developed at the University of Padova can be found in [10, 11]. This paper describes the experimental investigation on four precast prestressed TT beams taken from an exist-

Compositi

ing industrial building where they were used as roof elements. One of them was taken as control unstrengthened TT beam, whereas the others were strengthened by different techniques, namely (1) with a ply of CFRP laminate glued with epoxy resin at the bottom of the webs, (2) with carbon fibre in a cementitious matrix and (3) with steel fibre in a cementitious matrix. A four-point loading configuration was adopted for each test (fig. 1). Each material involved in this study was mechanically characterized. In particular cylindrical concrete specimens were taken from the precast pre stressed TT beams to characterize the concrete and adequate specimens of the steel reinforcement were extracted and tested as well.

EXPERIMENTAL PROGRAM ●●Geometry of TT beams Four precast pre-stressed TT beams taken from an existing industrial building were investigated. The beams have a length of 1167 cm, a width of 128.5 cm and a height of 40 cm (with a 5 cm thickness of the flange). Each web has a width of 9.5 cm and its axis stays 510 cm from the cross-section midpoint. Each of the webs includes stirrups Φ5/200 mm and longitudinal ordinary steel reinforcement consisting in 2Φ5 at the upper side and 2Φ5 at the lower side, two strands with a diameter of 1/2” and two with a diameter of 3/8” placed as in figure 2.

A study developed at the University of Padova has analysed the behavior of four precast prestressed TT beams. The beams were strengthened with different techniques: FRP laminates, carbon fibres and steel fibres with cementitious matrix. ●●Strengthening configurations One of the precast pre-stressed TT beams taken from the industrial building, hereafter indicated with TT00, was taken as control unstrengthened TT beam to compare its behavior with the strengthened beams. The beam indicated as TTcl was strengthened by means of a carbon laminate bonded at the bottom of the webs. The carbon laminate named CFK 150/2000 has a thickness of 1.4 mm and a width of 50 mm. It was bonded along the length of the webs until a distance of about 10 cm from the supports. The concrete surface was prepared/smoothed before the strengthening application. A ply of Resin Primer and a ply of epoxy resin (named Resin 90) were applied and the CFRP laminate, accurately cleaned, was finally applied over the adhesive and pressed by means of a rubber hammer. The third precast pre-stressed TT beam, hereafter indicated as TTcf, was strengthened by two plies of carbon fibres type C-NET 200U bonded to bottom and lower side part of the webs by means of a cementitious mortar. It was chosen to apply two plies of carbon fibres web to reach a theoretical flexural strength close to the previous strengthened beam. The fibre has a thickness of 0.117 mm. The mortar Concrete Rock w used for this application includes fine aggregates, inorganic binders and polymeric fibres. The concrete surface was

english text

*University of Padova, Department of Structural and Transportation Engineering **G&P Intech s.r.l.

mechanically smoothed before the application to improve the adhesion. The second ply was applied over an additional mortar cover placed on the first ply. A final mortar cover was applied to protect the fibres. The four th precast pre-stressed TT beam, hereafter indicated as TTsf, was strengthened by a ply of a steel fibre type Steel Net 190 bonded to bottom and lower part of the webs by means of the cementitious mortar used for the previous beam. The steel fibres have a thickness of 0.22 mm. The procedure for strengthening was similar to the previous beam. In figure 3 the three strengthening configurations are shown.

MATERIAL CHARACTERIZATION Each material involved in the experimental program was tested to obtain its main physical proper ties. Adequate specimens were extracted from the ex-

isting TT beam to characterize the concrete and the reinforcing steel bars. These specimens, after a process of mechanical rectification, were instrumented and tested in compression to obtain the compressive strength, fc, and the elastic modulus, Ec according to ASTM C42/C42M [12] and Eurocode 2 [13]. The mean values obtained by the tests are: fc = 59.9 MPa and Ec = 41809 MPa. Adequate specimens of steel bars were taken from the beams’ flanges and webs and subjected to tensile tests. The following mean values of the yield and ultimate tensile strength were obtained: fy = 612 MPa and fu = 647 MPa. It was not possible to extract the steel strands, hence typical values are assumed for the calculations. The carbon laminates were tested in tension to obtain the mean values of the ultimate strength, the ultimate strain and

elastic modulus. The following results were obtained: ultimate stress ff = 2539 MPa, ultimate strain e εf = 0.0165, elastic modulus Ef = 168000 MPa. Regarding the carbon fibres, mechanical characteristics given by the manufacturer were assumed. The steel fibres were mechanically characterized by means of tensile tests on single wires. The mean value of the tensile strength of a single strand was fu,sf = 3156 MPa. The mortar used for the experimentations is the same for carbon and steel fibres and it was characterized in compression and bending according to UNI EN 1015-11 2007 [14]. The prismatic specimens had a square cross section with a 40 mm side and a length of 160 mm. The results provided the mean value of the force at flexural failure Fflex = 8437 N and the mean value of the compressive strength of the mortar fc,mor tar = 39.3 MPa.

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Constructions

EXPERIMENTAL RESULTS

The load was applied using a four point loading configuration applying the force at the positions corresponding to web axes. The supports were realized using two steel beams and a ply of rubber was placed between the beams and the supports to avoid local failure phenomena. The precast pre-stressed TT beams were instrumented by means of linear variable differential transducers (LVDT) to measure deflections, strain transducers DD1 on the concrete to measure crack amplitudes and compressive strains, and strain gauge sensors on the CFRP laminate (only in the beam TTcl). In figure 4 load vs. deflection diagrams for the control and strengthened beams are shown. The control beam TT00 showed the typical flexural failure with significant deflections at failure. The ultimate load of the control beams was 140 kN. In figure 5 the unstrengthened TT00 beam near failure was shown. The precast pre-stressed TT beam TTcl, strengthened by means of a CFRP laminate bonded at the bottom of the webs, was instrumented by means of 10 strain gauges sensors placed on the CFRP laminates at various positions. The midspan deflection was measured by means of 2 LVDTs. 4 DD1 were used to measure the concrete compressive strain at midspan. Two of them were placed over the flange, the other two at lateral sides of the flange. The failure occurred suddenly at a load of 189 kN, with a corresponding midspan deflection of 214.5 mm. The

collapse was caused by the sudden debonding along 2/3 of the span of one of the 2 CFRP laminates bonded to the webs. The concrete surface was particularly peeled near the midspan (fig.6). The third precast pre-stressed TT beam (TTcf), strengthened by means of 2 plies of carbon fibres in a cementitious matrix, was instrumented by means of LVDTs to measure deflections and strain transducers DD1 on the concrete to measure crack amplitudes and compressive strains. The collapse of the TTcf beam was caused by the detachment of the cementitious composite near the midspan. A diffuse cracking pattern was observed and some portions of the mortar cover were peeled out, particularly near the midspan. Some parts of the carbon fibres were completely broken (fig.7). The ultimate load of the TTcf beam was 169.2 kN, whereas the corresponding midspan deflection was 200.9 mm. The four th precast pre-stressed TT beam (TTsf), strengthened by means of one ply of steel fibre in a cementitious matrix, was instrumented by means of LVDTs to measure deflectionsand strain transducers DD1 on the concrete to measure crack amplitudes and compressive strains. The TTsf beam collapsed due to debonding of the steel fibres, starting from the end of the beam and propagating along the beam axis. The steel fibre net was particularly damaged at the edges of the webs (fig.8). The ultimate load was 173.6 kN, whereas the corresponding midspan deflection was 196.3 mm.

Existing precast PRC...

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Experimental loading configuration (in mm) Fig.2: TT beam cross section (in mm) Fig.3: Strengthening configuration (in mm) Fig.4: Load - deflection curves for control and strengthened TT beams Fig.5: Failure of the control unstrengthened TT beam Fig.6: Detail of the TTcl beam after the test Fig.7: Detail of the fibres after the concrete cover removal Fig.8: Failure or the cementitious composite strengthening in the beam TTsf Figures of page 12: Carbon C-NET Application of the carbon network and mortar Steel fibre type Steel Net Application of steel fibres and mortar

CONCLUSION The results showed that the failure mode in the beam with externally bonded laminates and in those with cementitious composites was completely different and that the cementitious composite strengthening provides a significant contribution to the flexural strength of the beams both with carbon and steel fibres. In particular the strengthened beams showed an increase in the ultimate load equal to 35% for TTcl beam (with externally epoxy bonded laminate), 20% for TTcf beam (with carbon fibres and cementitious mortar), and 24% for TTsf beam (with steel fibres and cementitious mortar), with respect to the control beam. â&#x2013; Acknowledgements The authors gratefully acknowledge Mr. Francesco Meneghel and Mr. Nicola Pesce for their contributions in the experimental tests during the activity related to their degree thesis and the technicians of the Laboratory for Structural Materials Testing of the Department of Structural and Transportation Engineering of the University of Padova, particularly Mr. Renzo Segafreddo, for their contribution in the execution of the tests. Lastly, the economical support of G&P Intech S.r.l. was also acknowledged.

Compositi

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Termografia

di N.P. Avdelidis, A. Bendada, C. Ibarra-Castanedo, X. Maldague* - S. Fanou** - M. Koui***

Tecniche di imaging IR non invasive In questo studio viene analizzato il potenziale di diversi approcci termografici per la valutazione di difetti su varie tipologie di materiali compositi, con particolare riferimento al settore dei trasporti. a termografia infrarossa si usa ormai da vari anni per prove non distruttive (NDT) su materiali e componenti. Il principale vantaggio della termografia rispetto alle tecniche NDT tradizionali risiede nella possibilità di ispezionare ampie aree in modo rapido e sicuro senza la necessità di avere accesso a entrambi i lati del componente. Ciononostante, la termografia infrarossa è limitata alla rivelazione di difetti relativamente poco profondi (pochi millimetri sotto la superficie), perché è influenzata negativamente dalla diffusione 3D del calore. Tuttavia i tipi più comuni di anomalie che si trovano nei compositi, come delaminazioni, scollamento, ingresso d’acqua, cedimento dei nodi e cedimento strutturale del materiale d’anima, possono essere efficacemente rivelati e talvolta quantificati usando tecniche di termografia attiva. Si possono adottare varie configurazioni in dipendenza dalla specifica applicazione prevista e dalla strumentazione disponibile. Può essere usato un approccio passivo o attivo [4], a seconda che la parte ispezionata sia in equilibrio termico o meno. Per esempio, l’approccio passivo, cioè senza l’uso di una sorgente esterna d’energia, può essere impiegato nella rivelazione della penetrazione d’acqua in parti in composito che trovano un uso in mezzi di trasporto in situazioni in cui la differenza termica tra il materiale e l’acqua è significativa, permettendo la rivelazione del difetto. Al contrario, è necessario creare un contrasto termico per mezzo di una sorgente esterna ogni qual volta il componente sia in equilibrio termico. Questo è il tipo di ap-

* Universite Laval, Computer Vision and Systems Laboratory, Department of Electrical and Computer Engineering, Quebec City **ENEA - Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile, Centro Ricerche Casaccia ***NTUA – National Technical University of Athens, School of Chemical Engineering, Materials Science & Engineering Department

Fig.1: Approcci di termografia infrarossa

proccio più comune, perché le parti in composito vengono solitamente ispezionate dopo essere state fabbricate o addirittura in situ.

TERMOGRAFIA ATTIVA Praticamente qualsiasi sorgente d’energia può essere usata per stimolare il campione sotto osservazione, dall’aria fredda o calda a getti d’acqua, od onde acustiche modulate in frequenza e ampiezza. La decisione finale sulla sorgente d’energia dovrebbe essere presa sulla base dell’applicazione. Sebbene non vi sia una classificazione formale, si può concepire una divisione in quattro gruppi secondo le più diffuse forme di eccitazione: ottica, meccanica, elettromagnetica o d’altro tipo. L’energia ottica è di solito fornita esternamente, cioè il calore viene prodotto sulla superficie del campione e quindi è trasmesso attraverso il campione all’anomalia sotto la superficie (difetto) per ritornare indietro alla superficie. Al contrario, si può considerare l’energia meccanica come un modo di stimolazione interno,

perché il calore è generato all’interfaccia del difetto e poi viaggia verso la superficie. Nell’eccitazione elettromagnetica, vengono indotte dall’esterno delle correnti parassite nel materiale (elettroconduttore) e il calore viene prodotto internamente dalla circolazione di queste correnti nel materiale. Per quanto riguarda gli approcci sperimentali, ci sono diverse tecniche, essenzialmente in dipendenza dalla sorgente della stimolazione: impulsata o modulata. In letteratura si trova anche il termine di riscaldamento a gradino, riferito a una eccitazione a impulso lungo, e può anche essere usata un’eccitazione lineare, cioè con la fotocamera e la sorgente di eccitazione in movimento mentre il campione è statico o viceversa. Viene adottata una nomenclatura specifica per quanto riguarda la dipendenza dalla sorgente di energia. Per esempio, vengono generalmente usate la termografia impulsata (PT) e la termografia lock-in o modulata (LT) quando si lavora con una stimolazione ottica. I dati ottenuti da stimolazioni ottiche

sono tipicamente rappresentati come termogrammi, cioè mappe degli andamenti termici sulla superficie del campione, sebbene siano state proposte anche altre rappresentazioni, come maxigrammi (mappe del massimo contrasto termico), tempogrammi (mappe del tempo di massimo contrasto termico) e mappe di diffusività. Nel caso di una stimolazione meccanica, vengono adottati i termini di termosonica, termografia a ultrasuoni o vibrotermografia, in configurazioni impulsate (burst) e modulate in frequenza o in frequenza e ampiezza. La vibrotermografia (VT), pulsata o modulata, richiede molta più attenzione ai parametri sperimentali rispetto alla configurazione impulsata: la pressione applicata tra lo horn e il campione, l’area di contatto tra lo horn e il campione e la durata della stimolazione hanno un grande impatto sulla risposta termica. Quanto più a lungo il trasduttore opera alla superficie, tanto più calore è rilasciato alla superficie di contatto, aumentando la probabilità di danneggiare l’area.

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Inoltre, l’eccitazione elettromagnetica viene realizzata inducendo corrente parassita attraverso avvolgimenti elettromagnetici e ci si riferisce comunemente a essa come termografia termoinduttiva, termografia a induzione o termografia a correnti parassite (ECT). Come nel caso di eccitazione ottica e ultrasonica, si possono usare sia configurazioni impulsate che lock-in. Per l’elaborazione dei dati [5], i dati ottenuti per stimolazione ottica in PT o LT sono analizzati tramite Fast Fourier Transform (FFT), e vi si riferisce comunemente come termografia pulsata analizzata in fase (pulsed phase thermography, PPT), nel caso di dati termografici impulsati, e di termografia fase-sensibile (phase angle termography o phase sensitive thermography) nel caso di dati modulati. I risultati sono rappresentati in forma di immagine di fase (phasegram), ovvero una mappa della superficie del campione che indica il ritardo in fase del segnale di output rispetto all’input. Esistono molte altre tecniche avanzate di elaborazione, sviluppate per migliorare il segnale transitorio della PT. La ricostruzione del segnale termografico (TSR) è una di tali tecniche. Essa permette la riduzione della quantità di dati, la pulizia del rumore dal segnale e l’ulteriore elaborazione dei dati sintetizzati usando immagini della prima e della seconda derivata insieme alla FFT, cosa che migliora considerevolmente il rapporto segnale-rumore. Sono poi disponibili molte altre tecniche di elaborazione. Queste tecniche di analisi possono essere applicate a qualsiasi metodo termografico indipendentemente dalla sorgente di energia usata per la stimolazione. Si dovrebbe tuttavia osservare che nel caso della vibrotermografia, quando tutti i parametri sperimentali sono impostati correttamente, i dati grezzi presentano un contrasto adeguato alla rivelazione dei difetti e non è richiesto alcun ulteriore trattamento. Anche una semplice sottrazione dell’immagine “fredda” può aiutare a migliorare il contrasto. Nel caso dell’eccitazione lineare, ovvero quando il campione è fisso mentre la camera si muove dietro la sorgente a una velocità controllata, non viene eseguita alcuna elaborazione del segnale temporale. Le immagini vengono ricostruite acquisendo il massimo contrasto termico per ogni pixel.

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Tecniche di imaging IR non invasive >>

Fig.2: (a) Fotografia della piastra di calibrazione, (b) prima derivata temporale ottenuta tramite termografia ottica impulsata, (c) immagine di fase a 0.04 Hz ottenuto tramite LT ottica, (d) immagine di fase a 2 Hz ottenuta tramite VT lock-in, e (e) termogramma ricostruito da termografia a corrente parassita con eccitazione lineare

INVESTIGAZIONE DI COMPOSITI Inizialmente è stato utilizzato in questo esperimento un campione consistente di un pannello sandwich standard per NDT & E, con anima a nido d’ape in alluminio e con uno strato superficiale in materiale grafite-epossidico multistrato (pelle), mostrato in figura 2. L’anima a nido d’ape in alluminio ha due densità di cella e contiene quattro tipi di difetti prodotti artificialmente: delaminazioni (simulate usando un tessuto ricoperto di Teflon®), scollamenti della pelle (prodotti usando un tessuto ricoperto di Teflon®), eccesso di adesivo e cedimenti strutturali dell’anima. Questo tipo di pannello è usato comunemente nell’industria dei trasporti (principalmente aerospaziale) per la calibrazione della strumentazione NDT & E (Non-Destructive Testing & Evaluation, Controlli e valutazioni non distruttivi). La fig. 2b mostra il risultato ottenuto tramite termografia ottica impulsata. I dati sono stati elaborati per mezzo della ricostruzione del segnale termografico (TSR). L’immagine mostrata corrisponde alla derivata prima temporale calcolata dai dati sintetizzati. Sono visibili l’anima a nido d’ape e così anche tutti i difetti. L’immagine di fase risultante, otte-

nuta da termografia ottica lock-in, è presentata in fig. 2c. A questa particolare frequenza possono essere rivelati tutti i difetti come anche le fibre in carbonio (orientate a 45°) e alcune caratteristiche superficiali come le iscrizioni – e un graffio della vernice nel difetto di delaminazione più a destra, che non era presente quando il campione è stato ispezionato per termografia ottica pulsata (fig. 2b). La fig. 2d presenta un’immagine di fase ottenuta per vibrotermografia lock-in a una frequenza di 2 Hz per 3 cicli. È visibile la maggior parte dei difetti. Alcune onde stazionarie, cioè i pattern d’onda che non corrispondono a difetto o all’anima a nido d’ape, possono essere viste nei difetti di cedimento dell’anima ma in nessuna altra zona a questa particolare modulazione di frequenza. È difficile distinguere l’anima a nido d’ape sul lato sinistro, che ha una densità maggiore. Il lato destro dell’anima a nido d’ape, al contrario, è visibile in questa immagine. L’angolo in basso a destra della piastra è stato danneggiato durante i test preliminari. Quindi, i risultati precedenti ricavati dalle tecniche ottiche (fig. 2b e 2c) non mostrano alcun segno di questo difetto. Infine, il pannello è stato ispezionato tramite termografia a correnti parassite, e il

Termografia

A Fig.3: (a) Geometria e distribuzione dei difetti del campione a nido d’ape, (b) fotografia del campione durante l’ispezione con vibrotermografia

Tab.1: Distribuzione degli inser ti in Teflon® per la Zona I e la Zona II

Compositi

risultato si può vedere in fig. 2e. Non è stata effettuata alcuna elaborazione dati su questi risultati, ricostruiti da una sequenza temporale in cui il campione era statico, ma la camera e la sorgente di calore erano in moto. Si possono vedere tutti i difetti. Inoltre, a parte i difetti di cedimento dell’anima, non c’è praticamente alcuna differenza di temperatura tra i diversi tipi di difetto. Si può anche vedere il danneggiamento dell’anima (risultante dai test preliminari) nell’angolo a destra. Le strutture a sandwich costituite di un’anima a nido d’ape tra due fogli multistrato di plastica rinforzata con fibra di carbonio (CFRP) sono molto comuni nelle parti dei mezzi di trasporto. Questo tipo di struttura è normalmente affetta da anomalie quali delaminazioni (tra strati nei fogli superficiali), scollamenti (tra l’interno degli strati superficiali e l’anima), ingresso d’acqua e cedimento dell’anima. Possibili cause di delaminazione sono o la contaminazione del materiale, per esempio da sporco, solventi, umidità, olii, ecc. introdotti durante la produzione, o il danneggiamento causato durante le operazioni in esercizio. Il cedimento dell’anima può avvenire in seguito a un impatto. È stato progettato un pannello a sandwich, mostrato in fig. 3, per simulare i più comuni tipi di difetti sopra elencati. Il pannello consiste in un’anima a nido d’ape di 1,6 cm tra due CFRP a 10 strati. Il campione è stato diviso in cinque zone, come mostrato in fig. 3a. Una fotografia del campione, fatta durante l’ispezione con vibrotermografia, è mostrata in fig. 3b. Nella Zona I, venti inserti in Teflon® di differenti dimensioni e spessori sono stati collocati tra gli strati in CFRP a diverse posizioni e profondità secondo quanto specificato in tabella 1 per simulare le delaminazioni tra strati. Nella Zona II, sei inserti in Teflon® di diverse dimensioni sono stati inseriti tra l’adesivo e l’anima (riga in alto) e tra la pelle e l’adesivo (riga in basso), simulando scollamenti tra pelle e anima in tali punti. Nella Zona III, dodici celle sono state riempite d’acqua per simulare una penetrazione d’acqua nel materiale d’anima. L’acqua è stata iniettata nelle celle attraverso piccoli fori praticati nella faccia opposta del pannello, per evitare il danneggiamento del lato del pannello affacciato alla camera (al quale era diretta la stimolazione ottica). La Zona IV

Tecniche di imaging IR non invasive >> contiene due impatti a 4 J (a sinistra) e a 6 J (a destra), che intendono simulare collisioni reali. Infine, la Zona V contiene tre zone di cedimento ai nodi dell’anima a nido d’ape, che interessano 3, 5 e 10 nodi come indicato. La Zona I è stata prima ispezionata usando un’eccitazione ottica sfruttando tecniche impulsate e lock-in. È possibile individuare quasi tutti i difetti dalle immagini di fase della PPT e LT rispettivamente in fig. 4a e b, con l’eccezione del difetto #10, che ha un rapporto estensione-profondità molto vicino all’unità (D/z10=1.2), (tabella 1). Anche il difetto #18 ha un ridotto rapporto estensioneprofondità (D/z10=1.5). Tuttavia, il difetto #18 è più spesso del difetto #10 (t10 = 0.16 mm rispetto a t18 = 0.33 mm). Quindi, si può concludere che la rivelabilità dei difetti tramite stimolazione ottica è affetta non solo dal rapporto estensione-profondità del difetto, ma anche dal suo spessore. La regola empirica per la rivelabilità D/z~2 costituisce un’utile linea guida. Sebbene le immagini di fase della PPT offrano un miglior contrasto per alcuni inserti (difetto #1 e da #11 a 17), l’immagine di fase della LT permette una miglior individuazione complessiva, essendo possibile rivelare tutti i difetti da una singola immagine di fase. Questo è un risultato logico, poiché per ottenere l’immagine di fase della LT sono state utilizzate varie centinaia di immagini a una singola frequenza, al contrario della PPT, per la quale viene ottenuto un gran numero di immagini di fase a diverse frequenze dall’analisi di una sequenza di termogrammi due volte più grande. È stata anche utilizzata l’eccitazione ultrasonica. Come si vede in fig. 4c, la vibrotermografia lock-in è stata in grado di rivelare 6 dei 10 inserti aventi spessore t=0.33 mm, mentre si può notare una debole traccia solo per alcuni di quelli aventi t=0.16 mm. Le onde ultrasoniche viaggiano attraverso il campione finchè non raggiungono una zona d’aria all’interfaccia tra l’inserto e il materiale, permettendo al difetto di vibrare generando localmente calore. Se l’aria è poca o assente, il segnale del calore è debole in tale posizione. Apparentemente, gli inserti più spessi hanno maggior probabilità di produrre deformazioni più consistenti rispetto agli

Fig.4: Campione a nido d’ape, Zona IV (danneggiamento da impatto) e Zona V (celle a nido d’ape tagliate): (a) fase sintetizzata da PPT a f = 0.8 Hz, (b) fase LT a f = 0.002 Hz, e (c) termogramma a massimo contrasto composto ricavato da ECT con ispezione lineare

Fig.5: Campione di fibra studiati

Compositi

Termografia

inserti più sottili tra gli strati, intrappolando aria come conseguenza [6]. Quindi, la via di dissipazione favorita per gli ultrasuoni sarebbe in corrispondenza di tali punti. Tuttavia le delaminazioni reali si comporteranno diversamente. I risultati dell’ECT sono mostrati in fig. 4d. Quest’immagine è il risultato di una ricostruzione di tre ispezioni lineari atte a coprire l’intera area (Zona I). Non è stata eseguita alcuna elaborazione in questo caso. Il processo di ricostruzione dell’immagine è consistito nel recupero del massimo valore di contrasto termico per ogni pixel, che solitamente corrisponde al primo valore disponibile dopo la stimolazione, e alla costruzione di una singola immagine, cioè un maxigramma. Si possono chiaramente vedere almeno 11 dei 20 inserti (difetti # 3, 4, 5, 8, 9, 11, 12, 13, 15, 16, 17 e 20), tuttavia con minor contrasto rispetto ai risultati della stimolazione ottica. Si può desumere la presenza di altri 4 difetti (difetti #2, 7 e 19). Questi risultati sono incoraggianti. Devono essere eseguiti ulteriori test (usando per esempio frequenze di eccitazione più alte) per migliorare l’individuazione dei difetti. Nella Zona II, tutti gli inserti hanno uno spessore t=0,16 mm, (tabella 1). I risultati della PT elaborati tramite TSR mostrano chiaramente i sei inserti. D’altro canto, sia la VT che la ECT evidenziano solo i quattro difetti più grandi, con un miglior contrasto sui difetti per i risultati della VT. Si dovrebbe comunque notare che per l’ispezione tramite VT è stata utilizzata una camera FPA 640x512, mentre nel caso della ECT si è usata una camera microbolometrica 160x128. L’intrusione d’acqua nella Zona III è stata rivelata con successo per mezzo di PT, LT ottica e ispezione lineare tramite ECT (fig. 4a, b e d), sebbene con le ultime due si possa individuare solo una debole traccia. La penetrazione d’acqua non è stata esaminata tramite VT. In tutti i casi si vedono chiaramente i danneggiamenti da impatto nella Zona IV a 4 e 6 J. È interessante notare che i difetti nella Zona V, ovvero i cedimenti dei nodi nell’anima a nido d’ape, sono stati rivelati solo dalla ECT, sebbene il segnale sia relativamente debole. Appare evidente che la stimolazione elettromagnetica ben si presti all’ispezione di questo tipo di difetti, poiché le correnti parassite si propagano nelle loro prossimità generando ca-

Tecniche di imaging IR non invasive >>

Fig.6: Risultati di termografia in transitorio su campione CFRP che mostrano un’immagine grezza acquisita a un frame rate di 3.75 Hz dal lato posteriore

Fig.7: Risultati di termografia in transitorio su campione GFRP che mostrano un’immagine grezza acquisita a un frame rate di 1 Hz dal lato frontale

Fig.8: Risultati di: (a) visione NIR, (b) termografia IR (elaborate usando la termografia a fase impulsata)

lore in questi punti. Dall’altro lato, l’eccitazione ottica non è molto efficace in questo caso, dato che il calore è generato sulla superficie, dalla quale esso viaggia attraverso il campione in tutte le direzioni. Finora non sono disponibili risultati soddisfacenti da VT per la Zona IV e la Zona V. Inoltre sono stati studiate piastre in fibra di carbonio e in fibra di vetro (30 cm x 30 cm) con diversi tipi di difetti artificiali, come mostrato in fig. 5. È stata eseguita una valutazione NDT per mezzo di visione nel vicino infrarosso e nell’infrarosso a onde medie. La termografia IR, che lavora nella porzione a onde medie (MWIR, 3-5 mm) dello spettro infrarosso, fornisce mappe termiche, cioè termogrammi, che sono il risultato di emissioni termiche dalla superficie del campione. La termografia IR sta guadagnando popolarità in molte aree, come quella dei trasporti, dove devono essere esaminate ampie superfici in situ e in modo veloce e sicuro. Le misurazioni

sono state condotte usando un sistema integrato di termografia flash che impiega una camera MWIR. L’analisi mostra difetti nascosti in entrambi i campioni esaminati, un laminato rinforzato con fibra di carbonio (fig. 6) e un laminato rinforzato con fibra di vetro (fig. 7). Ciononostante, nel caso di GFRP esistono limitazioni. Nel caso di materiali trasparenti e semitrasparenti come la fibra di vetro, la visione nel vicino infrarosso (NIR) costituisce un’interessante alternativa. La visione NIR recupera la radiazione riflessa o trasmessa (non termica) da o attraverso il campione nella porzione di spettro del vicino infrarosso (0,9-2,5 mm). Questa tecnica, a cui ci si riferisce solitamente come riflettografia (in modo di riflessione), viene ampiamente impiegata nell’ispezione di opere d’arte in cui le parti sotto il dipinto (opache al NIR) possono essere rivelate attraverso gli strati di pittura (semitrasparenti alla radiazione NIR), così da fornire informazioni sull’integrità del pezzo, alte-

Compositi

Termografia

razioni intenzionali o non intenzionali e tratti distintivi dell’artista. Tuttavia, per quanto ne sappiamo, la visione NIR è stata raramente sfruttata per la valutazione di parti industriali. In questo lavoro, una camera NIR (0,9-1,7 mm, risoluzione di 640x512 pixel) è stata usata per il test in visione NIR, e una camera IR (3-5 mm, risoluzione di 320x256 pixel) è stata usata per l’ispezione in visione IR. La fig. 8a mostra un’immagine NIR ottenuta usando una luce incandescente in trasmissione come sorgente di illuminazione. Come si può vedere da questa figura, si possono identificare almeno tre delle delaminazioni (difetti “D”) sul campione GRP. Si possono anche notare evidenze delle differenze relative di carico dei difetti da impatto (tipo “I”). I difetti da fresatura (tipo “C”) e le trapanature bruciate (difetti di tipo “B”) si possono vedere perfettamente (fori), sebbene non si possano fare delle distinzioni evidenti tra i due tipi. Per questo sarebbero necessari ulteriori test con maggiore risoluzione spaziale. Tuttavia quest’approccio non è appropriato per i campioni in CRP. Un risultato per la termografia IR è presentato in fig. 8b. In questo caso la superficie frontale del campione è stata dipinta di nero. Si possono vedere alcuni dei di-

fetti, sebbene in generale la visibilità dei difetti sia minore di quella con visione NIR. Per esempio, uno dei difetti di tipo “O” (a sinistra) non può essere rivelato dalla termografia IR, ma è individuato dalla visione NIR. Questi risultati dimostrano che la visione NIR potrebbe essere un approccio interessante per la valutazione di componenti in fibra di vetro, mentre per i CFRP vale l’opposto.

CONCLUSIONI In generale, tutte le tecniche di termografia attiva possono essere utilizzate nella valutazione NDT di materiali industriali. La scelta della sorgente d’energia più adatta dipende dall’applicazione. La termografia ottica impulsata è veloce e facile da eseguire. Sebbene i dati siano affetti da vari problemi (riscaldamento non uniforme, variazioni di emissività, riflessioni ambientali e geometria della superficie), sono disponibili numerose tecniche di elaborazione per controbilanciare questi problemi e quindi per ottenere risultati precisi di qualità affidabile e in alcuni casi anche informazioni quantitative. La termografia ottica lock-in permette un miglior controllo dell’energia depositata su di una superficie, il che potrebbe essere interessante nel caso in cui si usasse una sorgente a

bassa potenza o si dovesse usare particolare cura per la parte analizzata – per l’ispezione di opere d’arte, per esempio. Tuttavia, ciò richiede un esperimento separato per ogni profondità di ispezione e c’è un tempo di stabilizzazione prima che si raggiunga un regime permanente. La vibrotermografia è estremamente veloce sia in configurazione lock-in che impulsata (burst), sebbene sia necessario riposizionare il trasduttore (e reimmobilizzare il campione) per coprire un’area ampia con l’ispezione, e molto spesso i parametri di ispezione ottimali devono essere trovati sperimentalmente. Dunque, la vibrotermografia è più adatta a oggetti relativamente piccoli. D’altro canto, c’è un riscaldamento minimo del campione analizzato, perché l’energia è solitamente dissipata perlopiù nelle aree difettate (ma ci possono essere alcuni riscaldamenti localizzati nei punti di accoppiamento e di presa). La termografia a correnti parassite è una tecnica molto promettente. Sebbene sia limitata a materiali elettricamente conduttori, la gamma di potenziali applicazioni è estesa, da laminati metallici come il GLARE a materiali compositi e strutture a sandwich come i campioni a nido d’ape. Inoltre, ogni materiale risponde diversamente all’eccitazione termica, in dipen-

Un progetto europeo per la sicurezza dei trasporti Progetto finanziato dalla Commissione Europea al fine di migliorare i trasporti europei e renderli più competitivi Dopo tre anni di attività il progetto ComPair «Continuous health monitoring and non-destructive assessment of composites and composite repairs on surface transport applications» si è concluso con ottimi risultati. Il partenariato del progetto ha raggiunto gli ambiziosi obiettivi di sviluppare tecnologie non distruttive per il controllo e monitoraggio delle strutture in materiale composito avanzato per vettori di superficie, quali autobus, camion, treni e tram. Il progetto, cofinanziato dal VII° Programma Quadro, Grant Agreement number 218697, ha visto impegnata l’Agenzia ENEA insieme a 10 partner europei, provenienti da sei paesi. I lavori sono suddivisi in due parti. La prima si concentra sulle prove non distruttive, effettuate durante le ispezioni dei materiali compositi in funzionamento, basate sullo svi-

Compositi

[«]

luppo di due tecniche, la termografia e la tecnica di immagine Near Infrared (NIR). Il consorzio ha anche sviluppato un software in grado di assistere gli operatori nell’analisi dei dati e nella rilevazione degli eventuali difetti del composito. La seconda parte è incentrata sul monitoraggio in tempo reale, realizzato grazie a un’innovativa integrazione di due tecniche finalizzate ad ottimizzare l’analisi dei difetti e alla valorizzazione dei risultati: gli ultrasuoni ad elevata lunghezza d’onda e le emissioni acustiche. Danni e difetti delle strutture in composito, anche se localizzati in punti difficilmente accessibili, potranno così essere rilevati con il prototipo di “robotic scanner” che utilizza le tecniche termografiche e NIR, garantendo sicurezza, prestazioni ed economicità. Grazie al progetto infatti, è stata definita anche una procedura certificata per la determinazione dei costi effettivi di manutenzione e fabbricazione delle strutture. Il progetto ComPair contribuisce a diffondere l’uso dei materiali compositi in diverse applicazioni del settore dei trasporti, nonchè a ridurre le emissioni di CO2, tutelando l’ambiente. ■

Tecniche di imaging IR non invasive

J ri EC Vi s s, M Eu it bo ar ro us ot ch pe at h 1 2 #N 2, 01 32 13 3 ,1 4,

denza dal modo in cui è stato stimolato. La termografia basata su tecniche ottiche, in generale, fornisce un’ottima risoluzione dei difetti. Tuttavia, i risultati sono fortemente influenzati dalle caratteristiche super ficiali. Un’elaborazione avanzata dei segnali/immagini è necessaria per ridurre il loro impatto. Per esempio, le tecniche PPT e TSR permettono la rivelazione di difetti fino a una profondità di 2.5 mm, per difetti aventi un rapporto estensione-profondità di circa 2 e superiore. ■ Ringraziamenti Gli autori vorrebbero ringraziare il supporto della Chaire de recherché du Canada (MIVIM), del Ministère du développement économique, innovation et exportation du Québec. Inoltre, si attribuiscono i riconoscimenti al progetto ComPair, che è stato in parte finanziato dalla Comunità Europea nel Collaborative project programme Small to medium scale focused research project, Grant Agreement

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BIBLIOGRAFIA REFERENCES

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[5] C. Ibarra-Castanedo, J.M. Piau, S. Guilbert, N.P. Avdelidis, M. Genest, A. Bendada, X.P.V. Maldague, “Comparative study of active thermography techniques for the nondestructive evaluation of honeycomb structures”, J. Review in Nondestructive Evaluation 20, (2009), pp. 1-31. [6] C. Ibarra-Castanedo, N.P. Avdelidis, E.G. Grinzato, P.G. Bison, S. Marinetti, L. Chen, M. Genest, X. Maldague, “Quantitative inspection of non-planar composite specimens by pulsed phase thermography”, J. QIRT 3, (2006), pp. 25-40. [7] N. P. Avdelidis, E. Saarimaki, T. Kauppinen, S. Fanou, P. Theodorakeas, A. Tati, E. Cheilakou, M. Koui, C. Ennaceur “LWIR and MWIR thermography tools for composites assessment” ThermoSense 2010 Conference, Orlando, USA, April 2010.

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TIE S

[2] N.P. Avdelidis, D.P. Almond, A. Dobbinson, B.C. Hawtin, C. Ibarra-Castanedo and X. Maldague, Invited Review Paper: Aircraft composites assessment by means of transient thermal NDT, J. Progress in Aerospace Sciences 40 (2004), pp. 143162.

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[8] N.P. Avdelidis, R. Gohel, L. Mazeika, E.Saarimäki, T. Kauppinen, N. Decourcelle, S. Fanou, R. Tamadoni, G. Diamond, A. Tati, M.Koui, R. Kazys, F. Chen, K. Tuncbilek and C. Ennaceur “Development of NDT & E for composites in manufacturing and assembly stage”, “Non - Destructive Evaluation for Composites Seminar” 15 July 2010, Chesterfield, UK.

www.corematerials.3AComposites.com

english text

Thermography

*Universite Laval, Computer Vision and Systems Laboratory, Department of Electrical and Computer Engineering, Quebec City **ENEA - Italian National agency for new technologies, Energy and sustainable economic development, Casaccia Research Centre ***National Technical University of Athens, School of Chemical Engineering, Materials Science & Engineering Department

by N.P. Avdelidis, A. Bendada, C. Ibarra-Castanedo, X. Maldague* - S. Fanou** - M. Koui***

Non-invasive IR imaging techniques

This research work evaluates the potential of various thermography approaches for assessing defects on various types of composites.

nfrared thermography has been used for the non destructive testing (NDT) of materials and components for several years now [1-3]. The main advantage of thermography over classical NDT techniques resides in the possibility of inspecting large areas in a fast and safe manner without needing to have access to both sides of the component. Never theless, infrared thermography is limited to the detection of relatively shallow defects (a few millimetres under the sur face), since it is affected by 3D heat diffusion. However, the most common types of anomalies found on composites, such as delaminations, disbonds, water ingress, node failure and core crushing, can be effectively detected and sometimes quantified using active thermographic techniques. Several configurations can be adopted depending on the par ticular application in sight and the available equipment. A passive or active approach [4] can be used depending on whether the inspected par t is in thermal equilibrium or not. For instance, the passive approach, i.e. without using an external source of energy, can be employed in the detection of water ingress on composite par ts that find use in transpor t means at situations when the thermal difference between the material and water is significant allowing defect detection. On the contrar y, a thermal contrast needs to be created via an external source whenever the component is in thermal equilibrium. This

Compositi

is the most common type of approach since composite par ts are usually inspected after being fabricated or even in situ.

ACTIVE THERMOGRAPHY Practically any energy source can be used to stimulate the specimen being inspected, from cold or hot air to water jets, or frequency and amplitude modulated acoustic waves. The final decision on the energy source should be made depending on the application. Although there is no formal classification, a four group division can be devised according to the most widespread excitation forms: optical, mechanical, electromagnetic or other. Optical energy is normally delivered externally, i.e. heat is produced at the surface of the specimen and then travels through the specimen to the subsurface anomaly (defect) and back to the surface. Mechanical energy on the other hand, can be considered as an internal way of stimulation, since heat is generated at the defect interface and then travels to the surface. In electromagnetic excitation, Eddy currents are externally induced to the material (electro-conductor), and heat is produced internally from the circulation of these currents in the material. As for the experimental approaches, there are different techniques depending on the stimulation source, basically: pulsed or modulated. The term step heating is also found in literature, referring to a long pulse excitation, and line excitation can be employed as well, i.e.

the camera and excitation source moving while the specimen remains static or vice versa. A specific nomenclature is adopted depending on the energy source. For instance, pulsed thermography (PT) and lock-in (or modulated) thermography (LT) are generally used when working with optical stimulation. Data obtained by optical stimulation is commonly represented as thermograms, i.e. a map of the thermal patterns on the specimen surface, although other representations have been proposed as well, such as maxigrams (maps of maximum thermal contrast), timegrams (maps of the time of maximum thermal contrast), and diffusivity maps. In the case of mechanical stimulation, the terms thermosonics, ultrasound thermography or vibrothermography are adopted in either burst, i.e. pulsed; and frequency modulated or frequency/amplitude modulated configurations. Vibrothermography (VT), either burst or modulated, requires much more attention to experimental parameters than the pulsed configuration: the pressure applied between the horn and the specimen, the contact area between the horn and the specimen and the duration of the stimulation have a great impact on the thermal response. The longer the transducer operates at the surface; the most heat is released at the contact surface, increasing the probability of damaging the area. Furthermore, electromagnetic excitation is achieved by inducing Eddy currents through electromagnetic coils and it is commonly referred as thermo-inductive thermography, induction thermography or eddy current thermography (ECT). As is the case for optical and ultrasound excitation, both pulsed and lock-in configurations can be used. For data processing [5], data obtained by optical stimulation in either PT or LT, is processed by the fast Fourier transform (FFT), which is commonly refer as pulsed phase thermography (PPT) in the case of pulsed thermographic data; and phase angle thermography or phase sensitive thermography in the case of modulated data. Results are presented in the form of phasegrams, i.e. a map of the specimen sur face indicating the phase delay of the output

Thermography

signal with respect to the input. There are many other advanced processing techniques developed to improve the PT transient signal. Thermographic signal reconstruction (TSR) is one of such techniques. It allows reducing the amount of data, to de-noise the signal and to fur ther process synthetic data using first and second time derivative images as well as the FFT, which considerably improve the signal-to-noise ratio. There are many other processing techniques available. These processing techniques can be applied to any thermographic regardless of the energy source used for stimulation. It should be pointed out however, that when all the experimental factors are correctly addressed in the case of vibrothermography, raw data present adequate contrast to detect defects and no advance processing is required. A simple cold image subtraction may help as well to improve contrast. In the case of line excitation, i.e. the specimen is fixed while the camera moves behind the source at a controlled speed; no temporal signal processing is per formed. Images are reconstructed by retrieving the maximum thermal contrast for every pixel.

INVESTIGATION OF COMPOSITES Firstly, a specimen consisted of a NDT&E standard aluminum honeycomb core sandwich panel with a multi-layer graphite epoxy face sheet (skin) shown in figure 2 was used in this experiment. The aluminum honeycomb core has two cell densities, and contains four types of fabricated defects: delaminations (simulated using Teflon® coated fabric), skin unbonds (fabricated using Teflon® coated fabric), excessive adhesive, and crushed core. This type of panel is commonly used in the transport industry (mostly aerospace) for the calibration of NDT & E equipment. Figure 2b shows the result obtained by optical pulsed thermography. Data was processed by thermographic signal reconstruction (TSR). The image shown corresponds to a first time derivative calculated from synthetic data. All defects are visible as well as the honeycomb core. A phasegram result obtained by optical lock-in thermography is presented in figure 2c.

Compositi

All defects can be detected at this particular frequency as well as the carbon fibres (at a 45° orientation) and some surface features such as the inscriptions – and a painting scratch in the rightmost delamination defect which was not present when the specimen was inspected by optical pulsed thermography (fig. 2b). Figure 2d presents a phasegram obtained by lock-in vibrothermography at a frequency of 2 Hz for 3 cycles. Most of the defects are visible. Some standing waves, i.e. wave patterns that do not correspond to defects or to the honeycomb core, can be seen in the crushed core defects but nowhere else for this particular modulation frequency. It is difficult to distinguish the honeycomb core on the left side, which has a higher density. The right side honeycomb core on the contrary can be seen in this image. The right lower corner of the plate was damaged during the preliminary tests. Hence, previous results from optical techniques (fig. 2b and fig. 2c) do not show any sign of the damage. Finally, the panel was inspected by eddy current thermography; the result can be seen in figure 2e. No processing was applied to this result. It was reconstructed from a time sequence where the specimen was static but the camera and the heat source were in motion. All defects can be seen. Moreover, except for crushed core defects, there is practically no temperature difference between defect types. The core damage (resulting from preliminary tests) at the right corner can also be seen. Sandwiched structures made of a honeycomb core between two multi-layer carbon fibre reinforced plastic (CFRP) facesheets are very common in transport parts. This kind of structure is normally affected by anomalies such as delaminations (between plies in the facesheet), disbonds (between the inner facesheet and the core), water ingress, and core crushing. Possible causes for a delamination are either material contamination, e.g. dirt, solvents, moisture, oils, etc., introduced during manufacture or damage caused by in-flight operation. Core crush might occur after impact. A sandwiched panel, shown in figure 3, was designed to simulate the most common defect types listed above. The

panel consists of an aluminium honeycomb core of 1.6 cm between two 10-ply CFRP. The specimen is divided into five zones as depicted in figure 3a. A photograph of the specimen, taken during vibrothermography inspection, is shown in figure 3b. In Zone I, twenty (20) Teflon® inserts of different dimensions and thicknesses are placed between CFRP plies at different locations and depths as specified in table 1 to simulate delaminations between plies. In Zone II, six Teflon® inserts of different dimensions were inserted between the adhesive and the core (top row) and between the facesheet and the adhesive (bottom row), simulating skin to core disbonds at those locations. In Zone III, twelve cells were filled with water to simulate water ingress into the core. Water was injected into the cells through small wholes perforated in the opposite face of the panel to avoid damaging the panel side facing the camera (to which the optical stimulation was directed). Zone IV contains two impacts at 4 J (left) and 6 J (right), which are intended to simulate real collisions. Lastly, Zone V contains three honeycomb core node failure regions covering 3, 5 and 10 nodes as indicated. Zone I was first inspected using optical excitation using pulsed and lock-in techniques. It is possible to detect almost all of the defects from the PPT and LT phasegrams in figure 4a and b, respectively, with the exception of defect #10, which has a size-to-depth ratio very close to unity (D/z10=1.2), see table 1. Defect #18 has also a small size-todepth ratio (D/z10 = 1.5). However, defect #18 is thicker than defect #10 (t10 = 0.16 mm vs. t18 = 0.33 mm). Therefore, it can be concluded that defect detectability by optical stimulation is affected not only by the defect size-todepth ratio, but also by its thickness. The empirical rule of thumb of detectability D/z~2 constitutes a useful guideline. Although PPT phasegrams show better contrast for some inserts (defects #1 to 5 and #11 to 17), the LT phasegram provide a better overall detection, being able to detect all defects from a single phasegram. This is a logical result since several hundred images at a single fre-

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Non-invasive IR imaging techniques >> quency where used to obtain the LT phasegram contrary to PPT, for which a large number of phasegram at different frequencies are obtained by processing a two times larger thermogram sequence. Ultrasonic excitation was also used. As seen in figure 4c, lock-in vibrothermography was able to detect 6 of the 10 inserts having a thickness t=0.33 mm, whilst a weak signature can be noticed for only a few of them having t=0.16 mm. Ultrasound waves travel through the specimen until they reach an air gap in the interface between the insert and the material, which allows the defect to vibrate generating heat locally. If little or no air is present, the heat signature would be weak at this location. Apparently, the thicker inser ts are more likely to produce larger deformations than thinner inser ts between plies, trapping air as a consequence [6]. Hence, the preferred dissipation path for ultrasounds would be at these locations. Real delaminations however will behave differently. Results from ECT are shown in figure 4d. This image is the result of a reconstruction of three line inspections to cover the whole area (Zone I). No processing was carried out in this case. The image reconstruction process consisted of retrieving the maximum thermal contrast value for each pixel, which usually corresponds to the first available value after stimulation, and constructing a single image, i.e. a maxigram. At least 11 of the 20 inser ts can be clearly seen (defects #3, 4, 5, 8, 9, 11, 12, 13, 15, 16, 17 and 20), however with lower contrast than optical stimulation results. The presence of other 4 defects can also be inferred (defects #2, 7, and 19). These results are encouraging. More tests need to be run (using higher excitation frequencies for example) to improve defect detection. In Zone II, all the inserts have a thickness of t = 0.16 mm, see table 1. PT results processed by TSR clearly show the six inserts. On the other hand, both VT and ECT show only the four largest defects, with VT results having better defect contrast. It should be noted however that a 640x512 FPA camera was used for VT inspection whilst a 160x128 microbolometer camera was used in the

case of ECT. Water ingress in Zone III was successfully detected by optical PT, optical LT, and line inspection ECT (figure 4a, b and d), although only a weak signature can be detected in the latter two. Water ingress was not examined by VT. Impact damages in Zone IV, at 4 and 6 J, are clearly seen in all cases. It is interesting to note that defects in Zone V, i.e. honeycomb core node failure, were detected only by ECT, even though the signal is relatively weak. It appears that electromagnetic stimulation is well fitted for the inspection of this type of defects since Eddy currents propagate at their vicinity generating heat at these locations. Optical excitation on the other hand, is not very effective in this case given that heat is generated at the surface from where it travels through the specimen in all directions. Suitable results by VT for Zone IV and Zone V were not available at this point. Furthermore, a carbon fibre and a glass fibre plate (30 cm x 30 cm) with different types of fabricated defects as depicted in figure 5 were investigated. NDT assessment by near and mid-wave infrared vision approaches was performed. IR thermography, working in the midwave (MWIR) (3-5 mm) portion of the infrared spectrum, provides thermal maps, i.e. thermograms, which are the result of thermal emissions from the specimen surface. IR thermography is gaining popularity in many areas such as transport where large surfaces need to be inspected in situ in a fast and safe manner. Measurements were performed using an integrated flash thermography system employing a MWIR camera. Analysis shows hidden defects on both examined samples, carbon fibre reinforced laminate (fig. 6), and glass fibre reinforced laminate (fig. 7). Nonetheless, in the case of GFRP there are limitations. In the case of transparent and semitransparent materials such as glass fibre, near infrared (NIR) vision constitutes an interesting alternative. NIR vision recovers the reflected or transmitted (non-thermal) radiation from or through the specimen in the near portion of the infrared spectrum (0.9-2.5 mm). This technique, commonly referred

as reflectography (in reflection mode), is extensively employed in the examination of ar tworks where underdrawings (opaque to NIR radiation) can be detected through the painting layers (semitransparent to NIR radiation) providing information about the integrity of the piece, intentional and unintentional alterations and artists’ motifs. Nevertheless, to our knowledge, NIR vision has seldom been exploited for the assessment of industrial parts. In this work, a NIR camera (0.9-1.7 mm, 640x512 pixel resolution) was used for NIR vision testing, and an IR camera (35 mm, 320x256 pixel resolution) for the IR vision inspection. Figure 8a shows a NIR image obtained using an incandescent light in transmission as an illumination source. As can be seen from this figure, at least three of the delaminations (“D” defects) can be clearly identified on the GRP sample. Evidences of the relative loading differences impact defects (type “I”) can also be noticed. The countersink defects (type “C”) and the burned drill holes (“B” type defects) of different sizes can be perfectly seen (holes), although no apparent differences between them can be made. Further testing with increased spatial resolution would be required for this manner. Nonetheless, this approach is not appropriate for CRP samples. A result for IR thermography is presented in figure 8b. The specimen’s front surface was black-painted in this case. Some of the defects can be seen, although in general defect visibility is lesser than with NIR vision. For instance, one of the type “O” defects (at the left) cannot be detected by IR thermography but it is detected by NIR vision. These results demonstrate that NIR vision could be an interesting approach for the assessment of glass fibre components, whereas for CFRP is the other way around.

CONCLUSIONS Commonly all active thermography techniques can be used in the NDT assessment of industrial materials. Selection of the most suitable energy source depends on the application. Optical pulsed thermography is fast and easy to deploy. Although data are affected by dif ferent problems (non-uniform

Compositi

english text

Thermography Non-invasive IR imaging techniques [«] A European project for transport safety Project funded by the European Community to improve Europe transportation and enhance its competitiveness. After three years of activity the ComPair project «Continuous health monitoring and non-destructive assessment of composites and composite repairs on surface transport applications» came to an end with very good results. The project partnership reached the ambitious aims of developing nondestructive technologies per the control and monitoring of composite structures for surface carriers such as buses, trucks, trains and trams. The project, co-funded by the VII Framework Programme, Grant Agreement number 218697, saw the participation of the ENEA Agency together with 10 European partners coming from six countries. The work was divided in two parts. The first part focused on non-destructive tests performed during the inspection of com-

heating, emissivity variations, environmental reflections and sur face geometry), there are numerous processing techniques available to counter these problems and therefore to obtain prompt results of reliable quality, as well as quantitative information in some instances. Optical lock-in thermography allows better control of the energy deposited on a sur face, which might be interesting if a low power source is to be used or if special care has to be given to the inspected part – for inspection of artworks for example. However, it requires a separate experiment for each and every inspected depth and there is a stabilization time before reaching a permanent regime. Vibrothermography is extremely fast in either lock-in or burst configuration, although it is necessary to relocate the transducer (and to immobilize the specimen again) to cover a large area for inspection, and very often optimal inspection parameters must be found experimentally. Hence, vibrothermography is more suitable for relatively small objects. On the other hand, there is only minimal heating of the inspected specimen since the energy is usually dissipated mostly at the defective areas (but there may be some localized heating at the coupling and clamping points).

Compositi

posite materials in working conditions and based on the development of two techniques, termography and Near Infrared (NIR) imaging technique. The consortium also developed a software to assist the operators during the data analysis and the detection of possible composite defects. The second part focused on real-time monitoring, achieved thanks to an innovative integration of two techniques aimed at the optimization of defect analysis and the optimal exploitation of results: highwavelength ultrasound and acoustic emissions. Damage and defects in composite structures, even those located in inaccessible areas, can thus be detected with the “robotic scanner” prototype using termographic and NIR techniques, providing safety, performance and low costs. Indeed, thanks to this project a certified procedure has been defined to determine the actual costs of structure maintenance and manufacture. The ComPair project contributes to the diffusion of the use of composite materials in a range of applications in the transport field as well the reduction of CO2 emissions, thus protecting the environment. ■

Eddy current thermography is a very promising technique. Although it is limited to electro-conductive materials, the range of potential applications is extensive, from metal laminates such as GLARE, to composite materials and sandwiched structures such as honeycomb specimens. Fur thermore, ever y material responds differently to thermal excitation depending on the way it has been stimulated. Thermography based on optical techniques, in general, provides ver y good defect resolution. However, results are strongly affected by sur face features. Advanced signal/image processing is required to reduce their impact. For instance, PPT and TSR techniques allow detecting defects down to a depth of 2.5 mm, for defects having a size-to-depth ratio of approximately 2 and higher. ■ Acknowledgements Authors would like to thank the support of the Chaire de recherché du Canada (MIVIM), the Ministère du développement économique, innovation et exportation du Québec. Furthermore, acknowledgements are attributed to the ComPair project that was partly funded by the EC under the Collaborative project programme - Small to medium scale focused research project, Grant Agreement Number 218697.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Infrared Thermography Approaches Fig.2: (a) Photo of the calibration plate, (b) first time derivative obtained by optical pulsed thermography, (c) phasegram at 0.04 Hz obtained by optical LT, (d) phasegram at 2 Hz obtained by lock-in VT, and (e) reconstructed thermogram obtained by line excitation eddy current thermography Fig.3: (a) Geometry and defect distribution of the honeycomb specimen, (b) specimen photograph during vibrothermography inspection Tab.1: Teflon® inserts distribution for Zone I and Zone II Fig.4: Honeycomb specimen, Zone IV (impact damage) and Zone V (cut honeycomb cells): (a) synthetic PPT phase at f = 0.8 Hz, (b) LT phase at f = 0.002 Hz, and (c) composed maximum contrast thermogram from line inspection by ECT Fig.5: Fibre specimens investigated Fig.6: Transient thermography results on CFRP sample presenting raw image acquired with a frame rate of 3.75 Hz from the back side Fig.7: Transient thermography results on GFRP sample presenting raw image acquired with a frame rate of 1 Hz from the front side Fig.8: Results by: (a) NIR vision, (b) IR thermography (processed using pulsed phase thermography)

MAROSO ok.pdf

CMY

03/10/12

14.52

Automotive

di Andrea Airale e Massimiliana Carello

Le sospensioni della XAM 2.0

L’attività di ricerca svolta al Politecnico di Torino trova applicazione sul veicolo XAM 2.0. Vincitore del premio Migliore veicolo con Range Extended alla Future Car Challenge Brighton-Londra, è un esempio di innovazione di sistema per il comparto auto.

Analysis testing Method

Fig.1: Metodo di analisi

uso dei materiali compositi nel settore automotive è importante anche nell’ottica del raggiungimento degli obiettivi europei di emissioni e consumi al 2020. La sfida più impor tante in questo compar to è l’impiego dei compositi nelle applicazioni strutturali, non solo nei veicoli da competizione, ma anche nelle produzioni in serie, par tendo dai veicoli “premium” per poi arrivare a quelli più economici. Allo sviluppo di soluzioni per tali applicazioni si dedica il gruppo di Ricerca del Politecnico di Torino che, grazie al Team H2politO, guidato da Massimiliana Carello, ha la possibilità di studiare anche nuove e concrete applicazioni per par ti strutturali, oltre che per componenti abitacolo e carrozzeria.

L’

Compositi

IL METODO LOGICO DI SIMULAZIONE Per definire correttamente il metodo ingegneristico per la progettazione e simulazione dei componenti in materiale composito è stata necessaria un’intensa attività di studio. Ogni volta che un costruttore di auto o un fornitore di primo livello decide di utilizzare i compositi per i suoi sotto-sistemi deve poter sviluppare, e poi saper gestire, un apposito metodo di progettazione. L’attività del gruppo di ricerca del Politecnico par te dal definire con i futuri utilizzatori il Target Deployment dei sottosistemi, tenendo conto dei vincoli tecnici, produttivi e del budget disponibile. Successivamente è necessario effettuare un’analisi di Benchmarking per individuare i materiali disponibili

sul mercato considerando il target di produzione, l’approvvigionamento e il costo. È quindi possibile selezionare i materiali per effettuare le prove sperimentali. Gli autori hanno effettuato, presso il laboratorio del proprio dipartimento, le caratterizzazioni meccaniche statiche e dinamiche, ma anche in ambienti chimici/ambientali aggressivi, ricavando i dati sperimentali necessari ai software di simulazione FEM. Tuttavia questo non è sufficiente per avere una simulazione ottimale che riproduca in maniera affidabile il reale comportamento del componente considerato. Per questa ragione è importantissimo avere una validazione del modello di simulazione, possibile solamente grazie alla validazione sperimentale sul componente stesso.

Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale - Politecnico di Torino

Composite Suspension Arms FEM Analysis

Fig.2: Le fasi di processo

UN ESEMPIO DI STUDIO: I BRACCI SOSPENSIVI Come case study verrà presentata la sospensione a triangoli sovrapposti del prototipo di city vehicle XAM 2.0, partendo da una soluzione esistente realizzata in alluminio per costruirne una in materiale composito. Il primo passo è stato lo sviluppo del modello di dinamica del veicolo per calcolare i carichi agenti sulla sospensione e per definire il target di peso e di rigidezza rispetto alla soluzione in alluminio. Prima di definire le superfici che definiscono il componente è necessario conoscere le sollecitazioni che agiscono per semplificarne e ottimizzarne la geometria. Pertanto, il primo passo della progettazione è stata l’ottimizzazione topologica attraverso il density method.

Par tendo dal modello geometrico ottimizzato si è osser vato che il componente presentava una concentrazione di elementi sui piani inferiori e superiori dell’area vicino all’inser to metallico. Utilizzando le informazioni ottenute dall’analisi si è compreso che la migliore soluzione geometrica dei bracci era una soluzione a V con una sezione dei bracci molto appiattita, rispetto alla sezione circolare in alluminio, dando par ticolare attenzione all’inter faccia tra il braccio e l’inser to, in quanto zona strutturalmente molto critica. Per raggiungere l’obiettivo di peso e rigidezza prefissati, il triangolo delle sospensioni è stato suddiviso in due par ti: il corpo del triangolo (in fibra di carbonio) e gli elementi di collegamento (in lega di alluminio). Dopo la definizione delle super fici

esterne del braccio sospensivo dovevano essere fissati i numeri di layer e la loro orientazione nelle diverse aree per definire lo spessore complessivo del braccio. Il risultato della simulazione ha consentito di ottenere gli spessori dei diversi layer, necessari alla definizione del processo di laminazione, mettendo in evidenza le zone che necessitano di un rinforzo locale per aumentare la resistenza o la rigidezza. Si è quindi passati in un ambiente CAS per disegnare le superfici curve e il loro svolgimento su un piano dei diversi layer e avere un play-book completo del processo di laminazione. Successivamente è stato possibile costruire un nuovo modello CAD che tenesse conto di tutti i layer, della loro

Compositi

LAMINATI Sistemi di fissaggio per laminati profilati tubolari

CORPI SOLIDI Sistemi di fissaggio per corpi pieni legno e metallo

Automotive

PLASTICA Sistemi di fissaggio per materie plastiche

COMPOSITI Sistemi di fissaggio per materiali compositi

All Technology Inside

A Fig.3 a, b, c: Sospensioni in fibra di carbonio

CRESCITA INNOVAZIONE ESPERIENZA SOLUZIONI ASSISTENZA

Da oltre 35 anni Specialinsert è in grado di fornire soluzioni sempre più avanzate e adatte ai diversi problemi di fissaggio. Vanta una serie di proposte che spaziano dagli inserti tubolari filettati alle boccole per materie plastiche; dai filetti riportati alle boccole autofilettanti; dalle chiusure rapide a ¼ di giro agli inserti per materiali compositi, dagli inserti per legno ai rivetti a strappo. La produzione Specialinsert è interamente italiana. La mission Specialinsert è quella di affermarsi nel mercato come azienda in continua evoluzione ed innovazione tecnologica, per poter sempre offrire ai clienti soluzioni e servizi al passo con i tempi, a volte anche anticipandoli grazie a soluzioni tecnologicamente avanzate.

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Compositi

sequenza e della loro orientazione, secondo i vincoli di processo e quindi di producibilità del componente in accordo con chi lo avrebbe costruito. Dopo queste verifiche, la resistenza del componente poteva essere ricalcolata utilizzando come materiale una fibra di carbonio standard. Il risultato è stato quindi confrontato con quello ottenuto considerando i bracci sospensivi in alluminio e verificando, quindi, se il risultato soddisfacesse al meglio le specifiche di inizio progetto. Nel caso in studio è stato utilizzato un solutore lineare RADIOSS – Bulk Data Inter face. Quando il modello è stato completato, per la verifica del componente sono stati utilizzati diversi materiali compositi di tipo pre-preg, poiché consentono di ottenere pezzi con la miglior qualità super ficiale e le migliori caratteristiche meccaniche, in modo da capire quale fosse il più adatto all’applicazione, mantenendo la stessa sequenza di laminazione ma utilizzando solo le proprietà del materiale scelto, ad esempio: fibra ci carbonio T300 e resina epossidica, T800 e resina epossidica, basalto e resina epossidica, fibra di vetro-E e resina epossidica, fibra di vetro-E e resina termoplastica, fibra di basalto e resina termoplastica. Il confronto è stato fatto valutando la rigidezza, calcolata mediante il modello della dinamica del veicolo, e il peso. Il materiale più per formante, non tanto in termini di riduzione del peso ma di incremento di rigidezza, è stato il T800 con la resina epossidica. Sorprendenti i risultati delle simulazioni con le caratteristiche implementate nel modello dei materiali termoplastici, praticamente al pari degli stessi materiali con la matrice di tipo epossidico. Pur troppo non è stato possibile provare il T800 con una matrice di tipo termoplastico in quanto il materiale non era stato trovato sul mercato. Il processo di produzione ha previsto quindi l’utilizzo del T800 pre-preg epossidico. Il processo è stato effettuato in modo manuale: taglio dei pre-preg, realizzazione degli stampi e laminazione, predisposizione del sacco a vuoto, processo ter-

Le sospensioni della XAM 2.0 >>

mico in autoclave, processo di estrazione dallo stampo e dal sacco a vuoto e, infine, finitura delle superfici di contatto con gli inserti. Il componente realizzato presentava variazioni trascurabili di spessore all’esterno ed una qualità superficiale elevatissima. Caratteristiche non solo dovute a un fattore estetico, ma per prevenire cricche o rotture a fatica. Il risultato sul componente finale è una riduzione del peso complessiva del 9% e un aumento della rigidezza del 38%. Dopo che le sospensioni sono state assemblate su XAM 2.0, il veicolo è stato sottoposto in pista alle stesse manovre utilizzate per il modello virtuale della dinamica del veicolo consentendo quindi la validazione del modello FEM e delle deformazioni calcolate, grazie all’utilizzo di un sistema di acquisizione. I prossimi passi saranno la prova del sistema sospensivo in laboratorio, per eliminare i disturbi e gli errori che si sono presentati, inevitabilmente, durante i test in pista. Sarà così possibile validare in modo più approfondito il modello di simulazione, al fine di rendere più affidabile il metodo di simulazione strutturale per i materiali compositi messo a punto. L’altro step sarà realizzare lo stesso componente, sempre in T800, ma con un pre-preg a base termoplastica. Fatto questo, progettare una nuova sospensione concentrandosi unicamente sulla riduzione del peso del componente a parità del target di rigidezza imposto.

LA RICERCA SULLA MATRICE TERMOPLASTICA Altro importante filone di studi nell’ambito dei materiali compositi per applicazioni strutturali che utilizzano fibra continua, unidirezionale o bidirezionale, al quale molti centri di ricerca e industrie stanno lavorando, è legata alla matrice termoindurente, che presenta problemi di riciclabilità. All’interno del Politecnico di Torino gli autori stanno testando soluzioni dove la resina termoindurente viene sostituita con quella termoplastica, tenendo presente la disponibilità attuale di tali materiali sul mercato, soprattutto in termini di fibra, pre-preg e resina. Sono stati individuati diversi pre-preg con matrice termoplastica, ma la difficoltà è stata trovare pre-preg con lo stesso tipo di fibra del corrispondente materiale già caratterizzato dal punto di vista sperimentale con matrice di tipo termoindurente: twill 2x2 200 g/m2; fibra di carbonio T800 e T300, fibra di basalto e fibra di vetro E. Le prove effettuate con pre-preg che utilizzano una matrice termoplastica hanno caratteristiche meccaniche confrontabili con quelle che hanno matrice termoindurente. Tuttavia hanno un costo elevato poiché sono materiali che, ad oggi, trovano applicazioni soprattutto nel settore aerospaziale o militare. Il gruppo di ricerca del Politecnico di Torino sta lavorando per creare una catena di fornitori che comprendono:

Fig.4: Fibre di basalto con resina termoplastica

Fig.5: Test sulle fibre di basalto con resina termoplastica

Compositi

Automotive

i produttori di fibra, i produttori di resine termoplastiche, le aziende che si occupano dell’impregnazione per la realizzazione del pre-preg “assemblando” la fibra con la matrice termoplasti-

ca; infine, il produttore di componenti che, attraverso il processo di formatura o stampaggio, possa utilizzare i prepreg in termoplastico per realizzare componenti per autoveicoli.

Fig.6: XAM 2.0

Fig.7: La carrozzeria in fibra di carbonio di XAM 2.0

Compositi

XAM 2.0 ALLA FUTURE CAR CHALLENGE Quest’anno il Team H2politO del Politecnico di Torino ha partecipato alla Future Car Challenge, una competizione internazionale per veicoli elettrici, ibridi o a idrogeno (da Brigthon a London, 3 novembre 2012), con il nuovo veicolo XAM 2.0. Alla competizione partecipano i più importanti costruttori di auto, come Renault, Opel, Nissan, Jaguar Mercedes e prototipi di veicoli come quello di Gordon Murray. Il veicolo XAM 2.0 che ha partecipato alla Future Car Challenge è l’evoluzione, targata e autorizzata a circolare su strada, della XAM (eXtreme Automotive Mobility), progettata e realizzata al Politecnico di Torino nel 2011 e che ha preso parte alla Shell Eco-marathon 2011 e 2012. XAM 2.0 ha 2 posti, un peso complessivo di 411 kg, è lunga 2,8 m, larga 1,3 m e alta1,28 m. È totalmente elettrica grazie a un motore a magneti permanenti della potenza di 15 kW. Il veicolo può raggiungere una velocità massima di 80 km/h autolimitata e un’accelerazione che la porta in pochissimi secondi da 0 a 50 km/h. Le batterie ai polimeri di litio da 6,6 kWh consentono un’autonomia di 70 km in ogni situazione e possono essere ricaricata in una qualsiasi presa di casa in circa 6 ore. XAM 2.0 è anche equipaggiata da un piccolo Range Extender, un motore a combustione interna di tipo Wankel che, grazie a un generatore elettrico, trasforma l’energia termica in energia elettrica per ricaricare le batterie. Grazie al Range Extender, XAM 2.0 può percorrere, in addizione all’autonomia in elettrico, 400 km con soli 10 litri di benzina, oppure etanolo E85, che è un etanolo di seconda generazione e rappresenta un’alternativa ai combustibili fossili, poiché ottenuto dalla fermentazione di scarti agricoli. The XAM 2.0 ha un telaio tubolare di alluminio che garantisce la protezione dei passeggeri per ur ti a basse velocità e freni a disco su entrambi gli assali. Le sospensioni a doppio triangolo sovrapposto sono di tipo pull-rod e sono uguali per ogni ruota per ridurre i costi di produzione. Come prototipo, la carrozzeria è realizzata in fibra di carbonio per consentire la massima leggerezza garantendo la rigidezza struttura-

Le sospensioni della XAM 2.0

Fig.8: Assemblaggio di XAM 2.0

le di tutti i pannelli. Il compar timento del guidatore e passeggero è piccolo, ma confor tevole; un riscaldatore di ultima generazione consente il riscaldamento dell’abitacolo e lo sbrinamento del parabrezza, senza una riduzione eccessiva dell’autonomia. Un tablet da 7 pollici consente di visualizzare tutte le informazioni necessarie alla guida, oltre a spiegare il funzionamento della propulsione ibrida nelle diversi fasi di funzionamento del veicolo. rasor pubblicita gennaio 2013.ai 10/01/2013 XAM 2.0 vuole essere una dimostrazio-

Fig.9: XAM 2.0 a Londra

ne di innovazione di sistema e di ricerca nel settore automotive, con un costo moderato e in tempi accettabili, grazie alla collaborazione con aziende di elevato livello nel settore dei compositi. Il veicolo attualmente non è producibile in grandi numeri, si pone come un punto di partenza per una mobilità urbana sostenibile, grazie anche alla sua leggerezza e ai bassi consumi. Un esempio è proprio la sospensione in materiale composito provata direttamente a bordo del 9.25.14 veicolo. ■

Ringraziamenti Il progetto XAM 2.0 è stato realizzato in 4 mesi grazie al lavoro di 30 studenti di Ingegneria e Architettura del Politecnico di Torino. Al Future Car Challenge, XAM 2.0 è arrivata 5° nella classica assoluta e 1° nella categoria “prototipi ibridi”. In questa competizione XAM 2.0 era l’unico veicolo italiano presente, mentre il Team H2politO del Politecnico di Torino era l’unico team studentesco partecipante. Il progetto si sostiene grazie a un considerevole budget, in parte ottenuto grazie a sponsor, partner (in particolare, Huntsman, Araldite, EXP compositi, Vaber, Impregnatex Compositi, Angeloni, Specialinsert e Altair) e istituzioni e in parte stanziato dal Politecnico di Torino. Il Politecnico di Torino è una delle più importanti Università Tecnico-scientifiche in Italia, dove lo studio e la Ricerca sui materiali compositi è in continua crescita ed evoluzione. In particolare lo studio degli “Advanced Composite Materials”, dove nella tradizionale tecnologia CCFRP (Continuous Carbon Fiber Resin Polymer) si vuole sostituire la matrice di tipo termoindurente (spesso resina epossidica), con matrice termoplastica, come poliammide (PA, PA66), polifenilsolfuro (PPS) o poliuretano (PU).

Automotive

by Andrea Airale, Massimiliana Carello

The suspension of the XAM 2.0 vehicle

The research activities developed at Politecnico di Torino were applied on XAM 2.0 vehicle. Winner of the Best Range Extended Vehicle prize at the Brighton-London Future Car Challenge, it is an example of system innovation for the automotive field. he use of composite materials is ver y impor tant in automotive field to meet the European emission and consumption standards set for 2020. The most impor tant challenge is to apply composite materials in structural applications not only in racing vehicles or supercars, but also in massproduction vehicles. In Politecnico di Torino the research group of the authors works to find new solutions in this field. Thanks to the H2politO student team (where Massimiliana Carello is the Faculty Advisor at the Politecnico di Torino) it is also possible to study real applications of these materials in car components and body.

THE SIMULATION LOGICAL METHOD An intense investigation activity was necessary to define a correct engineering method for the simulation and design of components made of composite materials. Every time that a car manufacturer or an OEM decide to include composite materials in its subsystems he must be able to develop and handle a proper design method. The activity of the Politecnico research team begins with the definition together with future users the Target Deployment of the subsystems while considering technical, manufacturing and budget constraints. After that a Benchmarking Analysis is necessar y to identify the marerials available on the market, con-

Compositi

sidering the production target, the supplies and the costs. Finally the materials for the experimental tests can be selected. The authors have per formed static and dynamic mechanical characterizations, also in aggressive chemical/environmental conditions, in their department laborator y, thus obtaining the experimental data required for the FEM simulation. Nonetheless, this is not enough to get an optimal simulation yielding a reliable reproduction of the real behaviour of the considered component. For this reason a validation of the simulation model is fundamental, and this is possible only through the experimental validation of the component itself.

THE CASE STUDY: SUSPENSION ARMS We present a real case study, that is the suspension wishbone arm of the XAM 2.0 urban vehicle prototype. We started from an existing solution realized in aluminium to manufacture a composite one. The first step was the development of a dynamic model of the vehicle to understand the suspension loads and to define the suspension weight and stiffness target with respect to the aluminium arm. Before star ting the definition of the sur faces that identify the component, a knowledge of the stresses is mandator y in order to simplify and optimize the component geometr y. Therefore,

the first step of the design process was a topological optimization using the density method. From the study of the optimized model we obser ved that the component presented a concentration of elements on the upper and lower planes of the area close to the metallic insert. Using the information obtained from this analysis we have understood that the best geometrical definition of the upper wishbone arm would be a V-shaped suspension with a significantly flattened cross section of the arms with respect to the circular cross section of the aluminium element and with an accurate interface between the composite layers and the metallic inserts, as this represented a critical structural area. In order to achieve the stiffness and weight targets, the suspension wishbone arm has been divided in two par ts: the main wishbone body (made of carbon fiber composite), and the joint elements (made of metallic alloy). After the definition of the wishboneâ&#x20AC;&#x2122;s outer sur faces, the number of layers and their orientation in the different areas had to be set in order to define the overall arm thickness. The simulative results allowed us to set the thickness of each layer, a necessar y parameter to the lay-out of the lamination process, which evidenced the areas needing a local reinforcement to increase their resistance or stiffness. The design of curved surfaces and their development over the different layers was performed in a CAS environment in order to obtain a complete play-book of their lamination process. After these steps it was possible to build a new CAD model integrating all layers, their sequence and their orientation according to the process constraints and therefore to the effective manufacturing feasibility for the final manufacturer. After these verifications, the component resistance could be recalculated using a standard carbon fiber as the material of choice. The result was then compared to that obtained with aluminium suspension arms and we could check if the result met the initial design requirements. In the present case study we used the linear solver RADIOSS â&#x20AC;&#x201C; Bulk Data Interface.

english text

Department of Mechanical and Aerospace Engineering Politecnico di Torino - Italy

Once the model was completed, a verification of this component was performed comparing different prepreg composites (as they allow one to obtain manufacts with the best surface quality and mechanical proper ties) in order to understand which one would be more suitable for the specific application. Only the material properties were changed while keeping the same lamination sequence, using for instancel carbon fiber T300 fabric and epoxy resin, T800 and epoxy resin, basalt and epoxy resin, E-Glass fibers and epoxy resin, E-Glass and thermoplastic resin and basalt and thermoplastic resin. This comparison was done evaluating stiffness (calculated by means of the vehicle dynamic model) and weight. The most performing material, especially in terms of stiffness increase rather than in terms of weight reduction, was T800 with epoxy resin. The results of simulations implementing the features of the thermoplastic material model were surprising, as the results were equal to those obtained with epoxy matrix materials. A test on T800 with thermoplastic resin was not possible since we could not find it on the market. Therefore, the chosen manufacturing process opted for the use of t800 prepreg. The process was carried out manually: prepreg cut, realization of molds and lamination, vacuum bag set-up, autoclave curing, extraction from the mold and vacuum bag and finally finishing of contact surfaces. The manufactured component presented negligible thickness variations on the outer surface and a very high surface quality. These features are important not only for aesthetic reasons, but also to prevent cracks of fatigue failure. The result is a 9% overall weight reduction and 38% increase of stiffness. After the installation of the suspensions on XAM 2.0, the vehicle was tested on a track employing the same maneuvers implemented in the vir tual model of the vehicle dynamics, thus validating the FEM model and the calculated deformations by means of an acquisition system. The next development step will be testing suspension arms in laboratory to avoid disturbs and errors that we could not avoid during the the track test. In this way we will be able to better validate the simulation model, in order to reach a reliable structural simulation method for composite materials. A further step will be also the realization of a suspension with the T800 fiber but with thermoplastic resin-based prepreg. After that, the design of a new suspension focusing only on the aim of weight reduction (at constant stiffness) will be possible.

RESEARCH ON THERMOPLASTIC MATRIX Another research topic within the field of composite materials for structural applications using continuous unidirectional or multidirectional fibers, which is presently under investigations in several research centers and industries, is that of thermoset matrices, which present recycling issues. In the Politecnico di Torino the authors are testing solutions where a thermoset resin is replaced by a thermoplastic one, considering the present availability of such materials on the market, especially in terms of fibers, prepreg and resin. We have identified several prepregs with thermoplastic resin, but the main difficulty is finding a prepreg with the same fiber type as the corresponding tested material implementing a

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Il sistema bigHead trova ampio impiego nellâ&#x20AC;&#x2122;industria dei materiali plastici, automobilistica, nautica, e nellâ&#x20AC;&#x2122;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 lâ&#x20AC;&#x2122;Italia

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english text

Automotive

thermoset matrix: twill 2x2 200 g/m2; T800 and T300 carbon fiber, basalt fiber and glass-E fiber. The tests per formed on thermoplastic matrix prepregs yield comparable mechanical proper ties with those of thermoset prepres. Nevertheless, the cost is high as these are materials whose current applications are mainly in the aerospace and military. The Politecnico di Torino research team is working to create a supply chain including fiber manufacturers, thermoplastic resin manufacturers, companies that take care of the prepreg impregnation by ‘assembling’ fibers and thermoplastic resin, and finally the compont manufacture who can finalize the automotive component by molding/compression molding of the prepreg. This research will yield good results and industrial effects, especially concerning the issue of vehicle mass reduction.

XAM 2.0 AT THE FUTURE CAR CHALLENGE This year the H2politO student team from the Politecnico di Torino participated in the impressive Future Car Challenge, an international competition for electrical, hybrid and hydrogen vehicles (from Brighton to London, 3rd November 2012) with their new vehicle XAM 2.0. The most important car manufacturers such as Renault, Opel, Nissan, Jaguar Mercedes and of car prototypes such as Gordon Murray participated in the competition. The Team H2politO has always been in search of new technical, technological solutions and of product concept closer to the market The XAM 2.0 vehicle that competed at the Future Car Challenge represents the number-plated evolution of the XAM vehicle (eXtreme Automotive Mobility) that was built at the Politecnico di Torino in 2011 and that took par t in the Shell Eco-marathons in 2011 and 2012.

Compositi

The suspension of the XAM 2.0 vehicle

XAM 2.0 is qualified now to travel on the road and no more just on motor racing tracks. The XAM 2.0 has 2 seats, weighs 411 kg, it is 2.8 m long, 1.3 m large and 1.28 m tall. It is a totally electrical vehicle with a permanent magnets electrical motor whose power is 15 kW. The vehicle can reach a 80 km/h maximum speed and it accelerates from 0-50 km/h in a few seconds. The 6.6 kWh lithium polymer batteries provide a 70 km autonomy in every situation; they can be charged from the home network in about 6 hours. XAM 2.0 is also equipped by a small Range Extender, i.e. a Wankel-type internal combustion engine that thanks to an electrical generator converts thermal energy into electrical energy to charge the batteries. Thanks to the Range Extender, XAM 2.0 can cover, in addition to the full electric autonomy, 400 km with only 10 litres of petrol, or of E85, a second-generation Ethanol representing a possible alternative fuel obtained from the fermentation of agriculture waste. The XAM 2.0 frame is made of aluminium. It has a cell that provides a passenger protection from low-speed collisions and is equipped with both front and rear disk brakes. The suspensions are double wishbone one with convergence tie and pull-rod system. They are identical for all the wheels in order to lower costs. As a prototype the body is made of carbon fiber in order to obtain the maximum lightness while ensuring the structural stiffness of all panels. The driver and passenger compar tment is ver y small but comfor table. A latest-generation heater ensures a warm compartment in the windscreen demist without excessive autonomy reduction. A 7-inch exportable touch screen tablet provide all necessar y driving information and explains how the hybrid propulsion works in the various driving stages. XAM 2.0 intends to be a demonstration of how the system innovation and the research in the automotive field are possible and sustainable, with moderate costs and in an acceptable times thanks to a cooperation with high-level companies operating in the field of composite materials. The vehicle is not ready for mass production yet, but it sets a starting point for a sustainable urban mobility model thanks to its lightness and low-

consumption features. An example is exactly the carbon fiber suspension arms application that has been tested on the XAM 2.0 vehicle. ■ Acknowledgements The XAM 2.0 project has been carried out in 4 months thanks to the work of 30 students from the Faculties of Engineering and Architecture of bachelor degree and master degree courses of the Politecnico di Torino. Future Car Challenge, XAM 2.0 placed 5th in the overall classification and 1st in the ‘hybrid prototypes’ categor y. XAM 2.0 was the only Italian vehicle in this competitition, the Team H2politO the only student team. The authors would like to thank all the H2politO student team members. The project needed a substantial budget, partly offered by the Sponsors, Partners and Institutions (www.polito.it/h2polito/ it/sponsors/xam-20.html; in par ticular, Huntsman, Araldite, EXP Compositi, Vaber, Impregnatex Compositi, Angeloni, Specialinsert and Altair) that the students of the team managed to involve, and partly granted by the Polytechnic of Torino itself, in par ticular by the “Board Funds Planning Students of the Polytechnic” that from the beginning trusted the XAM project evolution and the Team H2politO students’ passion and initiative. Politecnico di Torino is one of the most important technical-scientific universities in Italy. Here the research and the investigation of composite materials is growing up very quickly, in particular concerning the study of Advanced Composite Materials for the replacement of thermoset matrices (often epoxy resins) with thermoplastic matrices (e.g. polyamide (PA, PA66), polyphenylene sulfide (PPS) or polyurethane (PU)) in the traditional CCFRP (Continuous Carbon Fiber Resin Polymer) technology.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Analysis Method Fig.2: Logical Step Fig.3 a, b, c: Carbon fiber suspension Fig.4: Thermoplastic + basalt Fig.5: Thermoplastic + basalt testing Fig.6: XAM 2.0 Fig.7: XAM 2.0 carbon fiber body Fig.8: XAM 2.0 assembly Fig.9: XAM 2.0 in London

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

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

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

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

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

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Automotive

di Casper Steenbergen

Riparazione CFRP in Lamborghini

Aventador è il bolide con monoscocca interamente in CFRP presentato da Lamborghini nel 2011. In parallelo con lo sviluppo dell’auto, la casa automobilistica ha avviato uno studio sulla sua riparazione e oggi, grazie ai suoi Flying Doctor, è in grado di eseguire riparazioni con CFRP in tutto il mondo. na collaborazione tra la Boeing Company e il Laboratorio Automobili Lamborghini per le Strutture in Compositi Avanzati (Lamborghini Advanced Composite Structures Laboratory, ACSL) dell’Università di Washington, entrambi con sede a Seattle, ha portato a un approccio di tipo aeronautico alla riparazione in composito adattata alla Aventador Monocoque.

STRATEGIA MONDIALE Luciano de Oto - Head of Lamborghini’s Advanced Composite Research Center (ACRC) - e Casper Steenbergen - Head of ACRC’s Composite Repair Center - hanno condotto profonde analisi insieme a Paolo Feraboli - assistente professore di Materiali e Strutture Aeronautiche all’Università di Washington e direttore dell’ACSL - e al suo team, per valutare la possibilità di eseguire riparazioni in tutto il mondo sull’Aventador. La ricerca sulla riparazione in composito per l’Aventador è iniziata nel 2008. Sono stati presi in considerazione molti parametri, come il processo da attuare, le responsabilità, i costi lungo la catena del valore e il customer value. Boeing ha anche tenuto workshop a Seattle vari anni fa per la formazione degli ingegneri Lamborghini e del team di Feraboli nell’esecuzione di varie riparazioni complesse con compositi. Infine Lambor-

Compositi

ghini ha preso la decisione di attuare una Strategia Mondiale per le riparazioni in CFRP delle proprie vetture. Il cliente deve innanzitutto portare la propria auto in uno dei rivenditori o carrozzieri Lamborghini per esaminare il danno all’auto. Successivamente, il rivenditore inserisce una richiesta rapida nel portale web della Lamborghini, dove si può trovare tutta la documentazione sull’incidente e sull’auto. Se il team di riparazione di ACRC sospetta un danno grave, un Non-Destructive Inspector (ispettore per controlli non distruttivi) di un’azienda esterna è inviato sul posto per esaminare la monoscocca in CFRP alla ricerca di danni, visibili o meno. Egli invia il suo rapporto (NDI-Report) non appena concluso il suo lavoro e il team di riparazione di ACRC decide di inviare i suoi Flying Doctor. I Flying Doctor possono raggiungere qualsiasi parte del mondo, spedendo una valigia con tutti gli strumenti, attrezzature e materiale necessari a svolgere la riparazione. Con l’uso di un hot bonder e di coperte termiche, il materiale prepreg usato per riparare le parti danneggiate può essere curato senza l’uso di forni o autoclave.

FORMAZIONE Nel campo dell’automotive Lamborghini è il precursore della riparazione in composito nella produzione in serie. Non sono

ACRC – Responsabile delle riparazioni in composito

si contro una recinzione e un telefono d’emergenza su una strada nei dintorni di Padova, è stata portata alla Imperiale (Mirandola, MO). Dopo aver smontato l’auto ed eseguito il test NDI, sono state eseguite tre riparazioni di media entità sul montante anteriore destro, sul longherone sottoporta destro e sul longherone sottoporta sinistro. La seconda auto è stata riparata a Chicago, USA. Su quest’auto è stata effettuata soltanto una piccola riparazione. Attualmente, altre due auto sono state coinvolte in incidenti in Cina e sono state controllate tramite un NDI. Entrambe presentano piccole fratture e delaminazioni e saranno riparate in breve tempo.

LOGISTICA

disponibili dati storici di riferimento, e nel settore aeronautico la riparazione in composito è eseguita direttamente dalle compagnie aeree. Esse formano il proprio personale e non esistono sul mercato centri specializzati per la riparazione in CFRP, eccetto alcuni appaltatori e liberi professionisti. Esistono solo dei centri per la formazione alla riparazione e la maggior parte di questi è localizzata negli USA, con succursali nella EU e in Asia e Pacifico. Tutti i Flying Doctor Lamborghini hanno seguito un percorso di formazione negli ultimi due anni al fine di essere in grado di riparare le auto ridando forma e resistenza alle parti strutturali in CFRP. Durante questo periodo di formazione i Flying Doctor hanno seguito un addestramento di due settimane all’Abaris Training Center on Damage Repair for Advanced Composites Structures (centro di formazione Abaris per la riparazione di danni in strutture in compositi avanzati), un addestramento che viene seguito da molti specialisti nelle riparazioni aeronautiche.

Uno degli aspetti più difficili nella riparazione su scala mondiale (World Wide Repair) è la logistica di strumenti, attrezzatura e materiali. L’attrezzatura usata per i test NDI e lo hot bonder sono sotto stretta sorveglianza doganale poiché appartengono ai cosiddetti articoli Dual Use. Ciò significa che essi possono essere utilizzati sia per uso militare che civile. Anche la spedizione di prepreg comporta alcuni problemi logistici. È necessaria una buona programmazione delle tempistiche perché il ghiaccio secco usato per spedire il materiale prepreg dura solo per alcuni giorni, appena il necessario per permettere l’arrivo del materiale a destinazione e l’uso direttamente nella riparazione. Se il materiale è a temperatura ambiente (o talvolta

anche maggiore) troppo a lungo, può non essere più utilizzabile. Tuttavia ogni problema ha una soluzione e Lamborghini ha trovato il modo giusto per farlo.

COSTI DI RIPARAZIONE I costi per la riparazione della Aventador Monoscocca, rispetto alle strutture in alluminio, sono più o meno confrontabili, e non comportano alcuno svantaggio economico per il cliente.

SERVIZI DI RIPARAZIONE LAMBORGHINI Oltre ad avere un servizio di riparazione per Lamborghini, i Flying Doctor Lamborghini sono pronti a eseguire anche riparazioni per terze parti che hanno bisogno di tecnici riparatori specializzati nell’automotive.

VANTAGGI La riparazione su scala mondiale (World Wide Repair) in situ presenta i seguenti vantaggi: • l’auto non deve essere spedita avanti e indietro dall’Italia • grande soddisfazione del cliente dovuta al miglior livello di servizio e attenzione • costi minori • breve tempo di reazione • avere il know-how in casa permette una riparazione in composito effettuata dai Flying Doctor Lamborghini insieme a un certificato direttamente dalla compagnia madre e non da una terza parte. ■

STORICO DELLE RIPARAZIONI SU AVENTADOR Dall’inizio della produzione, Lamborghini ha eseguito 5 controlli non distruttivi NDI e solo due riparazioni. La prima e più invasiva riparazione è stata eseguita in situ. La Aventador bianca, schiantata-

Compositi

english text

Automotive

by Casper Steenbergen

Lamborghini CFRP Repair

Lamborghini introduced the Aventador in 2011 with a monocoque completely made out of CFRP. In parallel with the development of the car, an investigation was started about repair of the same. Many tests and training have been performed on the Aventador Monocoque and today Lamborghini is well equipped to perform CFRP repairs on the Aventador where ever their Flying Doctors need to go. cooperation with The Boeing Company and the University of Washington’s Automobili Lamborghini Advanced Composite Structures Laboratory (ACSL), both located in Seattle, Washington has led to an aeronautical approach of composite repair adapted to the Aventador Monocoque.

WORLD WIDE STRATEGY Luciano de Oto - Head of Lamborghini’s Advanced Composite Research Center (ACRC) - and Casper Steenbergen - Head of ACRC’s Composite Repair Center - have performed deep analyses together with Paolo Feraboli - assistant professor of Aircraft Materials and Structures at the University of Washington and director of ACSL - and his team, to evaluate the possibilities to perform repairs worldwide on the Aventador. The research on composite repair for the Aventador started in 2008. Many parameters were taken into account like the process to apply, responsibilities, costs along the value chain and customer value. Boeing also held workshops in Seattle some years ago to train Lamborghini Engineers and the team of Feraboli, to perform several difficult repairs con composites. Lamborghini finally has taken the decision to perform a World Wide Strategy for CFRP repairs of their cars. The customer would first have to bring his car to one of the Lamborghini Dealers or body shop to examine the damage of the car. Next the dealer inserts a Quick Claim into Lamborghini’s Web-based portal in which all documentation of the accident and the car can be found. If any severe damage is suspected by ACRC’s Repair Team, a Non-Desctructive Inspector will from an external company will be send on site to examine the CFRP Monocoque on damages, whether visible

Compositi

or not. He sends the NDI-Report as soon as he finishes his work and ACRC’s Repair Team decides to send out their Flying Doctors. The Flying Doctors can fly out to any part of the world, shipping out a flying case with all the tools, equipment and material needed to perform the repair. With the use of a hot bonder and heat blankets, the prepreg material that is used to repair the damaged parts, can be cured locally without the use of ovens or autoclaves.

TRAINING In Automotive Lamborghini is the forerunner of Composite Repair in series production. Historical reference data isn’t available and in Aeronautics the Composite Repair is directly performed by the airlines. They train their own personnel and specialized repair CFRP repair centers do not exist in the market, apart from some contractors and freelancers. Only Repair Training Centers are present and most of them are based in USA, with subsidiaries in EU and in APAC. All the Lamborghini Flying Doctors have followed a training scheme over the past two years to be able to repair the cars to bring back the shape and strength to structural CFRP parts. During this training period the Flying Doctors have followed a two-week training at the Abaris Training Center on Damage Repair for Advanced Composites Structures, a training that is attended by many aeronautical repair specialists.

AVENTADOR REPAIR HISTORY Since the start of production Lamborghini has performed 5 NDI checks and only two repairs. The first and most invasive repair has been performed on home ground. The white Aventador crashed into a fence and emergency phone on a road near Padova was brought to Imperiale (Mirandola, MO).

ACRC – Head of Composite Repair After stripping down the car and performing the NDI, three medium size repairs have been done on the RH A-pillar, RH Rocker and LH Rocker. The second car was repaired in Chicago, USA. Only a minor repair has been executed on this one. Two other cars currently have been involved in accidents in China and have been checked by NDI. Both have minor cracks and delaminations and will be repaired in a short period.

LOGISTICS One of the most difficult items in the World Wide Repair is the logistics of tools, equipment and materials. The equipment used for NDI and the Hot Bonder are under strict Customs Surveillance while they belong to the so called Dual Use Items. This means that they can be used for either Military as Cilivian use. Also prepreg shipping brings along some logistic matters. A good timing is necessary while the dry-ice used to ship the prepreg material, only lasts for some days, just enough to let the material arrive at destination and use it directly in the repair. If the material is at room temperature (or sometimes even higher) for too long, it might not be useful anymore. Though every problem has a solution and Lamborghini found the right way to do so.

REPAIR COSTS The costs to repair the Aventador Monocoque in comparison with aluminum structures are more or less comparable and do not bring any economic disadvantage to the customer.

LAMBORGHINI REPAIR SERVICES Apart of having a repair service for Lamborghini, Lamborghini’s Flying Doctors are ready to perform also repairs for third parties that are in need of specialized repair technicians in Automotive.

ADVANTAGES The Worldwide Repair on site has the following advantages: • the car hasn’t got to be shipped back and forth to Italy • high customer satisfaction due to increased service and attention • lower costs • short reaction time • having the know-how in house brings along a composite repair done by Lamborghini’s Flying Doctors with a certificate directly from the mother company and not from a third party. ■

Hunstman

Stampaggio RTM più rapido per il settore automobilistico ella produzione di autoveicoli per il mercato di massa è ormai diffuso l’impiego di compositi epossidici. Inizialmente i compositi venivano utilizzati solo per applicazioni esterne e non strutturali, come portabagagli e cofani, ora vengono impiegati anche per applicazioni strutturali e per la produzione di massa di componenti automobilistici. Dalle resine epossidiche, rinforzate con fibre, è possibile produrre materiali compositi con proprietà meccaniche e di resistenza alla corrosione paragonabili, se non superiori, a quelle dei tradizionali metalli per le applicazioni strutturali. I compositi offrono elevata resistenza meccanica, grande rigidità e una maggiore resistenza agli impatti. La sostituzione dei materiali convenzionali con quelli compositi consente di ridurre il peso dei veicoli, di ottenere una migliore efficienza nei consumi e di aumentare il rapporto potenza-peso, per arrivare ad un miglioramento generale delle prestazioni. Una delle principali sfide nell’ambito dell’uso dei compositi ha riguardato la capacità di ridurre i tempi dei cicli produttivi, ragion per cui attualmente diversi produttori stanno riconsiderando i loro metodi di lavorazione, con l’obiettivo di aumentare i ritmi ed i volumi totali di produzione, pur continuando a garantire eccellenti livelli di qualità e contenendo i costi di investimento. I materiali preimpregnati per lavorazione in autoclave, derivanti dall’ambito aerospaziale, sono stati frequentemente utilizzati nei settori delle automobili da corsa e nei comparti di alto livello del settore automobilistico; tuttavia, affinché i compositi possano essere applicati anche nella produzione di massa con costi sostenibili, è necessario modificare sia i processi produttivi che i sistemi formulati. Nuove resine epossidiche liquide sono state successivamente sviluppate per

La Aventador LP700-4 di Automobili Lamborghini, il cui telaio è realizzato con un sistema di resine Araldite ® LOW PRESSURE: STATIC MIXER

HIGH PRESSURE: MIXING CHAMBER High pressure: recycle

High pressure: mixing and injection

Resin Resin

Hardener

un’ampia varietà di processi fuori autoclave, come lo stampaggio RTM. Per il compression molding sono disponibili altri sistemi epossidici a indurimento rapido e specifici sistemi epossidici espandibili (EES). I sistemi EES richiedono costi di investimento limitati e consentono di stampare forme complesse con facilità e precisione con tempi di ciclo estremamente ridotti, fino a 45-60 secondi a 145-160 °C.

PROGETTI INNOVATIVI Recentemente Huntsman Advanced Materials ha partecipato ad alcuni progetti innovativi con materiali compositi in ambito automotive in collaborazione con di-

Hardener

versi produttori automobilistici. Ad esempio, Lamborghini ha selezionato un sistema RTM Araldite® per la produzione del primo telaio in fibra di carbonio sul modello Aventador LP700-4. L’abbinamento della resina Araldite® e della tecnica “RTM-Lambo” di Lamborghini ha reso possibile la creazione di un telaio robusto e leggero, con un eccellente rapporto potenza-peso. Questa combinazione offre una soluzione dai costi contenuti per la produzione rapida e ripetibile di parti strutturali con elevate proprietà meccaniche e tecniche, paragonabili a quelle dei preimpregnati lavorati in autoclave, a testimonianza del fatto che la tecnologia RTM sta

Compositi

Hunstman emergendo come un’eccellente soluzione in ambito industriale. Per la produzione di massa dei componenti è stato tuttavia necessario migliorare i processi RTM standard e sviluppare una soluzione che consentisse di realizzare questa tecnica in tempi più brevi.

L’EVOLUZIONE DEI SISTEMI DALLA BASSA ALL’ALTA PRESSIONE I sistemi a base di resine epossidiche RTM utilizzati nelle applicazioni del settore automotive sono solitamente bicomponente, costituiti da resina e indurente formulati. All’avvio del processo, i componenti chimici vengono riscaldati fino alla temperatura richiesta all’interno di serbatoi e mantenuti separati in ri-

circolo continuo nel circuito della dosatrice fino alla parte interna della testa di miscelazione. In questo modo la loro viscosità si mantiene costante durante l’intero processo. La bassa viscosità dei sistemi Huntsman svolge un ruolo essenziale nell’intero processo, dalle fasi di dosaggio e miscelazione fino alla corretta impregnazione delle fibre all’interno dello stampo. Il processo RTM standard è noto anche come “RTM a bassa pressione”, in quanto i componenti del sistema, ovvero resina ed indurente, normalmente vengono uniti all’interno di un miscelatore elicoidale statico a pressioni relativamente ridotte, spesso inferiori a 15 bar. La miscela risultante viene quindi

Sistemi epossidici Araldite ® per un processo RTM ad alta velocità

Compositi

iniettata, sempre a bassa pressione, all’interno dello stampo contenente i materiali di rinforzo. Nel caso della tecnologia “RTM ad alta pressione”, invece, la fase di miscelazione avviene mediante il controflusso ad alta velocità dei componenti reagenti con appositi iniettori o ugelli all’interno di una camera di miscelatura di forma cilindrica, il cui diametro può arrivare fino a un minimo di 4-5 mm, e ad alta pressione, solitamente oltre 50 bar. Le sostanze chimiche si uniscono e si miscelano uniformemente all’interno della piccola cavità cilindrica; la loro energia cinetica viene convertita in turbolenza. Il controllo computerizzato determina la precisa quantità di materiali liquidi necessari in base a ogni singolo stampo e calcola il tempo esatto di iniezione per l’azionamento della pompa. Quando l’unità di controllo della macchina invia un comando di iniezione, il pistone che chiude la camera di miscelatura viene azionato idraulicamente, la camera si apre e degli ugelli a pressione erogano i componenti liquidi. Il flusso laminare di liquido fuoriesce dalla testa di miscelazione mediante un ugello di iniezione, situato all’interno di foro praticato nello stampo. L’intera quantità di materiale miscelato viene quindi trasferita nella cavità, senza alcuna perdita. Anche l’operazione di trasferimento avviene a pressione elevata, superiore a 50 bar. Il pannello di controllo invia quindi un segnale al sistema idraulico, il quale richiude velocemente la testa di miscelazione e la porta in posizione di riposo. La rapidità di questa azione ha l’effetto di pulire le pareti cilindriche della camera di miscelazione, eliminando eventuali quantità residue di liquidi e rendendo superfluo il lavaggio del componente con solventi o detergenti. Con una tecnologia RTM standard, la produzione di un pezzo richiede tra i 15 e gli 85 minuti, oltre al trattamento finale spesso necessario per dare al prodotto le caratteristiche definitive. Gli ultimi sviluppi nella tecnica RTM ad alta pressione consentono di produrre pezzi finiti in tempi compresi tra 5 e 13 minuti, con una diminuzione del ciclo produttivo che può arrivare fino all’85%. ■

Technology

EcoCut: advantages of fully automated preform cutting

The trimming of complex three-dimensional preforms is one of the most expensive phases of the resin transfer moulding (RTM) process in terms of both costs and time. To solve this problem, Persico Automotive has developed an EcoCut system for fully automated online cutting. omposite materials are increasingly appreciated for their physical properties, but their use in applications is limited by the lack of automated processing cycles. Limited automation means high labour intensity, longer processing times and higher costs. It is hard to reconcile these constraints with the needs of high productivity industries such as automotive, where current process technology is struggling to keep up with the productivity required for the mass production of cars. A similar problem arises in the manufacture of special vehicles. The industrialization of production is one of the main challenges for the entire auto sector. Persico Automotive – a division of Persico SpA engaged in the development of tools for the manufacture of interior panels, soundproofing and thermal insulation for cars and industrial vehicles – has decided to take on this challenge head on. Thanks to its long experience in automotive processes supported by Persico Marine’s extensive know-how in composites, Persico Automotive can provide high-technology turnkey solutions for the manufacture of automotive components made of composite materials. Persico Automotive’s offering for the automotive industry ranges from automated RTM processing for small-to-medium production batches to press molding of thermoplastic and thermoset continuous-fibre composites and chopped-fibre carbonSMC higher-volume series production.

Specifically for RTM processing, Persico can supply a complete production line – starting from the unwinding of dry carbon fibre rolls (typically NCF – non crimped fabric) to the final trimming after resin injection –, including RTM moulds, presses and resin injection systems. As part of the production line, Persico Automotive has introduced a highly innovative EcoCut solution for dry 3D-preform cutting, which is one of the most expensive stages of the entire RTM process, both cost- and time-wise. After 2D cutting and thermoforming of the material, the complex 3D preformed pieces – such as structural body panels, flame arresters and seat backrests – have to be trimmed with extreme accuracy before they are placed into injection moulds or assembled with other preforms. Traditionally the cutting is done by hand. Here is where the Persico Automotive EcoCut system enters the picture with its novel technology: totally automated 3D preform cutting. The system comprises a six-axis anthropomorphic robot, equipped at one end with a special pneumatic head developed and patented by Persico, on which an oscillating high-resistance steel blade is mounted. A semi-finished preform is positioned on the 3D cutting template, also developed by Persico, so that it lies flush all along the cutting surface. The robot is operated by intuitive easy-touse software that takes a CAD drawing of the final component and computes all the cutting path parameters needed to obtain

the exact profile of the desired shape, with no need for special calibration or reference points on the cutting template. By eliminating the need for manual intervention by an operator, the EcoCut system achieves a huge leap in quality. Reliability, repeatability and precision are the main advantages, which translate into a dramatic increase in the quality of the processed piece and a sharp reduction in cycle times and processing costs. In addition, the EcoCut system is ideal for just-in-time production. It is extremely flexible with respect to both the materials to be processed and the configuration of the cutting isle within the line. Indeed, the system can cut structures made of up to 5 triaxial layers of carbonfibre NCF with a thickness of about 6 mm. Furthermore, the cutting isle, like all other Persico equipment, can be customized to fit the needs, dimensions and cycle times of the production line specified by the customer. ■ [a] Five layers (750g/m 2 per layer) of carbon-fibre triaxial non-crimp fabric (NCF) typically used as reinforcement in composite structural components manufactured by RTM, which can be easily cut by the EcoCut system [b] An EcoCut demonstration system for trimming carbon 3D preforms at the Persico production facility [c] The cutting path is calculated offline by CAM software using the CAD data of the final component to be produced

Compositi

BS-JEC-2013-STAMPA.pdf 1 21/01/2013 17.53.50

CMY

Nautica

TEPCO Tecnologie dei Polimeri e dei Compositi srl

di Ignazio Crivelli Visconti

Sull’onda dell’innovazione Rassegna delle più recenti tendenze sullo sviluppo dei materiali e delle tecnologie di processo con più alto potenziale di innovazione per il settore nautico. Dalle fibre di basalto alle matrici polimeriche termoplastiche, dalle materie prime naturali all’infusione. el corso degli ultimi decenni si è assistito ad una notevole evoluzione nello sviluppo dei materiali compositi e delle tecnologie di processo che ha interessato anche le applicazioni marino-navali. Diverse soluzioni messe a punto in comparti avanzati, come l’aerospaziale e il militare, inoltre, possono essere trasferite con successo a questo settore.

MATERIALI ●●Fibre di basalto Nel settore marino una certa attenzione viene rivolta al possibile utilizzo delle fibre di basalto, che mostrano interessanti valori meccanici statici e dinamici. Le caratteristiche meccaniche statiche di questi compositi si pongono in una fascia intermedia tra le proprietà dei compositi con fibre di vetro e quelli con fibre di carbonio, mentre i costi, in continua diminuzione, sono più vicini a

Glass

Output

Input side

25 mm Fig.2: Prove di impatto su compositi con fibre di vetro e fibre di basalto (2)

Fig.1: Fibre di basalto

quelli delle fibre di vetro. Ancora più interessanti le loro caratteristiche dinamiche, che rispondono bene alle sollecitazioni di impatto meccanico, come mostrato recentemente da alcuni studi condotti presso il Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione dell’Università di Napoli Federico II (DIMP) (2). I risultati hanno mostrato come, sottoponendo alle medesime sollecitazioni le fibre di vetro e quelle di basalto, le zone impattate su queste ultime sono più limitate, con vantaggi sulla sicurezza e la resistenza residua (fig.2).

●●Matrici polimeriche termoplastiche Una delle innovazioni più attese riguarda gli aspetti ambientali di smaltimento e riciclabilità dei materiali adoperati attualmente nelle tecnologie navali/marine, i compositi a matrice termoindurente. Il problema comincia a farsi sentire in tutta la sua gravità, ma le sperimentazioni in tal senso non stanno producendo risultati interessanti. Una possibile risposta, anche tecnicamente vantaggiosa, è offerta da una nuova classe di materiali, totalmente o quasi riciclabili: le matrici polimeriche di natura termoplastica.

Compositi

Nautica

Fig.3: Pressa prototipale per la fabbricazione di compositi in matrice TP (4)

Non si tratta di una novità in senso assoluto, dal momento che i compositi termoplastici sono presenti fin dagli anni ’70-’80, ma il loro utilizzo finora è stato limitato dalle modeste caratteristiche meccaniche del composito così realizza-

to. Oggi, vengono proposte matrici termoplastiche con proprietà termo-meccaniche di altissimo livello (3). Non a caso, tali applicazioni cominciano ad essere realizzate anche nel settore aeronautico (4), come si vede dalla pressa-prototipa-

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le di fig.3 per la produzione del componente mostrato. Trasferire questa tecnologia al comparto navale/marino, però, non è semplice, per motivi “culturali”, economici e di scala. La matrice termoplastica, ba-

Sull’onda dell’innovazione >>

Fig.4: Possibili profili di elementi in legno (5)

sata sulla reversibilità delle caratteristiche in funzione della temperatura, richiede stadi di processo ad alta temperatura: ciò rappresenta un problema nella realizzazione di strutture di grandi dimensioni, sia sotto l’aspetto logistico sia sotto quello economico, soprattutto per le aziende medio piccole. ●●Compositi naturali Comincia a riscontrare interesse nei settori automotive e civile l’utilizzo di fibre di origine naturale. Fibre di canapa, di cocco, di agave e similari vengono studiate estensivamente ed iniziano a trovare applicazione semi strutturali o non strutturali, principalmente in virtù delle loro caratteristiche di eco-compatibilità e di riciclabilità. Tali applicazioni sono nate inizialmente all’interno dei programmi di sostegno tecnologico alle popolazioni dei Paesi sottosviluppati, dove l’uso di fibre vegetali era unito allo sviluppo di tecnologie povere di sopravvivenza. Si è poi convenuto che uno studio attento delle proprietà ottenibili da queste

Fig.5: Esempio di pavimentazione marina (5)

fibre potesse por tare alla messa a punto di nuovi compositi con caratteristiche più modeste, ma idonee per applicazioni semplici, come strutture interne tipo paratie, arredi interni, scaf falature, semilavorati e simili. Analogamente all’uso di fibre naturali, anche l’impiego di ibridi legno-compositi (5) possono risultare interessanti per applicazioni navali/marine, sia a bordo sia per strutture mobili, sia per strutture fisse, come mostrato dalle figg.4 e 5.

TECNOLOGIE DI PROCESSO ●●Costruzioni commerciali modulari Le potenziali innovazioni che cominciano a farsi strada nel settore nautico riguardano anche le tecniche di lavorazione. Tra queste, la costruzione modulare di imbarcazioni per uso commerciale. Il vantaggio è la riduzione dei costi di fabbricazione, in termini di stampistica e progettazione, in quanto gli oneri possono essere distribuiti su un numero notevole di componenti di scafo e di strutture di opera morta. Di contro, possono esserci dei “costi” da pagare, in termini

Fig.6: Schema della geometria di distributore a bolle (6)

Fig.7: Fase di diffusione della resina durante Infusion (7)

di efficienza fluidodinamica per la costanza dei profili degli scafi nelle diverse condizioni di stazza. La tecnica richiede un’accurata progettazione, una tantum, delle modalità di giunzione, che potrebbero però divenire dei punti di rinforzo strutturale e contribuire ad una progettazione leggera dei moduli, con ulteriori vantaggi economici. ●●Infusione Un avanzamento tecnologico significativo da molti punti vista, sia tecnici sia eco-ambientali, è rappresentato dagli sviluppi recenti nella tecnologia di “Infusion”. La tecnica deriva dalla possibilità di impregnare un materiale da parte di un altro materiale che possa attraversarlo in senso trasversale: questo spiega le grandi potenzialità dell’Infusion, rispetto alle tecniche più tradizionali, relativamente al grande guadagno nei tempi di formazione dell’intera struttura in fabbricazione. La ricerca è focalizzata sulle soluzioni che permettano la distribuzione ottimale della resina sull’intera superficie dello

Fig.8: Apparente complessità delle operazioni di Infusion (7)

Compositi

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Nautica

Fig.9: Schema della macchina a trafila rotante (9)

stampo: recenti studi e la realizzazione di particolari “distributori” della matrice, sia a livello di industrie sia a livello accademico, hanno mostrato come sia possibile incrementare l’efficienza dell’intero processo, fig.6. I vantaggi ottenibili con l’Infusion sono rilevanti nella realizzazione di strutture ed imbarcazioni di grandi dimensioni, come le produzioni della Intermarine di Sarzana (7). Infatti, non sono ancora chiari i limiti di dimensioni delle costruzioni possibili (anche per settori completamente diversi come l’ingegneria civile). In fig.7 è visibile il veloce avanzamento della resina durante l’Infusion, fig.8. I recenti sviluppi relativi all’uso in Infusion di resine alternative rispetto alle classiche poli e vinilesteri, messe a punto dai produttori nel campo delle resine epossidiche, possono portare ulteriori benefici dal punto di vista eco-ambientale. L’impiego di queste resine migliora gli ambienti lavorativi (8), per l’as-

senza di dispersione di elementi potenzialmente pericolosi, miglioramenti maggiormente esaltatibili dall’uso di tecniche di pulizia e lavaggio della strumentazione di lavoro, come ad esempio quelli messi in atto presso il Cantiere Mimì.

APPLICAZIONI ESTREME E DI ALTRO TIPO ●●Funi e cavi La realizzazione di funi e cavi in composito con matrici polimeriche e fibre di carbonio, vetro e aramidiche è da tempo oggetto di interesse teorico e di tentativi di applicazione pratica. Uno studio della TEPCO Tecnologie dei Polimeri e dei Compositi ha prodotto un passo avanti permettendo, grazie all’oppor tuno posizionamento delle fibre, di sfruttarne completamente le alte caratteristiche meccaniche. Il brevetto (9), messo a punto dalla TEPCO, consiste in una par ticolare trafila rotante (fig.9) che permette di avvolgere le

Fig. 10: Fasi di testing di sedili per auto traspor ti di lusso mediante Infusion (10)

Sull’onda dell’innovazione >> fibre nel trefolo in modo da posizionarle sempre in direzione assiale per il massimo rendimento. Le applicazioni possono interessare la meccanica, le movimentazioni e traspor ti, l’ingegneria civile e l’architettura, ponti e passerelle strallate, tensostrutture, tiranti, e le applicazioni navali/marine come stralli, cavi di opere mor te, tecnologie offshore e sottomarine, in vir tù dell’alto rappor to specifico resistenza/peso o rigidità/peso raggiungibile. Lo studio si è proposto di portare allo stadio applicativo e produttivo le ricerche effettuate da TEPCO per la realizzazione di funi e cavi particolari, costituiti non da elementi metallici o polimerici, ma da singoli fili e trefoli elicoidali costruiti, con tecnica esclusiva, in materiali compositi. Rispetto all’unico precedente, rappresentato da un produttore giapponese, l’innovazione di TEPCO consiste nella natura del nuovo tipo di fune, realizzata in compositi, e dal processo esclusivo di produzione in continuo di fili elicoidali che si intrecciano per costituire la fune. Rispetto alle funi in metallo, il nuovo prodotto ha caratteristiche meccaniche superiori, pesi del componente decisamente inferiori a parità di prestazioni, maggiore facilità di trasporto e messa in opera, assenza di corrosioni chimiche ed ambientali. Di contro, occorre valutare l’aspetto dei costi, da inquadrare in un’ottica di life-cycle-cost, e alcuni aspetti meccanici, come raggi minimi di curvatura delle funi in opera: al momento non si è ancora alla completa ingegnerizzazione del processo.

Fig. 11: Simulazione meccanica di sedili per navigazione veloce (10)

Compositi

Nautica

Fig.13: Esempio di elica di medie dimensioni interamente in composito con fibre di carbonio

Fig. 12: Tecnologia del doppio sacco in pressione (11)

â&#x2014;?â&#x2014;?Sedili per navigazione veloce e autotrasporto Nel campo degli arredi interni oggetto privilegiato di studio sono i sedili, sia per utilizzo nella navigazione normale, in quella commerciale e in quella veloce, secondo una tendenza giĂ in atto nel settore del trasporto Gran Turismo ed ora anche nel classico automotive. Ad accomunare questi settori Ă¨ la corsa frenetica verso una riduzione del peso

del sedile a paritĂ di costo e di prestazioni. In fig.10 si mostra una struttura di sedile per autopulman di lusso Gran Tuirismo durante le fasi di testing, dove ha mostrato uguali performance rispetto a una soluzione in lega leggera, con un contenimento del peso totale superiore al 20% (10). Nella navigazione veloce le richieste sono molto simili a quelle del trasporto Gran Turismo e pertanto Ă¨ possibile arri-

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

GRACO BVBA 4MBLXFJEFTUSBBU 4MBLXFJEFTUSBBU t # .BBTNFDIFMFO t 5FM t # .BBTNFDIFMFO t 5FM 'BY t JOGP!HSBDP CF t XXX HSBDP DPN 'BY

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Sull’onda dell’innovazione

>> Fig.14: Realizzazione e messa in opera di albero in composito con fibre di carbonio per imbarcazioni agonistiche

BIBLIOGRAFIA E SITOGRAFIA

(1) I. Crivelli Visconti, G Caprino, A. Langella “Materiali Compositi”,2009, Ed. Hoepli Milano. <www.hoepli.it/libro/ materiali-compositi> (2) V. Lopresto, C. Leone, I. De Iorio, Composites, Part B,online 2011 (3) < www.tencate.com>

Fig.15: Esempio di testing al fuoco estremo di pannelli in composito (12)

Fig.16: Esempio di testing balistico di pannelli in composito (12)

vare a soluzioni efficienti con un notevole contenimento dei pesi (fig.11). Tutte le soluzioni proposte possono considerare la presenza di 1, 2 o 3 sedute per sedile. All’aumentare dei posti/sedile aumenta l’efficienza in peso e costo. La produzione della cornice del componente sedile simulato in fig.11 è effettuata con tecniche particolari di sacco in pressione (fig.12), più nello specifico con doppio sacco (11), in modo da permettere di contornare perfettamente la sagoma della cornice.

●●Altre applicazioni Le eliche marine in composito hanno caratteristiche meccaniche e anticorrosive che, inserite nell’intera catena cinematica, possono produrre ulteriori incrementi del rendimento globale della trasmissione. Un esempio di elica realizzata interamente in composito con fibre di carbonio è mostrata in fig.13. Anche le alberature per imbarcazioni a vela, ma non solo, se realizzate in fibre di carbonio, producono importanti effetti sulla distribuzione dei pesi e conferiscono maggiore leggerezza all’imbarcazione. Un’applicazione finora considerata essenzialmente agonistica, che si sta diffondendo nella generalità dei casi (fig.14). Il settore militare, come quello aeronautico, funge spesso da “apripista” per interventi ed applicazioni avanzate, destinate poi a ricadere a cascata in altri comparti industriali, come il settore navale/marino generico. Negli esempi riportati si mostra come esistano applicazioni di alto valore tecnologico che possono essere di interesse diffuso. Nella fig.15 si mostrano le alte caratteristiche di resistenza al fuoco assicurate da composizioni di compositi particolari (12). Allo stesso modo, anche le capacità di resistenza a cimenti meccanici dinamici, come sollecitazioni di impatto lento o balistico (12), come mostrato nella fig.16, sono di interesse per il settore navale/marino. ■

●●Sedili per trasporto aereo Le richieste per il trasporto aereo sono di natura intrinsecamente diversa, in quanto tutti i materiali, anche per gli interni, devono sottostare a precise specifiche tecniche con requisiti molto stringenti riguardo l’aspetto fuoco/fumi. Per tale ragione, i sedili aerei attualmente vengono realizzati in leghe leggere. Solo di recente alcune case costruttrici hanno iniziato a studiare la possibilità di adoperare compositi a matrice termoplastica. Le ricerche, portate avanti in collaborazione con TEPCO, stanno producendo risultati interessanti, sia sotto l’aspetto delle caratteristiche del componente, sia delle tecnologie di trasformazione, con una notevole riduzione dei pesi senza aggravio dei costi. Anche in questo caso il trasferimento della tecnologia al settore navale/marino non è semplice, sebbene i vantaggi sarebbero notevoli.

(4) G. De Tommaso, M. Iannone, E. Calvi, R. Lenferink, I. Crivelli Visconti, P. Iaccarino, “Thermoplastic composites hot press forming for aircraft applications: technical and cost overview”- THEPLAC 2007 – International Workshop on Thermoplastic Matrix Composites June 28th29th 2007. <www.tecnologiedimp.unina.it> (5) M. Monteleone, Plasticwood, Meeting su “Impiego materiali alternativi nella progettazione navale”,Stato Maggiore Marina Militare, Roma, Dic. 2012.www.plasticwood.it (6) I. Crivelli Visconti, M. Durante, A. Langella-“Distributore a bolle per la tecnologia per la fabbricazione di elementi e strutture anche complesse in materiale composito a matrice polimerica ottenute mediante tecnologie di infusion o infusione di resina”, 2007, NA 0001359381 (7) M. Mariotti, Meeting su “Impiego materiali alternativi nella progettazione navale”,Stato Maggiore Marina Militare, Roma, Dic. 2012.<www.intermarine.it> (8) Reach progetto n° B01/0600/ 00/X14 “Processo eco-compatibile per la fabbricazione di scafi in materiale composito con l’eliminazione di sostanze volatili tossiche “Cantiere Mimì, Napoli (9) R. Carbone, M. Durante, I. Crivelli Visconti, A. Langella, “Sistema di pultrusione per la fabbricazione di elementi ad asse non rettilineo in materiale composito”, Brevetto N. 0001384500 (10) Mafos Sedili Snc- Mercato S. Severino, Salerno (11) I. Crivelli Visconti, C.Cigliano, A. Tornatore,”Hollow Rectangular Cross Section Structure Manufacture by Pressure Bag Technology”, Proceedings X European Conference of Composite Materials, ECCM-10, Brugge, Belgium , June 2002 (12) E. Apollo, Aeronautical Ser vice, Meeting su “Impiego materiali alternativi nella progettazione navale”,Stato Maggiore Marina Militare, Roma, Dic. 2012

Compositi

Nautical

by Ignazio Crivelli Visconti

Riding the wave of innovation

We present an overview of recent trends in the development of materials and process technologies with the highest innovation potential for the marine industry, spanning from basalt fibres to thermoplastic polymer matrices, from natural raw materials to infusion.

●●Basalt fibres The marine industr y shows a considerable attention towards the oppor tunity of use of basalt fibres, which show interesting static and dynamic mechanical proper ties. The static mechanical proper ties of these composites range in an intermediate area between the proper ties of composites with glass fibres and those with carbon fibres, while the ever decreasing costs are closer to those of glass fibres. Their dynamic proper ties are even more interesting, since they respond well to mechanical impact stress, as recently shown by some investigations per formed in the Depar tment of Material and Production Engineering of the University of Naples Federico II (DIMP) (2). The results showed that, when the same stress is applied to glass and basalt fibres, the impacted areas are reduced in the latter, yielding advantages concerning safety and residual strength (fig. 2).

materials currently used in naval/marine technologies, i.e. thermoset matrix composites. The problem begins to be felt in all its severity, but the experiments in this direction have not been yielding interesting results. One possible and also technically advantageous answer is provided by a new class of materials that are completely or almost completely recyclable: thermoplastic polymer matrices. This is not an absolute novelty, as thermoplastic composites are present since the 70s-80s, but their use so far has been limited by the modest mechanical proper ties of the composite thus manufactured. Today, thermoplastic matrices are available with thermomechanical proper ties of the highest quality (3). Not surprisingly, the aerospace industr y is star ting to implement these applications, too (4), as we can see from the prototype press in fig.3 used to manufacture the component shown. Never theless, the transfer of this technology to marine industr y is not easy due to ‘cultural’, financial and scaling reasons. The thermoplastic matrix, based on the reversibility of its properties as a function of temperature, requires high-temperature processing stages: this represents a problem in the realization of large-size structures, both in logistic and in economic terms, especially for medium-small companies.

●●Thermoplastic polymeric matrices One of the most anticipated innovations concerns the environmental aspects of disposal and recyclability of

●●Natural composites The use of fibres of natural origin star ts to create an interest in the automotive and building fields. Hemp, co-

ver the last decades we have witnessed a significant evolution in the development of composite materials and process technologies that also affected the marine and naval applications. Furthermore, several solutions developed and per fected in advanced fields such as aerospace and the military can be successfully transferred to this field.

MATERIALS

Compositi

conut, agave fibres and others are currently studied extensively and they begin to find semi-structural or nonstructural applications, mainly thanks to their features like eco-compatibility and recyclability. These applications were originally born in the framework of technology suppor t programmes for the population of underdeveloped countries, where the use of vegetable fibres was coupled to the development of cheap sur vival technologies. It was then agreed that a careful study of the proper ties that could be obtained from these fibres could lead to the development of new composites having more modest performance and yet apt to simple applications like interior structures: bulkheads, shelves, semi-finished items and so on. As for the use of natural fibres, the use of wood-composite hybrid materials (5) may also turn out to be interesting for naval/marine applications, both onboard and for moving structures, as well as for fixed structures, as shown in fig. 4 and 5.

PROCESS TECHNOLOGIES ●●Modular commercial manufacts The possible innovations that are beginning to make their way in the marine industr y also affect the processing techniques. Among these, the modular construction of ships for commercial use. The advantage is the reduction of manufacturing costs, in terms of molding and design, since the costs can be split over a considerable number of components of the hull and of the top side structures. Conversely, there may

english text

TEPCO Composites Consulting & Technology Group

be a price to pay in terms of fluid dynamic efficiency as hull profiles are the same for different tonnage values. The technique requires a careful one-off planning of joining methods, which could in turn become structural reinforcement points and contribute to a light design of modules, thus yielding fur ther economic benefits. ●●Infusion A significant technological advancement under many points of view, both in technical and ecological-environmental terms, is represented by the recent developments in the technology of ‘infusion’. This technique comes from the possibility of impregnating a material with another one that can cross it in the transverse direction: this feature explains the great potential of infusion, compared to more traditional techniques, concerning the large gain in terms of the time required for the shaping of the whole structure being manufactured. The research focuses on solutions allowing the optimal distribution of the resin over the entire sur face of the mold: recent studies and the invention of special matrix ‘dispensers’, both at the industrial and academic level, have shown that it is possible to increase the efficiency of the whole process, fig.6. The advantages that can be achieved through infusion are significant when manufacturing marine crafts of large size, such as the products by Intermarine, Sarzana (7). Indeed, manufacture size limits are still not clear (like in completely different fields such as civil engineering). In fig. 7 the fast advancement of the resin during infusion (fig.8) can be seen. Recent developments in the use of alternative resins with respect to traditional poly- and vinyl ester for infusion, developed by manufacturers operating in the field of epoxy resins, may bring along additional benefits under an ecological-environmental viewpoint. The use of these resins improves the working environments (8), due to the absence of dispersion of potentially hazardous materials. These improvements can be fur ther enhanced applying equipment cleaning and washing techniques, such as those implemented at the Shipyard Mimì.

EXTREME APPLICATIONS AND OTHER TYPES OF APPLICATIONS ●●Ropes and cables The production of rope and cables made up of composites based on polymeric matrixes and carbon, glass and aramid fibres has been for a long time the object of both theoretical interest and attempts at practical applications. A study by TEPCO Compositi Consulting & Technology has achieved a step forward with a proper placement of fibres that allows one to exploit their excellent mechanical properties in full. The patent (9) developed by TEPCO consists of a special rotating wire drawing machine (fig. 9) allowing to wrap fibres in a strand in such a way that they are always placed in the axial direction, which in turn yield the best efficiency.

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Nautical

Applications can be interesting in mechanics, handling and transportation, civil engineering and architecture, cable-stayed walkways and bridges, tensile structures, ties, and naval/marine applications as forestays, top side cables, offshore and subsea technologies, thanks to the high resistance/weight or stiffness/weight ratio that can be achieved. The study aimed at bringing the investigations carried out by TEPCO up to an application/production stage for the manufacture of special ropes and cables made up of single wires and helical strands produced by means of a proprietar y technology with composite materials instead of metallic or polymeric elements. With respect to the one preceding case (a Japanese manufacturer), TEPCO’s innovation consists of the ver y nature of the new type of rope, made up of composite materials, and of the exclusive technology, a continuous production of helical wires that are twisted to create the cable. With respect to metallic ropes, the new product offers superior mechanical proper ties, significantly lower weight for a component with the same per formance features, easier handling and operation/installation, absence of chemical or environmental corrosion effects. Conversely, costs must be evaluated and assessed within a life-cycle-cost framework, and the process engineering of some mechanical issues, e.g. minimum cur vature radii of ropes, has not been fully defined up to now.

●●Seats for fast cruise and road transport In the field of interior furniture, the privileged object of study are the seats, both for use in normal, commercial and fast cruise, following a trend already established in the Gran Turismo transpor t that is now expanding to the traditional automotive field. The link between these fields is represented by the rush towards a seat weight reduction while maintaining the same costs and performance. In fig. 10 we show a seat structure for Gran Turismo luxury coaches during the test stage, where the structure showed equal per-

Compositi

formances with respect to a light-alloy manufact, while the total weight reduction reached beyond 20% (10). The requirements in fast cruise are ver y similar to those of Gran Turismo transpor t, therefore efficient solutions with a significant weight reduction are achievable (fig. 11). All the proposed solutions may consider the presence of 1, 2 or 3 sitting places per seat. Increasing the number of places per seat reduces cost and weight efficiency. The production of the frame of the seat simulated in fig.11 is carried out with special bag pressure techniques (fig. 12), more specifically with a double bag (11), so as to allow one a per fect definition of the frame shape. ●●Seats for air transport Requirement for air transpor t are inherently different in that all materials, even those for the interior par ts, are subjected to detailed technical specifications with ver y stringent requirements concerning the fire and smoke features. For this reason, the existing aircraft seats are made of light alloys. Only recently some manufacturers have begun to investigate the oppor tunity of using thermoplastic matrix composites. These investigation, carried out in collaboration with TEPCO, are yielding interesting results, both in terms of the component’s characteristics and in terms of process technologies, with a significant weight reduction without cost increase. Even in this case, the technology transfer to the naval/marine field is not easy, although there would be considerable advantages. ●●Other applications Mechanical and corrosion proper ties of composite propellers, when included in the entire power train, may offer a further increase in the overall per formance. An example of a propeller entirely made of composite with carbon fibres is shown in fig.13. The use of carbon fibres brings impor tant effects on the weight distribution and makes boats much lighter when applied, among other components, to sailing boat masts. This application has been so far considered essentially for spor ts

Riding the wave of innovation competitions, but is now spreading to more general situations (fig. 14). The militar y, as well as aerospace, is often a ‘pioneer’ in advanced implementations and applications, which are then destined to spread to other fields, such as shipbuilding and the marine industr y in general. The examples repor ted here show that there are applications of high technological value that may be of widespread interest. Fig.15 shows the excellent fire resistance proper ties ensured by the assembly of proper composite materials (12). Similarly, the resistance to dynamic mechanical stresses, like slow or ballistic impact stresses (12), as shown in fig.16, is also of interest to the naval/marine industr y. ■

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Basalt fibres Fig.2: Impact tests on composites with glass and basalt fibres (2) Fig.3: Prototype press for the manufacture of TP matrix composites (4) Fig.4: Possible profiles of wooden elements (5) Fig.5: Example of marine floor (5) Fig.6: Geometry scheme of a bubble dispenser (6) Fig.7: Resin diffusion stage during infusion (7) Fig.8: Apparent complexity of the infusion process operations (7) Fig.9: Scheme of the rotating wire drawing machine (9) Fig.10: Test stages of luxury car seats manufactured by means of infusion (10) Fig.11: Mechanical simulations of seats for fast cruise (10) Fig.12: Double pressure bag technology (11) Fig.13: Example of medium-size propeller entirely manufactured in fibre carbon composite Fig.14: Realization and installation of carbon fibre composite mast for racing boats Fig.15: Example of estreme fire testing on composite panels (12) Fig.16: Example of ballistic test of composite panels (12)

Design

di Massimiliano Della Monaca

La tecnologia ...in bagno

l design accessibile ha offerto ad ognuno di noi la possibilità di circondarsi di oggetti belli ed originali, dalle linee ricercate e rispondenti alle tendenze estetiche contemporanee. Grazie alle riviste di arredamento, agli eventi fieristici, etc., il consumatore ha affinato gusto e sensibilità nei confronti del design in generale e trova sempre maggiori occasioni di avvicinarsi a prodotti ed aziende. Medesima attenzione, però, non è prestata nei confronti delle materie prime alla base dei prodotti immessi sul mercato. In molti casi, addirittura, gli stessi designer non conoscono le tecnologie di produzione ed il comportamento dei materiali, creando sulla carta (o con il più moderno strumento rappresentato dai “rendering”) meravigliosi oggetti, impossibili da realizzare o fattibili solo con l’ausilio di diverse lavorazioni e con risultati antieconomici. La conoscenza dei materiali, del loro comportamento e delle metodologie di lavorazione non solo favorisce la fattibilità dei progetti, ma riveste un ruolo importantissimo nella fase creativa, suggerendo forme e soluzioni “a misura di tecnologia”: il designer in questo caso pone la propria creatività al servizio della materia plasmando prodotti che sono l’espressione di tutte le potenzialità dei materiali e delle loro lavorazioni. Lo studio costante di tutte le variabili in gioco fa sì che i prodotti finali siano di aspetto piacevole, ma soprattutto tecnologicamente “dotati”: ciò significa funzionalità, leggerezza, resistenza, facilità di utilizzo, praticità, comfort. Creare è un piacere, soprattutto quando

Resistenti, leggeri, plasmabili nelle più diverse forme, i materiali compositi possono essere utilizzati anche per dar vita ad oggetti di arredo, abbinando estetica ricercata e funzionalità. Un famoso designer illustra le sue ultime creazioni.

Lavabo in fibra di carbonio

il materiale si lascia plasmare, si lascia accarezzare da lente e precise pennellate di resina, assumendo la forma desiderata, quella che il designer ha studiato appositamente per lui. La realizzazione di un prodotto in fibra di carbonio rappresenta un affascinante e complesso viaggio che - attraverso numerosi incroci e sentieri impervi - parte letteralmente dall’atomo per arrivare all’aeroplano.

PROGETTAZIONE APPLICATA ●●CC381 Il bacino di questo lavabo, realizzato in pezzo unico in fibra di carbonio, ha rappresentato il principale punto critico. Nello sviluppo del prodotto, per prima cosa si è dovuto risolvere il problema del sottosquadro che il bacino rappresentava per lo stampo. Successivamente, l’attenzione è stata rivolta alla pianificazione della disposizione dei tessuti, evitando smagliature e antiestetiche curvature nelle linee delle fibre. Per incrementare la resistenza del piano, è stata utilizzata una struttura sandwich

con nido d’ape in Nomex®, mentre la ricerca sui sistemi di fissaggio ha trovato nell’alluminio e nel velcro “3M” l’ottima alternativa ai fissaggi meccanici che altrimenti avrebbero influito negativamente sul design del lavabo. ●●CC381.P L’applicazione della tecnologia del carbonio ad un pezzo di generose dimensioni, in cui, però, estrema importanza doveva essere data all’aspetto estetico, ha reso necessario una grande attenzione alla perfezione delle linee e delle finiture super ficiali: importante, per un pezzo realizzato a regola d’arte, è infatti la disposizione delle fibre e dei tessuti, soprattutto in corrispondenza di cambi di pendenza e angoli. L’applicazione di una resina vetrificante superficiale ha reso il prodotto resistente all’usura. ●●Spectro Le caratteristiche tecniche e di lavorazione delle fibre composite permettono di ottenere forme tridimensionali molto complesse, con superfici e geometrie diversamente impossibili da realizzare.

Compositi

Design L’attenta ricerca sulle vernici vetrificanti, ad esempio, ha consentito di ottenere un prodotto con grande resistenza superficiale ai detersivi e all’usura, per una durata nel tempo. Abbinabile al piatto doccia in carbonio “CC381.P”, prevede rubinetteria a muro o a bordo lavabo ed è dotato di piletta click-clack.

Plasma, par ticolare

“Spectro” è ottenuto da unico stampo, eliminando quindi antiestetici punti di giunzione o di presa per le attrezzature di produzione. Particolare attenzione è stata prestata all’ancoraggio del soffione doccia in ottone cromato e al sistema di fissaggio a muro con attacco da ½ pollice. ●●Plasma L’ingegnerizzazione si è concentrata sul binomio fibra di carbonio / ottone cromato per creare un contrasto forte tra materiali. In ottone è il soffione doccia del diametro di 23 cm integrato a filo nella fibra di carbonio, così come la colonna cilindrica di sostegno, che include il miscelatore e il Plasma

Compositi

deviatore per la doccetta, ed è agganciata al carbonio grazie ad uno speciale attacco con “ORing”. La colonna in fibra di carbonio è cava al suo interno per permettere il passaggio dei tubi di arrivo dell’acqua calda e fredda. Grande attenzione è stata prestata in fase di produzione nella stesura dei tessuti di fibra di carbonio per un risultato estetico al top. Estremamente complessa, la colonna “Plasma” viene prodotta in unico stampo ed è quindi priva di giunti e riprese di lavorazione.

PRODOTTI REALIZZATI ●●CC381 Lavabo in fibra di carbonio, senza giunzioni, dalle elevate caratteristiche di leggerezza e grandi dimensioni, da destinare al settore domestico e nautico. Il design riprende idealmente le linee dello scafo di una barca dando molto spazio alla capienza della vasca a favore della praticità, con dimensioni 160 x 45 x 45 cm e un peso di 3 kg. Dal profilo molto pulito, l’apparente semplicità di “CC381” è il risultato di approfonditi studi e ricerche in tema di tecnologia, design, materiali, e funzionalità.

●●CC381.P Piatto doccia in fibra di carbonio realizzato in pezzo unico, senza giunzioni, con peso di 3 kg e dimensioni 100 x 100 cm. La linea pulita ed essenziale è stata creata per dare il maggior risalto possibile alla fibra di carbonio rispettando i parametri tradizionali sia riferiti alle dimensioni, sia alle tipologie proponibili sul mercato (piatto doccia quadrato, rettangolare e ad angolo arrotondato). Abbinabile al lavabo “CC381”, è dotato di scarico decentrato per piletta standard e di elementi in gel antiscivolo per una maggiore sensazione di benessere e comfort. ●●Spectro Innovativo soffione doccia da muro, realizzato in fibra di carbonio o fibra di vetro, asimmetrico, leggero e dalle linee morbide. Questo prodotto rappresenta un’esemplare manifestazione di come la tecnologia dei compositi possa inserirsi in qualsiasi contesto e settore merceologico grazie alla ricerca perpetrata dal progettista in termini di applicazioni tecniche, studio dei materiali, delle forme e della funzionalità. Ultrasottile e innovativo, contiene al suo interno i tubi per il passaggio dell’acqua calda e fredda, nonostante le dimensioni di massimo ingombro contenute (22 x 50 cm, altezza 7 cm), prevede il comando con miscelatore a muro ed è adatto per ogni box doccia. Disponibile anche nei colori: verde acqua, bianco, rosso e grigio alluminio. ●●Plasma Colonna doccia in fibra di carbonio con integrato miscelatore e doccetta, che esalta tutte le potenzialità della tecnologia dei compositi. Dotata di dimensioni e curvature impos-

La tecnologia ...in bagno

Soffione doccia Spectro

sibili da realizzare con altre lavorazioni, “Plasma” rappresenta un caso emblematico di design a misura di tecnologia. L’intenzione del designer è stata offrire al mondo dell’arredobagno un’innovativa colonna doccia sorprendentemente nuova per design, materiali e tecnologia, rispettando i punti cardine costituiti dagli arrivi dell’acqua e dagli scarichi. Dopo aver scelto a priori di utilizzare la fibra di carbonio, il designer, valutata la difficoltà nel creare un prototipo tridimensionale anche con le tecnologie più evolute a CNC 5 assi, ha plasmato a mano il modello in UREOL poliuretanico conferendogli una linea molto morbida e sinuosa, totalmente asimmetrica. Può essere utilizzata a terra freestanding o a muro con semicolonna e ha dimensioni di massimo ingombro di 55 x 51 cm, altezza 230 cm. ■ www.mdmworld.eu

Piatto doccia Plasma

Design

di Massimiliano Della Monaca

Technology ...in the bathroom

Resistant, light, mouldable in the most varied forms, composite materials can also be used to give life to objects of decoration, combining aesthetics and functionality. A famous designer presents his latest creations. he design, being so accessible, gave us all the chance of having original beautiful objects with an eye to detail of the new tendencies. Thanks to the interior design magazines, the shows, etc., today’s consumer has sharpened his taste and sensibility to the design as a whole, and has much more chances to get closer to the products and the relative firms. The same attention to detail cannot be the same with the raw materials which are the base on which the new products are on the market; the designer himself sometimes does not know the production technology, therefore inventing objects (even with the more modern “renderings” method) which are impossible to create. On paper they are beautiful objects, but cannot be constructed or their production technology is non justified by the production cost. The deep understanding of the materials (their behaviour in divers conditions) and of the production technology, not only allows the construction of such projects, but is also fundamental for the designers creation of the objects; therefore allowing him to comply to the limits of the construction. In this case the designer with his creativity adapts oneself to allow the raw material employed and the production technology to be exploited to the max. The relentless study of all the variables, contribute to create beautiful objects which are technologically advanced; e.g. functional, light, resistant, easy to use, practical and comfortable. To create is a pleasure, especially when

Compositi

the material lets itself take shape with slow but expert use of the resin-brush, taking the desired form; the one that the designer has specifically chosen for it. To bring to life a carbon fibre product is a long and complex procedure, which literally turns an atom in to an aeroplane.

APPLIED DESIGN ●●CC381 The concave part of this washbasin, made in one piece of carbon-fibre, has brought to light the principal critical point. First of all it had to be resolved the problem of the cod that the basin had for the mould. Subsequently the attention turned to the planning and disposition of the weavings trying to avoid ladderings and anti-aesthetic curves in the fibre lines. To increment the resistance of the flat surface, the “sandwich” is been used with Nomex® honey-comb structure, while the research on the locking system has found in aluminium and “3M” velcro a very good alternative to mechanical locking which would have negatively influenced on the washbasin design. ●●CC381.P The application of the carbon technology to a work-piece of big dimensions on which the priority was given aesthetic aspect, has made necessary from the specialized firm a great attention to perfection of the contours of the lines and to the superficial finishings: important, for a work-piece made in the best way possible, is in fact the disposition of the fibres and the weavings, in relation to

changes of inclination and angles. The application of a vitrifying resin on the surface of the shower plate, gave resistance to use and time. ●●Spectro The technological and processing characteristics of compound fibres enable to form very complex shapes in 3D, with geometrics and surfaces otherwise impossible to make. “Spectro” is obtained with one mould, eliminating therefore anti aesthetic junction points or clamps from the production tools. Particular attention has been given to the moulding device of the chromed brass shower sprinkler and to the wall fixing unit with an ½ inch connection. ●●Plasma The engineering has concentrated on carbon fibre and chromed brass to create a contrast between materials; the shower sprinkler is made of brass, with a diameter of 23cm integrated in the carbon fibre, just like the cylindrical suppor ting column that includes the mixer and the water deviator for the hand-held shower, and is attached to the carbon thanks to a special O-ring. The column in carbon fibre is hollow inside which allow the tubes of cold and hot water to pass throw. Great attention has been given during the production and the lay of the weaving in carbon fibre to achieve the top aesthetic result. The shower column “Plasma” is extremely complex and it is made in one mould to avoid junctions.

PRODUCTS ●●CC381 Carbon fibre washbasin, with no junctions, high characteristics of lightness and big dimensions, for the house or boating sectors. Weight 3 kg, dimensions 160 x 45 x 45 cm. The design resembles the delicate contours of a boat giving space to a basin that will favour of being practical. The clean profile and the apparent simplicity of “CC381” are the result of endless study and research about technology, design, materials and functionality.

english text

The meticulous research on paints, for example, it was able to obtain a product with great super ficial resistance to washing powders and natural consumption, to last in time. It can be used with wall or standing tap and has a click-clack drainage plug. ●●CC381.P Shower plate in carbon fibre made out of one piece, with no junctions. Weight 3 kg, dimensions 100 x 100 cm. The clean lines of the design has been created to exalt at the best the carbon fibre, respecting the traditional parameters in dimensions and typologies (square shower plate, rectangular and rounded corners). It can be used in conjunction with washbasin “CC381”, has a not central hole for standard drainage plug and has gel element anti-slip for more comfort and security.

●●Spectro Wall shower head with new irregular design, carried out in carbon fibre or glass fibre, asymmetric, light and with soft contours. This product is a clear example of how the technology of compounds can be used in any sector of the market, thanks to the research done by the designer in technical applications, study of the material, of the shapes and of the functionality. Ultra-thin and innovative, it contains in itself the water tubes; it can be used with a wall mixer and is fine for every type of shower box. It can be bought in four colours: water green, white, red, aluminium grey. Dimensions of maximum usage: 22 x 50 cm, thickness 7 cm. ●●Plasma Shower column in carbon fibre with mixer and hand-held shower, which

shows off all the potential of the compound technology. Having dimensions and curves that no other processing can do, “Plasma” is a case of design that fits the technology. The intention of the designer was to offer to the bathroom interior world a new shower column surprisingly new by design, materials and technology, respecting the original pluming as in points of enter and discharge of the water. After having chosen to use carbon fibre, the designer - valued the difficulty of creating a 3D prototype also with the highest technology like five axis CNC - has shaped with his own hands the model in polyuretanic UREOL giving it a soft and sinuous line, totally asymmetric. It can be used freestanding on the floor, or on wall with a semi-column. Dimensions of maximum usage: 55 x 51 cm, height 230 cm. ■

Foto: Cantieri Riva SpA-Ferretti group Company

Design

A2A Engineering Ltd

di Luca Zavaglia

Creatività tecnica

Il ritrovamento di un vecchio tavolino in vetroresina, realizzato negli anni Settanta, diventa l’occasione per una serie di riflessioni sulla progettazione degli oggetti di design in composito.

ualche tempo fa mia moglie mi coinvolse nella fase pratica del suo nuovo passatempo da spendersi nei rari momenti liberi dagli impegni familiari: la caccia ad autentici pezzi di design vintage. Il safari, quel giorno, fu organizzato nella selva impenetrabile di un vecchio magazzino impolverato di non so più quale suo lontano parente. Fu caccia grossa. Nel ruolo di portatore a me gentilmente riservato, non potei oppormi nella selezione degli oggetti che il mio occhio poco esperto e troppo ingegneristico mal giudicava. Così mi toccò estrarre dal magazzino, smontare e poi caricare in macchina un set completo di tavolo e 4 sedie in plastica che di bianco aveva solo più un antico ricordo. Il tavolo fu restaurato e finì con il diventare di un qualche verde Pantone, perfetto per la nostra cucina. Le sedie, pulite, rimasero del loro originale colore in-

giallito, ma accoppiate ad altre, sorelle di forma ma di colore in sintonia al tavolo, provenienti da un mercatino nel sud della Francia. Fui nuovamente investito del ruolo di portatore in occasione del trasporto dei componenti del tavolo, affinché questi potessero attraversare la casa e la testimonianza del design anni 70 concretizzarsi in cucina. Con tutte le precauzioni per evitare di danneggiare il nuovo oggetto e rischiare l’incidente familiare, mi ritrovai ad avvitare i bulloni che fissano le gambe del tavolo quando, senza il minimo preavviso, sentii l’agghiacciante suono della crepa che parte e velocemente si propaga: danno fatto. L’incidente familiare invece fu evitato grazie all’approfondita analisi del corpo del reato ed all’attribuzione della colpa, oltre ogni ragionevole dubbio, al progettista del tavolo e non al sottoscritto.

La fretta dettata dalla necessità impellente di deviare il dito accusatore dallo scrivente nei panni del povero portatore, non mi fece essere proprio onesto: avrei dovuto incolpare la cultura e la consapevolezza (o meglio l’inesperienza) nell’uso dei materiali compositi che era alquanto diffusa negli anni ‘70. Ma veniamo alla crepa ed alle errate scelte progettuali realizzative che 30 anni dopo mi hanno portato a sfiorare l’incidente diplomatico familiare. Il tavolo fu realizzato in vetroresina per donare al manufatto una rigidezza adeguata all’utilizzo. Scelta condivisibile, dal momento che non sarebbe stato possibile raggiungere lo stesso risultato con le sole materie plastiche e senza il ricorso ad inserti lignei o metallici. Da quanto mi fu possibile vedere nella zona di rottura, la tipologia di fibra di vetro riconduce al processo di tipo “taglio e

Compositi

Design

spruzzo”. Quindi, ad un livello qualitativo piuttosto scadente ed a caratteristiche meccaniche del materiale verso i minimi tra i valori ottenibili. Inoltre, la geometria dell’accoppiamento gamba/piano, votata alla semplicità ed alla precisione nel posizionamento, di fatto genera un eccesso di pressione in una zona dove gli spessori furono ridotti dalle esigenze dello stile. Infine, il bullone scelto per il bloccaggio della gamba risulta sproporzionato per rigidezza rispetto all’insieme dell’accoppiamento: avvitando a mano con l’apposita chiave è facile eccedere nella coppia di serraggio e superare la resistenza del materiale nella zona dell’accoppiamento. Non ultimo l’invecchiamento della resina, il probabile invecchiamento e deterioramento delle caratteristiche meccaniche per esposizione agli UV ed assorbimento di umidità. In un condensato stile CSI ecco il perché della crepa. Molti anni sono passati ed oggi lo stesso tavolo sarebbe prodotto con specifiche decisamente differenti. Forse con una maggiore libertà di forma, ma sicuramente con differenti dettagli tecnici atti ad enfatizzare le peculiarità e mitigare i difetti dei materiali compositi. Ebbene sì, questi materiali non portano soltanto un bagaglio di strabiliante leggerezza e robustezza, ma anche un fardello di estrema debolezza nei confronti dei carichi concentrati. Le strabilianti caratteristiche sono il dono delle fibre di rinforzo, mentre la resina necessaria per mantenere l’assieme in forma, purtroppo, ne mitiga il risultato finale. Le forze applicate al materiale, attraver-

Compositi

so la resina si distribuiscono nelle fibre e dentro queste corrono fino a raggiungere i vincoli dove si scaricano. Diventa quindi facile intuire che per sfruttare al meglio i materiali compositi si debba rispettare il concetto di continuità delle fibre all’interno del corpo. È un concetto molto semplificato, ma utile come approccio mentale al processo creativo che si prefigge di sfruttare le qualità intrinseche di questi materiali. La forma al servizio della continuità. In altre parole, l’integrazione dei componenti. Infatti, la progettazione di una struttura in metallo o legno tende a definire una moltitudine di singole parti da collegarsi mediante dettagli tecnici di consolidata affidabilità. Questo processo è così radicato nelle nostre menti che facilmente viene preso come modello per ogni creazione. Del resto anche la nostra mente tende a smontare in elementi semplici ogni complicato problema.

UN DIVERSO APPROCCIO PROGETTUALE L’utilizzo dei materiali compositi richiede, invece, l’approccio inverso: non più la scomposizione dell’oggetto in elementi semplici da giuntare, ma l’integrazione esasperata delle singole componenti in una unica par te multifunzionale. La sfida (che letta positivamente significa grande libertà) nel progettare con i materiali compositi consta nel rimettere in discussione le soluzioni tecniche più consolidate, di annullare la necessità di scomporre l’oggetto. L’invenzione di modi alternativi per fornire la medesima operatività, di nuove vie di utilizzo dell’oggetto, di schemi strutturali innovativi

sono generalmente la soluzione fantasiosa che consente di minimizzare il frazionamento dell’oggetto di design. Così capita che un oggetto progettato per sfruttare appieno i materiali compositi appaia anche sorprendente ed innovativo agli occhi del pubblico. Esempio ne sono le numerose sedute riconducibili al concetto di superficie ondulata: altro non fanno che dare nel modo più efficace possibile continuità alle fibre, evitando scomposizioni e concentrazioni di sollecitazione. Estrema attenzione va riposta proprio nell’evitare concentrazioni anomale delle sollecitazioni interne al materiale ed in particolare forze fuori dal piano. I materiali compositi (almeno quelli che più comunemente si riconducono a tale nome, come la fibra di carbonio unita alla resina epossidica) per loro natura e modalità produttive portano alla realizzazione di manufatti assimilabili a superfici con spessore relativamente sottile. I carichi trasversali a tali superfici, specialmente quelli concentrati, producono sollecitazioni anomale spesso causa di rotture inaspettate. Vediamo qualche esempio per chiarire: una superficie ripiegata per realizzare una seduta sopporta bene il peso di una persona perché la superficie di contatto è ampia e quindi il carico distribuito. Mal sopporterebbe invece il contatto con il pavimento realizzato con piedini di piccole dimensioni. La sola caduta di un oggetto appuntito e rigido potrebbe causare un danno interno ed invisibile ad occhio che può compromettere la sua integrità strutturale. A testimonianza di quanto detto, si consideri che le strutture composite in

Creatività tecnica campo aeronautico vengono verificate introducendo un coefficiente riduttivo legato proprio al danneggiamento dovuto al probabile urto accidentale con un utensile (cacciavite o pinza, per esempio) durante le fasi realizzative. Per fortuna, a servizio dell’inventiva nelle forme, accorre la facilità con cui è possibile particolareggiare la resistenza del materiale nelle varie zone dell’oggetto: i materiali compositi sono generalmente stratificati per apposizione successiva di lamine. Nelle prime fasi del processo gli strati sono drappeggiabili e quindi vengono adagiati sugli stampi per assumere la forma desiderata prima di essere induriti nelle fasi finali della produzione. Semplificando, si potrebbe dire che, aumentando il numero degli strati, si possono aumentare le caratteristiche di resistenza e rigidezza locale del materiale, senza intaccare la forma definita dallo stampo. Come dire

che a cose fatte è comunque ancora possibile correggere il comportamento del prodotto e risolvere alcuni difetti senza rischiare di vanificare gli investimenti in ricerca del design e realizzazione delle attrezzature di produzione. Quale periodo fortunato per i designer: il materiale con uno dei più alti appeal è proprio quello che concede la maggiore libertà di forma e che richiede fantasia

ed inventiva per poter essere sfruttato al meglio. L’esatto opposto per i tecnici e gli ingegneri: la complicazione progettuale, la difficoltà nella modellazione numerica, il moltiplicarsi delle variabili e non ultimo la frequente mancanza di riferimenti ed esperienze nello specifico si traducono in terribili rompicapo ed in discussioni senza fine. Ma questa è tutta un’altra storia. ■

ANTEPRIMA JEC 2013 3$5O6 s 0$5&+ O O O O 3 $5O6 s 0$5&+ O O O O Porte P orte de V Versailles ersaillees

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Automotive A utomotive

Aeronautics A eronautics

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Sustainability Su stainability

Biocomposites Bi ocomposites

Thermoplastics T hermoplastics

Bio bbased Bio ased m materials aterials aand nd solutions solutions ready ready ttoo be used

A keen keen int interest erest ffor or well well adapted adapted ssystems ystems

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DASSAULT SYSTĂ&#x2C6;MES â&#x20AC;&#x201C; STAND N58

Turbine eoliche sostenibili con lâ&#x20AC;&#x2122;esperienza in 3D Per rispondere alla forte domanda di turbine eoliche nellâ&#x20AC;&#x2122;attuale fase di espansione della produzione di energia eolica, le aziende produttrici devono gestire pressioni crescenti per ridurre i costi di sviluppo delle turbine. La soluzione 3DExperience Sustainable Wind Turbines di Dassault SystĂ¨mes aiuta queste aziende a fare innovazione e a ottimizzare i costi, riducendo gli sprechi, accorciando il time-to-market e migliorando la qualitĂ . Soluzioni complete per lo sviluppo, lâ&#x20AC;&#x2122;analisi e la produzione di pale in materiale composito, sviluppo di controlli avanzati, modellazione logica e fisica a livello di sistemi, tutto questo allâ&#x20AC;&#x2122;interno di un ambiente unificato su scala mondiale per la gestione del programma di sviluppo dei prodotti. In particolare, Sustainable Wind Turbines fornisce una soluzione per le pale in materiale composito, dalla progettazione allâ&#x20AC;&#x2122;analisi, dalla fabbricazione al controllo di qualitĂ in produzione. La dimensione â&#x20AC;&#x153;socialâ&#x20AC;? di questa soluzione 3DExperience consentirĂ di snellire la comunicazione e la collaborazione fra tutti gli attori coinvolti, dai dipendenti, ai fornitori, ai clienti, promovendo lâ&#x20AC;&#x2122;innovazione e la competitivitĂ . Courtesy Dassault SystĂ¨mes

Design De sign

ANTEPRIMA JEC 2013 AIRTECH – STAND M64

Prodotti innovativi Prosegue per Airtech lo sviluppo di prodotti e servizi innovativi che presenterà al JEC 2013.

PICCOLI PRODOTTI PER L’INFUSIONE

Fig. 3

I connettori per infusione di resina con base piatta VAC-RIC LT e VAC-RIC HT garantiscono un’efficiente connessione attraverso il sacco a vuoto per le linee del vuoto e di immissione della resina. Disponibili per applicazioni a bassa (LT) e alta (HT) temperatura, sono stati progettati per essere posizionati su Resintrac, Vactrac o Dahlpac MC79. Il Resin Infusion Adapter (RIA) è uno strumento pratico, che assicura il collegamento tra il tubo di ingresso

resina (o la linea del vuoto) a tutti i connettori di infusione di resina (RIC). La punta perfora facilmente il sacco a vuoto Fig. 2

Fig. 1

posto sulla par te superiore del RIC, eliminando l’esigenza di forbici (fig. 1). SIL-TUBE è un tubo flessibile resistente al calore e agli agenti chimici, adatto per applicazioni in infusione di resina sia a temperatura ambiente che ad alta, dove può essere usato sia come canale del vuoto che di immissione della resina (fig. 2). Due tipi di piccole fascette regolabili possono essere utilizzati per una migliore regolazione o per interrompere il flusso di aria o di resina attraverso il tubo (fig. 3).

NASTRI SIGILLANTI La serie di nastri sigillanti Airseal è disponibile in nuove versioni: • Airseal 2 ST, conveniente, con for te adesione che garantisce eccellente ed immediata adesione alle super fici per applicazioni di sacco a vuoto fino a 150°C • Airseal 2 HT Twin, ideale per applicazioni di sacco a vuoto che richiedono doppio sacco a vuoto. L’applicazione simultanea di due strisce di nastro sigillante riduece i tempi, gli sforzi,e aumenta l’affidabilità del processo.

Fig. 4

NASTRI ADESIVI Fig. 5

• Flashbreaker® PS1 è un nastro in poliestere rivestito con un adesivo siliconico. Resistente alle alte temperature, presenta un’elevata resistenza meccanica alla trazione. È consigliato per cicli in forno ed autoclave fino a 204 °C. Trova diverse applicazioni nei processi di incollaggio di metalli e compositi, come trattenere in posiFig. 6 zione i materiali per il sacco a vuoto o i fili delle termocoppie, operazioni di mascheratura, protezione durante i processi di fresatura chimica o nelle fasi di rivettatura (fig. 5) • Teflease MG2 Orange è una pellicola di PTFE estruso, rivestita con un adesivo siliconico

resistente alle alte temperature, che a confronto con pellicole di PTFE standard garantisce migliori capacità di adattamento alle superfici • Flashbreaker® CBS è un nastro adesivo in poliestere rivestito con un adesivo siliconico. Resistente ad alte temperature, presenta un’elevata resistenza meccanica alla trazione. Utilizzo consigliato per cicli in forno ed autoclave fino a 204 °C. È stato sviluppato per trattenere in posizione stampi secondari, materiali per il sacco a vuoto, peel plies, film distaccanti, aeratori durante processi ad alta temperatura o lavorazioni generiche (fig. 6).

Compositi

ANTEPRIMA JEC 2013 DOW – STAND P14

HUNTSMAN – STAND G65

Nuova generazione di materiali

Su l’asticella per i materiali compositi In occasione di JEC Europe, Huntsman Advanced Materials esporrà i suoi materiali più recenti, mettendo in luce l’importanza dell’ottimizzazione delle proprietà meccaniche dei compositi per promuovere lavorazioni più rapide e incrementare le prestazioni dei prodotti realizzati. Tra questi, il sistema Araldite® per lo stampaggio RTM ad alta pressione (HP-RTM) che, grazie ad un ciclo di produzione di cinque minuti, permette di ottenere un risparmio di tempo pari al 30% rispetto alla prima generazione di sistemi HP-RTM. La società presenterà anche altre resine epossidiche a indurimento rapido, tra cui quelle per compression molding e i sistemi epossidici espandibili. Verranno infine presentate le soluzioni per filament winding, un processo particolarmente vantaggioso per la realizzazione di recipienti a pressione. Inoltre, sarà possibile vedere anche le resine epossidiche indurenti ed acceleranti in grado di conferire una maggiore resistenza termica ai formulatori di sistemi. Tactix® 742 e Tactix® 556 presentano, rispettivamente, le temperature più elevate di transizione vetrosa e la minore sensibilità all’acqua tra tutte le resine epossidiche attualmente in commercio. Uno degli adesivi in esposizione è Araldite® AW 4859 / Indurente HW 4859, un adesivo epossidico ideale per fissare strutture esposte a temperature superiori a 80 °C.

Al JEC DOW Chemical presenterà le nuove soluzioni Voraforce™ Composite Systems per compositi con prestazioni meccaniche, leggerezza e durabilità più elevate per il settore delle costruzioni, infrastruttura, trasporto, eolico e svariati altri campi di applicazione. Oltre a manufatti in composito realizzati con i nuovi sistemi poliuretanici Voraforce™ TP per il processo di pultrusione di compositi, l’azienda presenterà: • l’ultima generazione di infusion technology per pale eoliche • innovativi pannelli cur vi in composito per involucri architettonici realizzati con VORAFORCE™ TF epoxy systems • la prossima generazione di resine fast cure RTM per automotive composites • serbatoi per LPG e CNG interamente in composito certificati dai produttori con le soluzioni ottimizzate di DOW VORAFORCE™ TW per i processi di filament winding • l’innovativo chiusino portante in composito KIO™ con DOW VORAFORCE™ KN system, realizzato dall’azienda bresciana Industrie Polieco MBP, e che soddisfa i requisiti della EN 124, pur mantenendo un’elevata leggerezza rispetto ai chiusini portanti in ghisa. Con molti altri vantaggi, tra cui il disincentivo al furto. In par ticolare la divisione Thermoset Systems di DOW negli ultimi anni si sta concentrando sullo sviluppo di soluzioni composite per varie applicazioni industriali, con l’obiettivo di far crescere anche l’utilizzo dei sistemi poliuretanici, oggi ancora estremamente limitato. Allo scopo di ampliare la conoscenza delle fibre di carbonio, DOW invita anche i visitatori a fermarsi allo stand della nuova JV DOW Aksa.

Novità nel poliuretano

IMPIANTI OMS - STAND X13

Impianti OMS S.p.A, azienda che opera nella produzione di macchine schiumatrici e di impianti completi ”chiavi in mano” per l’industria del poliuretano, presenterà al JEC Europe le ultime tecnologie relative alle linee di produzione di pannelli isolanti con rivestimenti flessibili o rigidi con l’impiego di materiali isolanti in schiume PUR/PIR, fenoliche e lana di roccia. Verranno illustrate anche le innovazioni per gli impianti per blocco in continuo e discontinuo, elastomeri, guarnizioni, per settore dei frigoriferi, automobilistico e per pannelli solari. In questi ultimi anni l’azienda ha fornito diverse macchine dosatrici dedicate all’isolamento delle tubazioni nel settore petrolifero con schiume poliuretaniche rinforzate con sfere di vetro (GSPU) ed equipaggiate con pompe speciali per consentire la lavorazione delle formulazioni sintattiche contenenti microsfere polimeriche o ceramiche.

Compositi

ANTEPRIMA JEC 2013 MAGNABOSCO – STAND K25

Autoclavi su misura In occasione di JEC Europe, la Magnabosco presenterà la serie di autoclavi per materiali compositi. Sono autoclavi su misura pronte o con brevi termini di consegna. Sistemi di controllo semplicissimi ed intuitivi, innovazione, bassi consumi e flessibilità caratterizzano la Magnabosco nei vari campi di lavorazione dei materiali compositi. Macchine versatili, che possono eseguire diversi tipi di lavorazione, cambiando temperature, pressioni, tempi e programmazione con estrema facilità, grazie a sistemi di riscaldamento, di gestione dell’uniformità della temperatura e della pressurazione e del sistema vuoto frutti di anni di studi e ricerche. Tutte le funzioni dell’autoclave sono comandate da PLC grafico di ultima generazione (a richiesta con PC Touch Screen di supervisione) ed ogni macchina viene

costruita su misura per il cliente, discutendo assieme le problematiche relative alla sua produzione. Particolare cura è stata rivolta alla scelta dei componenti, di alta qualità e facilmente reperibili ovunque, e alla costruzione del carrello por ta-materiali, in modo che si possano eseguire i test del vuoto a carrello esterno, permettendo così di rilevare eventuali perdite prima di immettere il materiale in autoclave, senza il bisogno di entrare nella macchina e senza danneggiare i bag. Per risparmiare energia Magnabosco ha adottato un particolare isolamento interno che occupa pochissimo spazio, il quale permette di avere, oltre ai risparmi energetici, un’ottima velocità di riscaldamento e raffreddamento. L’azienda è specializzata anche nella costruzione di piccole autoclavi per labora-

tori e università per test, studi e ricerche specialistiche. Realizza quindi autoclavi che vanno da un diametro da 500 a 5000 mm e lunghezza da 300 mm a 72 m, in versione orizzontale, verticale e mobili. Queste ultime sono autoclavi che durante il carico sono orizzontali e che poi, per esigenze di produzione, si mettono automaticamente in verticale per il ciclo di polimerizzazione. Terminato il ciclo, ritornano in orizzontale per lo scarico.

NETZSCH - STAND N64

Analisi dielettrica per il controllo della reticolazione Il nuovo Analizzatore Dielettrico DEA 288 Epsilon della NETZSCH Analisi & Prove (fig.1) permette di studiare la reticolazione di resine termoindurenti e di materiali compositi sia in laboratorio sia direttamente nel processo industriale (misure in-situ). Infatti, l’alta velocità di acquisizione dati consente misure multifrequenza e multicanale in simultanea, anche su resine a rapido indurimento. La figura 2 riporta la curva di reticolazione di una resina epossidica, iniettata in presenza di strati in fibra di carbonio, durante un processo RTM (Resin Transfer Moulding). Il test è stato condotto alla frequenza di 10 Hz, con un sensore riutilizzabile TMS (Tool Mounted Sensor) posto dentro uno stampo mantenuto a 80°C. All’inizio la viscosità ionica decresce per effetto dell’aumento di temperatura, raggiungendo un valore minimo che determina il flusso ottimale di resina utile affinché questa penetri completamente nella fibra. Quando s’innesca la reticolazione, la viscosità aumenta di oltre quattro ordini di grandezza. La pendenza della curva è legata all’alta reattività della resina. Dopo 258 secondi si registra un secondo evento di reticolazione. Dopo circa 300 secondi la curva raggiunge il plateau, indicando che il processo è in pratica completo e che il pezzo può essere rimosso dallo stampo.

Fig. 1

Fig. 2

Compositi

ANTEPRIMA JEC 2013

ZUND – STAND G23

Rilanciata la sfida del taglio dei compositi Plotter da taglio multifunzione Zund S3

Zund presenterà a JEC Europe la sua vasta gamma di sistemi di taglio digitale per i compositi. A partire dalla serie di plotter G3 per le lavorazioni di medio e grande formato, fino all’innovativa S3 per le produzioni di piccola taglia, che oltre a non richiedere praticamente nessuna manutenzione, si caratterizza per l‘impiego di motori lineari ad elevata accelerazione. Estremamente veloci e produttivi, multifunzionali e versatili, i sistemi Zund, grazie all’esclusiva testa multiutensile permettono di effettuare differenti lavorazioni in contemporanea o passare in pochi istanti da un’operazione all’altra come, il taglio unidirezionale della fibra di carbonio con lama tangenziale fissa per procedere, dopo pochi minuti, con il taglio di honeycomb con lama oscillante.

Capaci di produrre in modo rapido, preciso ed efficace piccoli/medi quantitativi di componenti in plastica, materiali preimpregnati, sandwich, tessuti naturali e sintetici, schiume e foil in alluminio, tali soluzioni esprimono il massimo potenziale nella lavorazione di materiali difficili come i compositi: dalla fibra di carbonio a quella di vetro. La versatilità e l’adattabilità ai più disparati contesti produttivi di tipo industriale è garantita anche dalla vasta scelta di formati, a par tire dal più compatto 1330x800 mm fino al formato 3200x3200 mm, ulteriormente espandibile grazie alle prolunghe opzionali. La tecnologia Zund per l’industria dei compositi è commercializzata in Italia da ZundLAB. ■

3A COMPOSITES CORE MATERIALS - STAND N32

Tailored solutions Well-known brands AIREX® and BALTEK® will tune their broad range of core materials with their new technology called SealPer f. Both AIREX® T90 and T92 will be available with this new technology consisting of thermally sealed holes arranged in a regular square pattern. Excellent resin flow is guaranteed by the smooth hole sur face and the assurance that holes cannot be blocked by any saw dust. Contrar y to drilled holes this new and ver y cost efficient technology can be applied to all sheet thicknesses without limitations. Furthermore, with the new BALTEK® Banova the company sets a milestone for new Balsa based materials. The newly developed balsa production technology is veneer-based and allows Banova products to be used both as core materials and as stand-alone panels. While product homogeneity and possible customized fibre orientation are the key USPs for the Banova core materials, the extreme lightweight are the drivers behind Banova stand-alone panels where is offers weight reductions of 50-70% compared to conventional plywood solutions.

Compositi

3A Composites will further strengthen their strategy of market orientation which will be strikingly visible in their JEC 2013 Europe appearance. The company stresses their dedication to the ‘total cost of ownership’ for the benefit of their partners along the supply chain.

Mapei

THE PALMS

shopping centre he Palms è un grande centro commerciale situato nella zona orientale di Christchurch, nell’Isola del Sud della Nuova Zelanda. Il complesso è stato interessato da alcuni eventi sismici a inizio 2012, che hanno danneggiato molte colonne in calcestruzzo. Per questo è stato necessario eseguire un intervento di recupero in tempi rapidi. Dapprima è stata rimossa parte dello spessore delle colonne per garantire una superficie solida e intatta. Tutti i ferri di armatura che sono stati scoperti a causa del terremoto sono stati trattati con due strati di Mapefer 1K. Intorno alle colonne sono state poi erette delle armature per permettere l’applicazione della malta fibrorinforzata a ritiro compensato Ma-

pegrout Colabile, a cui era stato aggiunto l’additivo stagionante Mapecure SRA, per assicurare una superficie di calcestruzzo senza fessurazioni. Dopo la stagionatura le superfici sono state levigate e trattate con Mapewrap Primer 1 SP, distribuito sul mercato locale e neozelandese da Mapei New Zealand. Con Adesilex PG1 sono state riempite le fessurazioni presenti prima dell’applicazione di due strati del tessuto unidirezionale in fibra di carbonio Mapewrap C UNI AX impregnato con l’adesivo Mapewrap 31 SP. Circa 300 colonne sono state risanate con questo sistema consentendo la realizzazione di finiture particolari sulle superfici, come quella di cornici in legno incollate sulle colonne con Mapeflex PU 45, e la fine dei lavori nel settembre del 2012. ■

Nuova Sguassero

A NEW COMPANY new company, called Nuova Sguassero Srl, has been started to manufacture fibreglass piping. She hired the know-how, people and plants from an existing GRP manufacturer, N. Sguassero SpA, to supply the same materials with the same quality and characteristics. This manufacturer, being on the market since more than 50 years, acquired a vast technological knowledge and reached a high level of know-how. The products consist of pipes, fittings, vessels, and special pieces made of Fibreglass and reinforced Thermoplastics. Pipes and vessels are produced by “Filament Winding system”, fittings and special pieces by “Hand Lay Up” system, conform to AWWA, ASTM, BS, EN, UNI or DIN standards. Sectors: • industry: process and service • civil Works: drainage, sewers, aqueducts, irrigation, fire fighting • power Generation: cooling and pro-

cess water, F.G.D. • marine: water ballast, cargo, bilge, tank cleaning, ventilation and other services. Characteristics: • corrosion and abrasion resistance • insensitiveness to stray currents • no toxicity • high mechanical characteristics and good elasticity • quick and efficient mechanical joints • lightness and easy installation. Supply: • certified products • engineering • testing • assistance • estimations. With a quality system certified since 1997 according to UNI EN ISO 9001 standard, the company pursues the principles of total quality and continuous innovation, being conscious that customer and staff satisfaction are essential for a durable success.

Compositi

MSC Software Simulating Reality, Delivering Certainty

digimat La soluzione innovativa per sviluppare componenti in composito, ottimizzati in modo veloce, economico ed evoluto, integrando la modellazione avanzata dei materiali complessi dalla simulazione di processo alla verifica strutturale! MSC Software ha recentemente acquisito l’azienda leader nella simulazione multi-scala di materiali avanzati: e-Xstream.

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e-Xstream, grazie al suo prodotto di punta Digimat, è oggi il punto di

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riferimento per la simulazione di materiali nei diversi settori industriali.

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Digimat consente di progettare materiali innovativi e ottimizzarne l’uso migliorando le prestazioni del prodotto. Digimat si integra con le soluzioni FEM avanzate permettendo di: • Modellare il comportamento di materiali non-lineari, anisotropi, con caratteristiche dipendenti dalla deformazione e della temperatura. • Migliorare l’accuratezza delle analisi FEA non-lineari su strutture composite tenendo conto dell’incidenza del processo di produzione delle parti (orientamento delle fibre, temperatura, punti di iniezione o delle linee di saldatura).

Products/CAE-Tools/Digimat.aspx oppure scrivi a info.it@mscsoftware.com

2013 Users Conferences

50 years of innovation A new era begins La bellezza della location, l’entusiasmo e le competenze dello staff MSC e la partecipazione attiva di partner e clienti saranno gli ingredienti principali per assicurare il successo di questo evento unico. Il secondo giorno si terrà presso il Belvedere di San Leucio, località patrimonio Unesco, con un’agenda dai contenuti più tecnici, con presentazioni di casi applicativi e interventi di importanti clienti. ■ Per maggiori informazioni sull’evento o per registrare la propria partecipazione, è possibile visitare il sito web: http://www.mscsoftware.com/ 50Years/index.html.

febbraio MSC Software ha raggiunto una tappa fondamentale: ha compiuto mezzo secolo di attività nel campo della simulazione ingegneristica, confermando la propria leadership nel settore CAE. Negli anni Sessanta, la NASA sviluppò un codice di analisi strutturale per la progettazione del razzo Saturn e della capsula Apollo. Costituita nel 1963, MSC Software venne scelta dalla NASA per continuare lo sviluppo e commercializzare il software di calcolo Nastran (NASA Structural Analysis). Nel corso degli anni, MSC ha arricchito la sua gamma di prodotti attraverso acquisizioni e sviluppo di nuove tecnologie. Gli ultimi due anni sono stati segnati da due importanti acquisizioni: Free Field Technologies ed e-Xstream che vanno a completare la gamma di prodotti disponibili. Con i nuovi software, nuovi progressi nella tecnologia e un nuovo slancio di ispirazione, MSC continua la propria missione: aiutare gli ingegneri in tutto il

mondo a progettare, sviluppare e analizzare i loro prodotti con sicurezza. MSC Software celebra questo importante anniversario nel corso delle sue conferenze internazionali. In Italia l’evento si terrà il 22-23 maggio a Caserta e sarà allo stesso tempo un'occasione di festa e una conferenza scientifica con presentazioni di alto livello. Il primo giorno si terrà presso la prestigiosa sede della Reggia di Caserta e prevede la partecipazione del CEO, Dominic Gallello, che illustrerà la strategia di sviluppo dell’azienda. Oltre a celebrare i 50 anni di MSC, verranno presentate le novità dei prodotti e la visione di MSC sul futuro della simulazione. “Come festeggiare questo evento, se non insieme ai nostri clienti? La stretta collaborazione con gli utenti è stata il nostro punto di forza negli anni e ha favorito la longevità di MSC.” - commenta Gallello - “Con l’occasione del nostro 50° anniversario, i nostri clienti possono aspettarsi qualcosa di speciale”.

MSC Software

MSC Software fa parte delle “10 Original Software Companies” ed è specializzata nella fornitura di soluzioni multidisciplinari. Come partner di fiducia, aiuta le aziende a migliorare la qualità, risparmiando tempo e costi relativi alla progettazione e diminuendo i test fisici sui prodotti. Istituzioni accademiche, ricercatori e studenti utilizzano la tecnologia di MSC per ampliare le proprie conoscenze individuali e per espandere l'orizzonte della simulazione. MSC Software impiega oltre 1.000 professionisti in 20 paesi. Per ulteriori informazioni sui software e servizi di MSC: www.mscsoftware.com.

Compositi

Seatec-Compotec 2013

Visitatori in aumento isultato positivo per 11a edizione di Seatec-Compotec svoltasi a CarraraFiere dal 6 all’8 febbraio assieme a YARE. A fronte di un consolidamento del numero degli espositori, 441 (dei quali 180 stranieri) per Seatec-Compotec e 31 (5 stranieri) per YARE, la rassegna ha registrato 7.672 visitatori (5% stranieri), un +8% rispetto all’edizione del 2012. Un salone dal quale è emersa la vivacità degli espositori, sia di quelli che operano nel settore tecnologie, forniture e design per imbarcazioni yacht e navi (Seatec), sia delle aziende specializzate nel campo dei materiali compositi (Compotec), sia per l’area refitting e servizi post vendita (YARE). “È un risultato soddisfacente - dice Paris Mazzanti, direttore di CarraraFiere - perché segnala le capacità di reazione delle aziende che operano in un settore che conosce serie difficoltà e che si sta riposizionando soprattutto nell’after sale e del refitting. Importanti delegazioni di operatori esteri selezionati e di capitani di yacht hanno partecipato a incontri diretti con le aziende specializzate, grazie al lavoro di ICE, Toscana Promozione, Lucca Promos e camera di Commercio di Lucca in collaborazione con CarraraFiere”. I gruppi ufficiali stranieri sono stati supportati con visite nelle aziende e incon-

Compositi

tri in fiera. Nello spazio coordinato dall’ICE (Agenzia per la promozione all’estero e l’internazionalizzazione delle imprese italiane) si sono svolti incontri business-to-business che hanno visto protagonisti circa settanta operatori esteri. Anche per gli espositori e i visitatori di YARE sono state predisposte visite e incontri B2B grazie al lavoro di Lucca Promos in collaborazione con Unioncamere e NAVIGO. Tra i punti di forza di Seatec e Compotec le tante iniziative ed eventi collaterali che hanno interessato gli aspetti tecnici, attraverso convegni dedicati, workshop organizzati sia dalle aziende sia da enti, istituti di formazione e associazioni di categoria che hanno affrontato argomenti di attualità: refitting in campo nautico, sostenibilità ambientale, formazione, sicurezza, analisi dei trend economici, dimostrazioni dei processi produttivi con l’utilizzo dei compositi, tecnologie innovative di propulsione, procedure nella saldatura, linee guida OCSE, navigazione e meteorologia marina. Nell’ambito di Compotec da segnalare il workshop Impatto ambientale dei compositi: recenti sviluppi e normativa dedicato al riciclo dei compositi a livello nazionale e internazionale. Il seminario, organizzato da Assocompositi in collaborazione con Compositi Magazine, ha riscosso succes-

so. Tra i contributi più significativi quello di Volker Fritz, Presidente di EuCIA, che ha illustrato le ultime novità sulla normativa e legislazione europea. Altri interventi sono stati: Prospettive di sostenibilità nella nautica: soluzioni per design for disassembling e impatto ambientale (A. Ratti, Politecnico di Milano); Give composites a complete lifecycle (G. Bonaiti, Rivierasca); DSM: innovazioni dedicate alla sostenibilità (R. Fontana, Euroresins Group); Eco-compositi: il futuro è nelle fibre di lino (F. Doria, Mascherpa). Un altro convegno sui materiali compositi è stato “Design e Materiali Compositi: lo stato dell’arte“ a cura di Decio Carugati e CarraraFiere, con il contributo di autorevoli esponenti del design. Assomotoracing ha affrontato il tema dei compositi ecosostenibili e delle fibre, POLITO “Progetto di Strutture sottili in materiale composito avanzato: aspetti teorici, sperimentali e della produzione“, AICO ha organizzato una serie di eventi sui compositi per l’edilizia, CETMA “Soluzioni out of autoclave per il settore dei compositi“, Università di Perugia ha presentato l’attività di ricerca del Gruppo STM, Centro Materiali Compositi ha trattato l’utilizzo dei compositi FRP/SRG nel settore civile e Veneto Nanotech ha proposto nanotecnologie per la nautica. ■