Compositi N° 29 settembre 2013

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anno VIII - numero 29

settembre 2013

In caso di terremoto...

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10-09-2007

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e

Prof. Roberto Frassine Presidente Assocompositi

editoriale

The European industry is moving towards new fields of application of composites with an overwhelming rate. The new frontier is Leipzig, the city where a new plant produces the BMW i3 and i8 electric models. The factory, powered by four wind turbines 140 meters tall, is completely energy selfsufficient and produces its own carbon fibers required for the production of the safety cells for passengers. BMW has plans to produce 10,000 cars of i3 and 2000 of i8: never an automotive company had staked so much on innovation, with a commitment to technology that closely resembles that of the Boeing 787 Dreamliner. But here it comes to mass production! And the Germans are not alone: ??the UK government has invested considerable capital in 2011 in their new National Composites Centre in Bristol, which is producing very interesting results.

And Italy? Our country, as usual, although possessing considerable excellence in many fields of science and technology is not able to cooperate at the national level and therefore must necessarily follow the trends.

Another major missed opportunity, in fact.

We hope that our industry wants to invest at least the (few) resources available to keep up with the innovation of technology. Our Association will do its part to help with initiatives and seminars to circulate information and monitoring technical and regulatory developments in a sector that promises to be dynamic, with forecasts annual growth in double digits.

L'industria europea si sta muovendo verso nuovi settori applicativi dei compositi con un ritmo travolgente. La nuova frontiera è Lipsia, la città sede del nuovo stabilimento Bmw dove vengono prodotti i modelli elettrici i3 e i8. ɱ La fabbrica, alimentata da quattro turbine eoliche alte 140 metri, è completamente autosufficiente dal punto di vista energetico e produce da sé le fibre di carbonio necessarie per la produzione delle celle di sicurezza dell’abitacolo. Bmw ha in programma di produrre per il 2013 10 mila vetture i3 e 2 mila i8: mai una società automobilistica aveva puntato tanto sull’innovazione, con un impegno tecnologico che ricorda da vicino quello di Boeing per il 787 Dreamliner. Ma qui si tratta di produzione di grande serie! ɱ E i tedeschi non sono soli: il governo della Gran Bretagna ha investito nel 2011 un capitale considerevole nel nuovo National Composites Center di Bristol, che sta producendo risultati molto interessanti.

E l’Italia? Il nostro Paese, come di consueto, pur possedendo notevoli eccellenze in molti campi della scienza e della tecnologia non riesce a “fare sistema” e quindi necessariamente deve seguire le tendenze senza poterle imporre. Un’altra impor tante occasione persa, insomma.

Ci auguriamo che la nostra industria voglia almeno investire le (poche) risorse disponibili per stare al passo con l’innovazione della tecnica. La nostra Associazione farà la sua par te per contribuire con iniziative e seminari a fare circolare le informazioni e a monitorare gli sviluppi tecnici e normativi in un settore che si annuncia dinamico, con previsioni di crescita annuale a due cifre.

editoriale

New frontiers for European industry: and Italy?

Nuove frontiere per l’industria europea: e l’Italia?

Compositi

3

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Sommario 14

RICERCA

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Settembre 2013 September 2013

Laminati più resistenti con il nanostiching Nanostiching for more resistant laminates

Periodicità trimestrale Quarterly review abbonamento Italia abbonamento Estero una copia

Mario Pierobon, Camilla Carraro

PROGETTAZIONE VITA ASSOCIAZIONE

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I compositi in alta quota Composite materials at high altitudes Luca Olivari

NORME

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Luigi Ascione, Carlo Poggi, Marco Savoia

SPECIALE EDILIZIA

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STUDIO

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Invecchiamento termico di CFRP Thermal aging of CFRP

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

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Sergio Segreto, Gianmario Rossi, Alessio Luschi, Tomasz Sterzynski, Janusz Krasucki

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

Metodo ad ultrasuoni per le grinze interne Ultrasonic method for detection and characterization of internal wrinkles A. Ciliberto, C. Incarnato, G. Maione

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INTERVISTA

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Le nuove vie della globalizzazione A colloquio con Stefano Maria Profeti

SPECIALE MACCHINE E ATTREZZATURE

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

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La qualificazione degli FRCM Qualification of FRCMs

AERONAUTICA

Anno VIII – Numero 29 Year VIII – Issue 29

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Comitato Tecnico - Scientifico Technical Scientific Committee Luigi Ascione Andrea Benedetti Roberto Frassine Alfonso Maffezzoli Orazio Manni Mario Marchetti Claudio Migliaresi Carlo Poggi Marino Quaresimin Andrea Ratti Giuseppe Sala Antonino Valenza Maurizio Vedani A questo numero hanno collaborato Contributors Luigi Ascione Camilla Carraro A. Ciliberto R. Di Sante L. Donati C. Incarnato Janusz Krasucki Alessio Luschi G. Maione Mario Pierobon Carlo Poggi Stefano Maria Profeti P. Proli Luca Olivari Marco Savoia Sergio Segreto Gianmario Rossi Tomasz Sterzynski E. Troiani

Compositi

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Intervento

Adeguamento sismico dei fabbricati con rinforzo nodi trave-­‐pilastro a mezzo di tessuti in carbonio C-­‐Sheet 240/300 unidirezionale e C-­‐SHEET 240/380 Q quadriassiale

Anno

2010

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Consolidamento strutturale con materiali compositi: resistenza e duttilità senza aumento di peso.

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CALENDARIO PROSSIMI EVENTI 2013 FIERE ■

LightMAT2013

3-5 settembre, Bremen (Germania) ■

Assocompositi a Torino con i big dell’aerospace Dal 23 al 24 ottobre prossimi Assocompositi prenderà parte presso il Lingotto di Torino all’evento privato Aerospace & Defense Meetings, business convention internazionale privata per l’industria aerospaziale e della difesa in Italia. Il programma della manifestazione prevede incontri b2b, eventi collaterali, workshops, sessioni sulla politica in materia di acquisiti e della subfornitura, seminari sull’innovazione e conferenze di alto spessore inerenti tematiche di rilievo per il settore aerospaziale. Tra i partecipanti segnaliamo aziende del calibro di Avic, Boeing, Casic, Embraer,

Composites Europe 2013 Dal 17 al 19 settembre presso la Fiera di Stoccarda vi aspettiamo nel nostro stand (Pad.6 n.C/02) situato all’interno del Padiglione italiano coordinato da Assocompositi. Composites Europe costituisce un’importante opportunità per entrare in contatto con nuove imprese internazionali e per promuovere le attività della nostra Associazione.

COMPOSITES EUROPE 2013

17-19 settembre, Stoccarda (Germania) ■

General Electric, Saab, oltre ai principali gruppi italiani come Alenia Aermacchi, Avio, Thales Alenia Space, Selex Galileo e Microtecnica Goodrich. Gli organizzatori hanno riservato ai nostri Soci una vantaggiosa proposta di partecipazione che prevede un pacchetto al costo estremamente scontato di 2.500 € da dividere al massimo tra 5 aziende comprensivo di uno spazio comune di 12mq con tavoli per incontri B2B e un'agenda di incontri pre-pianificata con i maggiori player del settore. Invitiamo gentilmente i Soci ad inviare eventuali adesioni alla nostra Segreteria entro il 20 settembre.

Turk Kompozit 2013

3-5 ottobre, Istanbul (Turchia) ■

Jec Americas

2-4 ottobre Boston (USA) ■

MADE Expo 2013

2-5 ottobre, Milano (Italia) ■

Materialica 2013

15-17 ottobre, Monaco (Germania) ■

SAIE 2013

16-19 ottobre, Bologna (Italia) ■

K 2013

16-23 ottobre, Dusseldorf (Germania)

CONVEGNI&WORKSHOP

Presenti a MADE Expo 2013

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European Alliance for SMC/BMC 2nd Sustainability Conference

Assocompositi, in collaborazione con Compositi Magazine, prende parte con uno stand a MADE Expo 2013 (Fiera Milano-Rho, 2-5 ottobre). Presso il nostro stand sarà disponibile un Quaderno Tecnico gratuito dedicato alle Linee Guida per i compositi a matrici inorganiche (FRCM) per il settore costruzioni e agli aggiornamenti sul DT200 curato dal Prof. Luigi Ascione dell’Università di Salerno.

5-6 settembre, Bruxelles (Belgio) ■

International Workshop “Nanoscale Multilayers 2013”

1-4 ottobre, Madrid (Spagna) ■

Aerospace meetings 2013

23-24 ottobre, Torino (Italia) ■

15° Convegno Nazionale AIPnD

23-26 ottobre, Trieste

RICONFERMATO IL PADIGLIONE ASSOCOMPOSITI A JEC 2014 L’Associazione ha rinnovato la collaborazione con JEC per organizzare il nuovo padiglione italiano all'interno di JEC Europe (Parigi, 11-13 marzo 2014). Come già avvenuto quest’anno, l’area collettiva sarà suddivisa in pod espositivi, occuperà circa 80

●●● News da EuCIA Partnership con Glassfibre Europe

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Lo scorso giugno EuCIA e GlassFibreEurope hanno annunciato la loro collaborazione reciproca nel campo delle materie plastiche rinforzate. Le due Associazioni, rappresentate dal loro rispettivi Presidenti Volker Fritz e Mauro Malanchini, hanno deciso di lavorare insieme al fine di rafforzare la posizio-

mq (con quattro lati aperti per garantire la massima visibilità alle aziende ospitate) e sarà situata nel nuovo padiglione 7.3 in una posizione centrale. Ulteriori informazioni sulle tariffe riservate ai Soci sono disponibili presso la nostra Segreteria.

(Associazione europea dell’industria dei compositi)

ne dei compositi rinforzati in Europa.

Inoltre GlassFibreEurope è ufficialmente nuovo membro di EuCIA.

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Nuovi contatti

EuCIA è stata ricostituita come Associazione no-profit e ha di recente assunto Catherine Gils come nuova General Manager. L’Associazione europea ha ripreso pertanto a pieno ritmo le proprie attività per la tutela e dello sviluppo del mercato europeo dei com-

positi. Il nuovo sito web (www.eucia.eu) sarà riattivato a breve. Per coloro che avessero necessità di entrare in contatto con EuCIA, informiamo che i nuovi contatti sono i seguenti: EuCIA Avenue E. Van Nieuwenhuyse 4 Auderghem - B - 1160 Brussels tel. +32 279227525 /fax.+32 26753935 email: catherine.gils@eucia.eu

Compositi

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Norme

di Luigi Ascione* - Carlo Poggi** - Marco Savoia***

La qualificazione degli FRCM Entro la fine dell’anno, il Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti emanerà le Linee Guida per la qualificazione di compositi rinforzati a matrice inorganica da utilizzare per il consolidamento strutturale di costruzioni esistenti.

Ecco una sintesi dei principali contenuti del documento. tradizione consolidata che la riparazione ed il rafforzamento di costruzioni esistenti di calcestruzzo armato o di muratura sia stata eseguita con materiali innovativi e/o tecniche non convenzionali.

Ne sono esempi i sistemi di rinforzo con elementi di FRP (Fibre-Reinforced Polymer), realizzati con tessuti impregnati in sito o con lamine pultruse, quelli che fanno uso di piastre di acciaio (placcaggio alla Hermite), i ricoprimenti con betoncini armati, spesso del tipo tixotropico ed a ritiro compensato, la precompressione a cavi non aderenti.

Recentemente si stanno diffondendo i compositi FRCM (Fabric-Reinforced Cementitious Matrix).

Tali compositi sono il risultato dell’accoppiamento di reti, realizzate con fibre della stessa natura di quelle presenti negli FRP, o con altre di più recente apparizione sul mercato dei materiali da costruzione, e di una matrice inorganica a base di malta cementizia o di malta bastarda.

Generalmente, le reti di rinforzo sono costituite da fibre allo stato secco; non mancano tuttavia casi di reti realizzate con fibre preimpregnate con resine polimeriche.

Tra le fibre innovative si annoverano quelle di PBO (Poliparafenilenbenzobisoxazolo), di basalto e di acciaio. In quest’ultimo i fili d’acciaio, identificati con la sigla UHTSS, acronimo di Ultra High Tensile Strength Steel, sono messi in opera sotto forma di piccoli trefoli.

I principali motivi che hanno favorito il rapido diffondersi dei sistemi di rinforzo FRCM sono, rispetto agli FRP, una maggiore resistenza alle alte temperature ed

È

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Compositi

una maggiore compatibilità con il supporto, soprattutto nel caso delle murature ed in particolare, con il consenso delle Soprintendenze, di quelle a carattere storico e monumentale. Essi permettono infatti la permeabilità al vapore ed inoltre possono essere applicati su superfici bagnate [1-14].

Gli interventi con FRCM su costruzioni esistenti sono diventati sempre più frequenti, soprattutto per la riparazione di manufatti danneggiati dal terremoto, come le recenti esperienze dell’Abruzzo e dell’Emilia hanno ampiamente dimostrato.

A dispetto però della loro ampia diffusione, il comportamento costitutivo dei compositi FRCM non risulta adeguatamente studiato come pure non lo sono i meccanismi di rottura ed in particolare quello di distacco dal supporto.

Conseguentemente, non esistono a tutt’oggi criteri condivisi per la qualificazione di tali materiali con ovvi problemi di accettazione in cantiere come anche di progetto e collaudo di interventi di riparazione e di rafforzamento così realizzati.

A colmare tale vuoto in Italia è intervenuto il Ministero delle Infrastrutture e dei Traspor ti con l’insediamento di un’apposita commissione incaricata di predisporre una Linea Guida per la Qualificazione ed il Controllo di accettazione di compositi fibrorinforzati a matrice inorganica (FRCM) da utilizzarsi per il consolidamento strutturale di costruzioni esistenti.

Si segnala che l’utilizzo a fini strutturali dei suddetti materiali è previsto al punto 8.6 delle Norme Tecniche sulle Costruzioni attualmente vigenti in Italia (NTC, D.M. 14 gennaio 2008) con le ulteriori

precisazioni di cui al capitolo 12.

Della Commissione fanno parte, insieme con altri esperti del mondo accademico e dello stesso Ministero, gli autori della presente memoria. I lavori della Commissione sono ormai in dirittura di arrivo e la loro conclusione è prevista entro il prossimo autunno.

Scopo di questo articolo è fornire un’anticipazione dei contenuti essenziali della Linea Guida allo scopo di promuovere ulteriormente il necessario coinvolgimento di quanti operano, a vario titolo, nel mondo delle costruzioni.

Un analogo documento è stato da poco licenziato negli USA da parte dell’ICC Evaluation Service [15].

MATERIALI I sistemi di rinforzo FRCM presi in considerazione nella Linea Guida sono costituiti da fasi, legante inorganico e rete di rinforzo, commercializzate da una stessa ditta, chiamata “Fornitore”. Non è consentito l’uso di rinforzi FRCM ottenuti selezionando e combinando fasi disponibili sul mercato ma non commercializzate da uno stesso Fornitore.

Le fibre ed i fili costituenti le reti di rinforzo nonché le malte utilizzate come matrici dei composti FRCM devono essere conformi alle seguenti specifiche tecniche: • fibre: ISO 13002 e UNI EN 13002-2 (fibre di carbonio), UNI 8746, UNI 9409 ed UNI EN 15422 (fibre di vetro e di basalto); UNI EN 13003-1-2-3 (fibre di arammide e di PBO); ISO 16120-1/4 per i fili di acciaio.

• matrice: deve essere conforme alle norme europee UNI EN 998/2 e UNI EN 1504-3.

*Dipartimento di Ingegneria Civile, Università di Salerno - **Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Politecnico di Milano ***Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali, Università di Bologna

Fig.2: Stato limite corrispondente ad una prestabilita apertura media delle fessure

Fig.1: Legame costitutivo

Il legame costitutivo esibito da questi materiali, nel corso di una prova di trazione monoassiale, è generalmente assimilabile ad una spezzata (fig.1) costituita da tre rami consecutivi, corrispondenti nell’ordine allo stadio di campione non fessurato (fase A), in fase di fessurazione (fase B) e fessurato (fase C).

Nell’ambito della fase B la Linea Guida individua convenzionalmente uno stato limite corrispondente ad un prefissato valore dell’apertura media delle fessure esibite dal materiale (fig.2) sulla base di misura adottata nella prova.

Nei casi in cui il ramo corrispondente alla fase non fessurata non sia rilevabile, il modulo di elasticità a trazione del campione in fase di fessurazione può farsi coincidere con il modulo secante in corrispondenza del punto in cui viene attinta lo stato limite ultimo.

Il modulo elastico a trazione del campione fessurato (fase C) coincide con quello del materiale di rinforzo ed ha un interesse unicamente teorico.

Conseguentemente, le proprietà meccaniche desumibili da prove di trazione che la Linea Guida assume a base della qualificazione sono le seguenti: • resistenza limite (convenzionale) a trazione

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• deformazione limite (convenzionale) a trazione • modulo di elasticità a trazione nel campione non fessurato (fase A), se rilevabile • modulo di elasticità a trazione del campione in fase di fessurazione (fase B) • punto di transizione tra le fasi A e B, se rilevabile.

Per convenzione, le tensioni sono riferite all’area del rinforzo secco presente nell’unità di lunghezza del composito, prescindendo cioè dalla presenza della matrice.

QUALIFICAZIONE La Linea Guida richiede una qualificazione del Fornitore ed una qualificazione iniziale dei sistemi di rinforzo FRCM realizzabili con le fasi (matrice inorganica e reti) commercializzate da quest’ultimo.

Per il secondo fine sono previste sia prove di tipo meccanico (prove di trazione e di distacco dal supporto) che prove di accertamento della durabilità ambientale (prove di trazione).

I Fornitori, necessariamente dotati di un sistema di gestione della qualità in coerenza con la norma UNI EN 9001:2008 e certificato da un organismo terzo indi-

pendente, di adeguata competenza ed organizzazione, che operi nel rispetto della norma UNI EN 17021:2006, sono tenuti ad inoltrare al Servizio tecnico Centrale (STC) del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici richiesta di Certificato di Idoneità Tecnica all’Impiego ai sensi del punto 11.1, caso C, delle NTC. Il prodotto può essere immesso sul mercato solo dopo il rilascio del Certificato di Idoneità Tecnica all’Impiego che ha validità massima di 3 anni. Ogni modifica significativa apportata dal Fornitore rispetto a quanto dichiarato e/o previsto nella documentazione di qualificazione deve essere comunicata al STC per la relativa valutazione ed il rilascio di eventuale nulla-osta.

Tutti i prodotti forniti in cantiere devono essere accompagnati da copia del Certificato di Idoneità Tecnica all’Impiego, da cui deve risultare con chiarezza il logo o il marchio del Fornitore. Il riferimento a tale certificato deve essere riportato sul documento di trasporto.

■ ■ Prove di qualificazione di tipo meccanico Il Fornitore, per il tramite di un Laboratorio appositamente incaricato ed in possesso di specifici requisiti elencati

Compositi

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Norme

Fig.3: Prova di trazione

nella Linea Guida, deve ef fettuare prove su campioni di composito FRCM di oppor tune dimensioni realizzati con le fasi commercializzate, secondo tecniche analoghe a quelle usualmente utilizzate in cantiere. I campioni da sottoporre a prova sono sei per ognuno dei tipi commercializzati (eventualmente differenti per natura delle fasi, grammatura della rete di rinforzo, numero di strati di rinforzo, spessore del rinforzo FRCM). Le condizioni di temperatura e pressione alle quali le prove

devono essere effettuate sono quelle standard (20 °C, pressione atmosferica, 50% U.R.).

Sono previste prove normalizzate sia di trazione (fig.3) che di distacco dal supporto del tipo tira-spingi (fig.4) su supporti standard (calcestruzzo, muratura di mattoni pieni, muratura di pietre di tufo), preparati dallo stesso Fornitore.

Entrambi i tipi di prova sono eseguiti in controllo di spostamento.

Nel caso delle prove di trazione sono determinati, a cura del Laboratorio incaricato, i valori caratteristici della deformazione e della tensione ultima convenzionale, quelli medi dei moduli elastici dei rami rilevabili del legame costitutivo (corrispondenti allo stadio di matrice non fessurata ed in fase di fessurazione), nonché i valori caratteristici della deformazione e della tensione del punto di transizione tra le fasi A e B, ove rilevabile.

Nel caso delle prove di distacco dal supporto, il Laboratorio incaricato caratterizza il tipo di rottura, che può manifestarsi per decoesione all’interno del supporto o all’interfaccia supporto/sistema di rinforzo, ovvero per sfilamento delle fibre, e determina il valore caratteristico della tensione ultima raggiunta nel corso della prova. Il Fornitore è tenuto a commercializzare il proprio prodotto corredando le specifiche di qualifica con l’informazione sul tipo di rottura manifestata nel corso della prova di distacco dal supporto e sul valore della suddetta tensione ultima, da riferirsi all’area del solo rinforzo secco.

■ ■ Prove di durabilità La Linea Guida prevede prove di durabilità ambientale sia nei confronti della resistenza a cicli di gelo-disgelo che all’esposizione per 1’000 ore in ambienti umidi, salini ed alcalini. Ciascuna di tali prove è eseguita su quattro coppie di campioni, realizzati con le stesse specifiche delle prove meccaniche. Nell’ambito di ciascuna prova, uno dei due campioni è sottoposto a cicli normalizzati di gelo-disgelo ovvero ad un processo, anch’esso normalizzato, di invecchiamento artificiale in ambiente umido, salino o alcalino.

Le prove si ritengono superate se non viene rilevata alcuna alterazione superficiale dei campioni condizionati ed inoltre i valori delle grandezze meccaniche che li qualificano non risultano inferiori all’85% dei corrispondenti valori misurati sui campioni non condizionati.

ACCETTAZIONE La Linea Guida prevede che i controlli di accettazione in cantiere: • siano obbligatori e nella cura del Direttore dei lavori • siano esclusivamente di tipo meccanico attraverso prove di trazione • debbano essere effettuati contestualmente alla messa in opera dei sistemi di rinforzo e nelle stesse condizioni ambientali • debbano essere eseguiti su campioni realizzati in cantiere con la procedura di installazione prescritta dal Fornitore impiegando gli stessi addetti del cantiere ed utilizzando i medesimi materiali.

I campioni devono essere in un certo numero, ancora in discussione, per ognuno dei tipi di sistemi di rinforzo da installare, tenendo anche conto dell’eventuale diversa natura delle fasi (in particolare della grammatura del rinforzo e del numero di strati di quest’ultimo), nonché dell’eventuale molteplicità di Fornitori.

I valori delle grandezze meccaniche caratterizzanti il sistema di rinforzo FRCM, calcolati sui suddetti campioni, all’uopo inviati dal Direttore dei lavori ad un Laboratorio incaricato, devono risultare non inferiori a quelli di qualificazione.

CONCLUSIONI Fig.4: Prova di distacco dal suppor to

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Compositi

La pubblicazione della Linea Guida, di cui sono state tratteggiate le principali

La qualificazione degli FRCM >>

Fissalo bene in testa

peculiarità, consentirà una utilizzazione più affidabile dei sistemi di rinforzo FRCM, contribuendo a normalizzare un mercato in rapida espansione, chiamato a soddisfare una richiesta spesso altamente specialistica che deve poter contare su un’offerta altrettanto qualificata.

Nel contempo, le procedure di qualificazione previste risultano semplici ed adeguate agli scopi strutturali previsti.

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BIBLIOGRAFIA

[1] Triantafillou, T.C., Papanicolaou, C. G., Zissimopoulos, P., Laourdekis, T., “Concrete confinement with textile-reinforced mortar jackets”; ACI Structural Journal, 103, no.1, 28-37 (2006).

[2] Triantafillou, T.C., Papanicolaou, C. G., “Shear strengthening of reinforced concrete members with Textile reinforced Mortar (TRM) jackets”, Materials and Structures, 39, 93-103 (2006).

[3] Di Tommaso, A. Focacci, F., Mantegazza, G., “PBO-FRCM composites to strengthen r.c. beams: mechanics of adhesion and efficiency”, Proc. Fourth International Conference on FRP Composites in Civil Engineering (CICE 2008), Zurich, Switzerland, 22-24 (2008).

[4] Ombres, L., “Flexural analysis of reinforced concrete beams strengthened with a cement based high strength composite material”, Composite Structures, 94, no. 1, 143-145 (2011).

[5] D’Ambrisi, A., Focacci, F., Caporale, A. Strengthening of masonryunreinforced concrete railway bridges with PBO-FRCM materials Composite Structures, 102, pp. 193-204 (2013).

[6] D’Ambrisi, A., Feo, L., Focacci, F. Experimental and analytical investigation on bond between Carbon-FRCM materials and masonry Composites Part B: Engineering, 46, 15-20 (2013).

[7] Trapko, T. Stress-strain model for FRCM confined concrete elements Composites Part B: Engineering, 45 (1), 1351-1359 (2013).

[8] D’Ambrisi, A., Feo, L., Focacci, F. Experimental analysis on bond between PBO-FRCM strengthening materials and concrete Composites Part B: Engineering, 44 (1), 524-532 (2013).

[9] D’Ambrisi, A., Feo, L., Focacci, F. Bond-slip relations for PBOFRCM materials externally bonded to concrete Composites Part B: Engineering, 43 (8), 2938-2949 (2012).

[10] Mantegazza, G., Gatti, A., Barbieri, A. Fiber reinforced cementitious matrix (FRCM)-advanced composite material and emerging technology for retrofitting concrete and masonry buildings. Proceedings of the 3rd International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management - Bridge Maintenance, Safety, Management, Life-Cycle Performance and Cost, 1069-1070 (2006).

[11] Prota, A., Marcari, G., Fabbrocino, G., Manfredi, G., Aldea, C. Experimental in-plane behavior of tuff masonry strengthened with cementitious matrix-grid composites Journal of Composites for Construction, 10 (3), art. no. 007603QCC, 223-233 (2006).

[12] Mazzotti C., Savoia M., Ferracuti B. A new single-shear set-up for stable delamination tests on FRP-concrete joints. Construction and Building Materials, vol. 23(4), p. 1529-1537, ISSN: 0950-0618 (2009).

[13] Mazzotti C., Savoia M., Ferracuti B. An Experimental Study on Delamination of FRP Plates Bonded to Concrete. Construction and Building Materials, vol. 22, p. 1409-1421, ISSN: 0950-0618 (2008).

[14] Ascione, L., Poggi, C., Savoia, M., “On the mechanical behaviour of FRCM composites”, Proc. of Twenty-first Congress AIMETA, Torino, 17-20 September (2013).

[15] ICC Evaluation Service, Acceptance criteria for masonry and concrete strengthening using Fabric-Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) composite systems, AC434, Draft August 1, (2011).

Il sistema bigHead trova ampio impiego nell’industria dei materiali plastici, automobilistica, nautica, e nell’edilizia.

I bigHead possono essere inseriti durante lo stampaggio o incollati superficialmente con adesivi strutturali per semplificare gli assemblaggi dei prodotti e risparmiare sui tempi di produzione. Nella gamma bigHead troverete quelli con i requisiti idonei per ogni specifico problema di fissaggio o bloccaggio. distributore per l’Italia

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Standards

by Luigi Ascione* - Carlo Poggi** - Marco Savoia***

Qualification of FRCMs

By the end of the year, the Ministry of Infrastructure and Transport will issue the guidelines for the qualification of inorganic matrix reinforced composites to be used for the structural strengthening of existing buildings.

Here is a summary of the main contents of the document. here is a well established practice of carrying out repair and strengthening works on existing reinforced concrete or masonry buildings by means of innovative materials and/or non-conventional techniques.

Examples include reinforcement systems with FRP (Fiber-Reinforced Polymer) elements made from fabrics impregnated onsite or with pultruded plates, those that exploit steel plates (beton plaquè), reinforced grout coatings (often featuring thixotropic and shrinkage-compensated properties), non-adhesive prestressed members.

In recent times we have seen the spread of FRCM (Fabric-Reinforced Cementitious Matrix) composites.

These composites result from coupling nets (manufactured with the same type of fibers used in FRPs or with others that have more recently surfaced in the market of construction materials) and an inorganic matrix based on cement or hybrid mortar.

Reinforcement nets are generally made up of dry fibers, but there are also cases where nets made with polymer resin preimpregnated fibers were used.

Among innovative fibers we can count PBO (Polyparaphenilenbenzobisoaxole), basalt and steel fibers. In the latter, steel filaments (identified with the abbreviation UHTSS, i.e. the acronym of Ultra High Tensile Strength Steel) are implemented in the form of small strands.

The main reasons promoting the fast diffusion of FRCM reinforcement systems are a higher resistance to high temperatures and a higher compatibility with the substrate with respect to FRPs, especially in the case of masonry structures and in particular those of historic and monumental importance, when authorized by the competent authorities. Indeed they allow for

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water vapour permeability and can also be applied on wet surfaces [1-14].

Interventions with FRCM materials on existing buildings have become increasingly frequent, especially for the repair of buildings damaged by earthquakes, as the recent experiences in Abruzzo and Emilia have widely demonstrated.

However, in spite of their wide diffusion the constitutive behaviour of FRCM composites has not been properly studied and so is the case of failure mechanisms, in particular debonding from the substrate.

Consequently, at the present time there are no universally shared criteria for the qualification of these materials, resulting in obvious problems of acceptance on the construction site as well as in the design and testing stages of repair and strengthening works. The Ministr y of Infrastructure and Transpor t came to fill this gap in Italy by establishing a dedicated committee in charge of setting up a Guideline for the Qualification and Acceptance Control of fiber-reinforced inorganic matrix composites (FRCM) to be used for the structural strengthening of existing buildings.

We point out that the use of these materials for structural purposes is provided for in section 8.6 of the Technical Standards for Construction currently in force in Italy (NTC, DM 14 January 2008) with further details given in Chapter 12.

The authors of this paper are part of the committee together with other experts coming both from the academia and from the Ministry. The work of the committee is close to the end, and its conclusion is foreseen by the end of the coming autumn.

The aim of this article is to provide a preview of the essential contents of the guideline in order to further promote the neces-

sary involvement of all parties operating in various capacities in the construction industry.

A similar document was recently licensed in the USA by the ICC Evaluation Service [15].

MATERIALS FRCM reinforcement systems taken into account in the guideline are made up of phases, inorganic binder and reinforcement net, marketed by the same company, identified as “Supplier”. The use of reinforcements FRCM obtained by selecting and combining phases available in the market but not marketed by the same supplier is not allowed.

Fibers and filaments making up the reinforcement nets as well as the mortars used as matrices of FRCM composites must be compliant with the following technical standards: • fibers: ISO 13002 and UNI EN 13002-2 (carbon fibers), UNI 8746, UNI 9409 and UNI EN 15422 (basalt and glass fibers); UNI EN 13003-1-2-3 (aramid and PBO fibers); ISO 16120-1/4 for steel wires; • matrix: must be compliant with European standards UNI EN 998/2 and UNI EN 1504-3.

The costitutive law exhibited by these materials during an uniaxial tensile test is generally represented by a broken line (Fig. 1) consisting of three consecutive segments corresponding to the uncracked sample (stage A), the cracking stage (stage B) and a cracked (stage C) sample, respectively.

With respect to the stage B the guideline conventionally identifies a limit state corresponding to a set value of the average width of the cracks in the material (Fig. 2) with respect to the reference scale adopted in the test.

When the segment corresponding to the uncracked stage cannot be detected, the tensile modulus of the sample during the cracking stage can be considered equal to the secant modulus at the point corresponding to the ultimate limit state.

The tensile modulus of the cracked sample (stage C) coincides with that of the reinforcement material and is of pure theoretical relevance only.

Consequently, the mechanical properties inferred from tensile tests and assumed by the guideline as a basis for the qualification are the following: • limit (conventional) tensile strength • limit (conventional) tensile deformation

english text

*Department of Civil Engineering, Università di Salerno - **Department of Structural Engineering, Politecnico di Milano ***Civil, Chemical, Environmental, and Materials Engineering, Università di Bologna • tensile modulus of the uncracked sample (stage A), if detectable • tensile modulus of the sample in the cracking stage (stage B) • transition point between A and B stages, if detectable.

Tensile stresses are conventionally referred to the dry reinforcement area per composite unit length, i.e. regardless of the presence of the matrix.

QUALIFICATION The guideline requires a qualification of the supplier and an initial qualification of the FRCM reinforcement systems that can be manufactured using the phases (inorganic matrix and nets) marketed by the supplier.

To the second aim, both mechanical tests (tensile and substrate debonding tests) and environmental durability assessment tests (tensile tests) are foreseen.

Suppliers must necessarily have a quality management system in compliance with the standard UNI EN 9001:2008 and certified by an independent third party with appropriate expertise and organization, operating in compliance with the UNI EN 17021:2006: They are also required to forward to the Central Technical Service Center (STC) of the High Council of Public Works a request for Certificate of Technical Suitability for the Use in accordance with paragraph 11.1, case C of the NTC. The product can be placed on the market only after the Certificate of Technical Suitability for the Use, which is valid for a maximum of 3 years, has been issued. Any significant change made by the supplier with respect to stated and/or foreseen in the qualification documentation must be communicated to the STC for evaluation and release of any authorization.

All products delivered to the construction site must be accompanied by a copy of the Certificate of Technical Suitability for the Use, where the logo or brand of the supplier must be clearly reported. The reference to such certificate must be reported in the transport document.

■ ■ Mechanical qualification tests By means of a specifically appointed laboratory conforming to the specific requirements listed in the guideline, the supplier must perform tests on FRCM composite samples of appropriate sizes made with the supplied phases and using techniques similar to those usually adopted in the

construction site. The samples to be tested are six for each marketed type (possibly different in the nature of the phases, weight of the reinforcement net, number of reinforcement layers, reinforcement FRCM thickness). The temperature and pressure conditions under which the tests are to be performed are the standard values (20 ° C, atmospheric pressure, 50% RH).

Standardized tests are foreseen, including both tensile tests (Fig. 3) and push-pull debonding tests (Fig. 4) on standard substrates (concrete, masonry bricks, masonry of tuff stones), prepared from the supplier himself. Both test types are performed under displacement control.

With respect to tensile tests, the appointed laboratory takes care of the determination of typical values of deformation and conventional ultimate tensile stress, average values of elastic moduli of the detectable segments of the constitutive law (corresponding to the uncracked and cracking matrix stages), as well as the characteristic deformation and tension values in the transition point between stage A and B, if detected.

Concerning the substrate debonding tests, the appointed laboratory characterizes the failure type, which can occur by decohesion within the substrate or at the substrate/reinforcement system interface, i.e. by fiber pull-out, and determines the characteristic value of the ultimate tensile stress reached during the test. The supplier is also required to market his product including the qualification specifications with the information about the type of failure occurred during the substrate debonding and the aforementioned ultimate tensile stress related to the dry reinforcement area.

■ ■ Durability tests The guideline foresees environmental durability tests concerning the resistance both to freeze-thaw cycles and to the exposure for 1000 hours to humid, saline and alkaline environments. Each of such tests is performed on four pairs of specimens, manufactured with the same specifications implemented in the mechanical tests. In each test one of the samples is subjected to standardized freeze-thaw cycles or to a standardized process of artificial aging in humid, saline or alkaline environment.

Tests are considered successful if no surface modification is detected in processed specimens and the values of qualifying mechanical properties are not lower than

85% of the corresponding values measured on the unprocessed samples.

ACCEPTANCE The guideline states that the acceptance tests on the construction site: • are mandatory and under the responsibility of the construction manager • are of mechanical nature exclusively, to be carried out by means of tensile tests • must be performed simultaneously with the installation of the reinforcement systems and under the same environmental conditions • must be performer on specimens manufactured in the construction site with the procedure prescribed by the supplier, employing the construction site operators and using the same materials.

The samples must be in a number, still under discussion, for each of the types of reinforcement systems to be installed, also taking into account the possibly different nature of the phases (in particular the weight of the reinforcement and its number of layers), as well of the possible presence of multiple suppliers. The values of the mechanical quantities characterizing the FRCM reinforcement system referred to in § 2., calculated on the samples sent to this aim by the construction manager to the appointed laboratory, must be not lower than those resulting from the qualification procedure.

CONCLUSIONS The release of the guidelines, whose main features have been outlined here, will allow for a more reliable use of FRCM reinforcement systems, contributing to the standardization of a rapidly expanding market which is asked to fulfil often highly specialized demands, which in turn must be matched by an equally qualified offer.

At the same time, the foreseen qualification procedures prove to be simple and suitable to the expected structural purposes.

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All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Constitutive law Fig.2: Limit state corresponding to a preset average crack width Fig.3: Tensile test Fig.4: Substrate debonding test

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Speciale edilizia MAPEI

Villa Torlonia sempre più salda L’interno della Serra dopo il restauro

illa Torlonia, villa nobiliarie romana, conserva ancora un particolare fascino grazie al giardino all’inglese e alla ricca quantità di edifici ed arredi artistici disseminati nel parco. Dal 1977 è proprietà del Comune di Roma, che dagli anni ‘90 ha avviato una serie di importanti interventi di restauro. Ad oggi sono stati ristrutturati buona parte degli edifici tra cui il Casino Nobile. L’area a sud della villa ospita la Serra e la Torre Moresca, progettate nella metà dell’Ottocento, che furono per anni abbandonate al degrado.

Nel 2009 ha preso il via un complesso inter vento di restauro sostenuto dalla Sovrintendenza Comunale ai Beni Culturali sotto l’egida dell’Assessorato alla Cultura del Comune di Roma, con un finanziamento di circa 4 milioni di euro. La riqualificazione e il restauro della Serra e della Torre Moresca sono stati preceduti da una serie di sopralluoghi, analisi e rilievi delle costruzioni degradate dal trascorrere del tempo, dalla vegetazione e dagli atti vandalici. I problemi posti dal cantiere sono stati affrontati dai progettisti e dall’impresa restauratrice, coadiu-

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vati dagli artigiani e dai decoratori nella scelta e nell’utilizzo dei materiali.

INTERVENTI SULLA SERRA Il degrado della Serra Moresca richiedeva il rinforzo strutturale del timpano d’ingresso, realizzato in pietra e muratura.

L’assistenza tecnica Mapei ha proposto l’utilizzo dei prodotti della linea MAPEWRAP SYSTEM, indicati proprio per la riparazione e il rinforzo statico di strutture danneggiate e degradate da aggressioni ambientali. È stato utilizzato il tessuto unidirezionale in fibra di carbonio ad alta resistenza MAPEWRAP C UNI-AX 300/20, caratterizzato da un elevato modulo elastico ed elevatissima resistenza meccanica a trazione.

L’intervento è iniziato con la primerizzazione del sottofondo, eseguita con MAPEWRAP PRIMER 1, primer particolarmente fluido ed esente da solventi. L’operazione è stata seguita dalla rasatura con lo stucco epossidico MAPEWRAP 11, ideale per regolarizzare le superfici in calcestruzzo prima dell’incollaggio di tessuti MapeWrap. La fase dell’impregnazione con il

La Serra al momento dell’intervento di riqualificazione

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Compositi

metodo a secco del tessuto è stata eseguita con l’adesivo MAPEWRAP 31 a base di resine epossidiche, steso direttamente su MAPEWRAP 11 ancora fresco. Per finire, MAPEWRAP C UNI-AX 300/20 è stato posato sulle zone interessate facendo attenzione a non creare alcuna grinza. Per il placcaggio delle strutture in alcune zone sono state utilizzate le lamine pultruse in fibre di carbonio CARBOPLATE E 170/150, poste in opera con l’adesivo ADESILEX PG1. Per il consolidamento dei ruderi sono stati utilizzati il legante cementizio STABILCEM e la malta a ritiro controllato fibrorinforzata MAPEGROUT TISSOTROPICO. Le superfici delle fioriere e delle vasche presenti nella Serra sono state impermeabilizzate con l’applicazione della malta cementizia bi componente MAPELASTIC, particolarmente adatta per eseguire rivestimenti impermeabili e protettivi molto flessibili su strutture soggette a fessurazione.

INTERVENTI SULLA TORRE MORESCA Inizialmente si è proceduto con il con-

Rinforzo strutturale del timpano d’ingresso della Serra

Speciale edilizia

La Torre Moresca

solidamento delle murature in tufo e mattoni della Torre. Le lesioni più significative presenti sulle murature sono state ricucite con iniezioni di MAPE-ANTIQUE I. Per effettuare questo intervento sono stati realizzati dei fori del diametro di 20 mm opportunamente distanziati l’uno dall’altro, con inclinazione rispetto all’orizzontale di 20° verso il basso e una profondità pari ai 2/3 dello spessore murario.

Dopo la pulizia con acqua dei fori, attraverso appositi tubi iniettori precedentemente fissati, è stata eseguita l’iniezione di MAPE-ANTIQUE I fino a rifiuto. MAPE-ANTIQUE I è un legante idraulico che mescolato con acqua (40% circa) produce una boiacca fluida e stabile, che riempie le cavità delle strutture da consolidare. Si è poi pro-

Prima e dopo gli interventi di riqualificazione di un piano della Torre

ceduto alla ricostruzione del solaio dell’attico della Torre attraverso un getto effettuato con il legante cementizio espansivo super fluido STABILCEM miscelato con acqua e GHIAIETTO 6-10. Il calcestruzzo così ottenuto, oltre ad avere una consistenza molto fluida, presenta un’elevata resistenza meccanica.

I gradini in pietra della scala elicoidale della Torre presentavano delle lesioni che sono state presidiate e consolidate con iniezioni effettuate applicando le resine epossidiche EPOJET ed EPORIP e l’adesivo epossidico a consistenza tissotropica ADESILEX PG1.

I restauri effettuati sulla Serra e sulla Torre Moresca hanno così permesso così a una tra le più belle ville romane di tornare lentamente agli antichi splendori.

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MAPEWRAP C UNI-AX 300/20 Tessuto idoneo per la riparazione di elementi in cemento armato danneggiato da azioni fisico-meccaniche, per il confinamento a compressione e a pressoflessione di elementi in calcestruzzo e per l’adeguamento antisismico di strutture localizzate in zone a rischio. Può essere posto in opera con due differenti tecniche: a secco e a umido, utilizzando specifiche resine epossidiche per la primerizzazione, la rasatura del supporto e l’impregnazione del tessuto. Il tessuto unidirezionale in fibra di carbonio MAPEWRAP C UNI-AX ha un’alta resistenza e un elevato modulo elastico, oltre a possedere alte resistenze meccaniche a trazione. Viene prodotto con due diverse grammature e tre diverse larghezze. ■

Soluzione per innovative building a divisione Formulated Systems di Dow, dopo aver collaborato con il proprio sistema poliuretanico VORAFORCE™ KN allo sviluppo di KIO™ da parte di Industrie Polieco MPB, l’innovativo chiusino in KINEXT™, con caratteristiche di portanza che permettono di soddisfare requisiti fino alla classe D secondo la EN 124 e che offre svariati benefici tra cui la sicurezza contro il furto, ha collaborato negli ultimi due anni anche allo sviluppo di soluzioni innovative per pannelli compositi per edilizia.

Il progetto è stato fatto in collaborazione con l’azienda Affan Innovative Structures LLC, con sede a Dubai e che opera a livello internazionale, la quale ha sviluppato soluzioni composite leggere e versatili per le proprie strutture ed esigenze di design archittettonico altamente innovative, combinando la fibra di carbonio con l’infusione di un sistema epossidico di Dow. Progetti prestigiosi come il Sidra Hospital in Qatar e l’ul-

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DOW

tra moderno Yas Mall ad Abu Dhabi beneficiano di questa innovazione unica. I sistemi epossidici VORAFORCE™ TF di DOW sono stati sviluppati appositamente per il processo di infusione e per dare proprietà finali elevate nel composito a fibra di carbonio, la cui eccezionale leggerezza e stiffness consente di ottenere forme versatili, curvature particolari e ampie metrature di pannello, come tipico delle strutture di Affan.

Le soluzioni avanzate per i compositi di Dow offrono in generale performance elevate, ottima processabilità e approccio cost effective ai produttori di compositi per il settore delle costruzioni, infrastruttura, eolico, transportation e svariati altri campi di applicazione. Le soluzioni di DOW sono customizzate per aiutare a soddisfare le necessità di diverse industrie che affrontano nuove e complesse sfide. Tutto il range VORAFORCE™ è caratterizzato da basse emissioni VOC durante la produzione.

Compositi

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Speciale edilizia OLYMPUS-FRP®

Rinforzi di strutture in legno lamellare con compositi FRP

o sviluppo dei materiali compositi “artificiali” prende spunto dalla natura e dai numerosi esempi di materiali compositi naturali, tra cui il legno che è costituito da fibre di cellulosa trattenute da una matrice di lignina. Il legno a sua volta può costituire da base per altri materiali compositi, quale ad esempio il compensato, il legno truciolare, il multistrato e molti altri.

L’accoppiamento di materiali compositi “artificiali” con questo importante materiale composito naturale, consente di sfruttare le caratteristiche fisico-meccaniche di entrambi che combinate insieme possono garantire risultati eccellenti.

Il rinforzo di strutture lignee con FRP comprende sia la restituzione delle capacità prestazionali ad un elemento

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deteriorato, sia il miglioramento delle prestazioni di un elemento strutturale integro.

Le tecniche di rinforzo che utilizzano i materiali compositi consentono di non smontare la sovrastante struttura, nello spirito della conservazione del patrimonio edilizio storico, con conseguente riduzione degli oneri economici e dei tempi di realizzazione dell’intervento.

Date le elevate esigenze nel campo dell’edilizia e la tendenza a realizzare strutture ecologiche, negli anni passati il legno lamellare ha conosciuto un’ampia diffusione. Si tratta di un materiale strutturale prodotto incollando delle tavole di legno a loro volta già classificate per uso strutturale, è quindi un materiale composito, costituito essenzialmente

di legno naturale, di cui mantiene i pregi. È possibile produrre elementi di forma e dimensione volute, senza i limiti derivanti dalla dimensione dell’albero, inoltre il limite in lunghezza di una trave in legno lamellare è dato principalmente dalla possibilità di trasporto e messa in opera della stessa.

Un’applicazione di CFRP molto interessante, realizzata dall’azienda OlympusFRP®, ha riguardato il rinforzo strutturale di alcune travi in legno lamellare. Le travi hanno luce di circa 20 m e sezione 20x150 cm; a causa di un errato dimensionamento due travi hanno subito una rottura in mezzeria come evidenziato nelle immagini. Il rinforzo delle travi non danneggiate è stato realizzato con tessuti di fibra di carbonio monodirezionale disposti all’intradosso delle travi al fine di incrementarne il momento resistente ultimo. Il calcolo del rinforzo è stato effettuato seguendo i dettami del CNR DT 201-05.

Successivamente alla realizzazione del rinforzo sono stato effettuate delle prove di carico sulla struttura al fine di verificare il buon esito dell’intervento e le stesse hanno evidenziato una freccia nella mezzeria delle travi equivalente a circa la metà di quella calcolata teoricamente confermando l’efficacia di questo sistema di rinforzo.

L’intervento ha consentito la conservazione delle travi originali ed il ripristino della struttura senza inficiarne le caratteristiche estetiche e geometriche complessive.

KERAKOLL

Greenbuilding technologies a nuova frontiera dei rinforzi strutturali sviluppati dai ricercatori del GreenLab Kerakoll® è basata sull’impiego di Geolegante® per la realizzazione di Geolite®, geomalta minerale a tripla marcatura CE, conforme ai requisiti prestazionali della EN 1504-3 per il rinforzo e ricostruzione di strutture in calcestruzzo armato, costituita da Geolegante® e zirconia cristallina; e per la realizzazione di GeoCalce®, geomalta naturale costituita da calce idraulica naturale NHL e Geolegante®, marcata EN 998-1 e 998-2 e R1 in accordo con EN 1504-3, per il recupero e consolidamento di strutture in muratura. Le rivoluzionarie geomalte abbinate ai tessuti in acciaio galvanizzato ad altissima resistenza e tenacità GeoSteel HardwireTM sono in grado di rispettare pienamente le esigenze progettuali per il rinforzo strutturale, miglioramento e adeguamento sismico, le indicazioni delle normative vigenti, proponendo sistemi moderni, innovativi, semplici da realizzare, meno onerosi e più ra-

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Compositi

pidi, totalmente eco-sostenibili, rispettosi della salute degli operatori e dell’ambiente. Le malte Geolite e Geocalce a base dello speciale Geolegante Kerakoll e inerti extrafini abbinate al tessuto Geosteel, cristallizzando con il supporto dell’elemento strutturale esistente, sia esso in calcestruzzo armato o in muratura, garantiscono la monoliticità dell’intervento, un perfetto trasferimento delle tensioni di interfaccia per aderenza, assicurando un naturale prolungamento e miglioramento delle performance strutturali costanti e durevoli nel tempo. I recenti eventi sismici in Abruzzo e in Emilia Romagna e i continui movimenti tellurici che stanno interessando il nostro Paese vedono un crescente utilizzo di queste tecnologie in quanto consentono di dare una risposta efficace a una crescente richiesta di mercato con un impatto economico in termini di materiali e di mano d’opera più contenuto rispetto ai sistemi tradizionali o più comunemente utilizzati.

Speciale edilizia

G&P INTECH

Intervento di consolidamento strutturale S

ono stati effettuati lavori di consolidamento strutturale nel corpo di fabbrica del Condominio Casermette, Palazzina “A”, ubicato in località Pellino a L’Aquila.

L’edificio, che si sviluppa su tre livelli con una struttura in cemento armato a travi e pilastri, è stato gravemente danneggiato a seguito degli eventi sismici che hanno interessato la provincia de L’Aquila il 6 aprile 2009, risultando inagibile con classificazione di tipo “E”.

A seguito di un’approfondita analisi delle condizioni strutturali dell’edificio, è stato deciso di intervenire con dei consolidamenti mediante applicazione di fibra di carbonio. In particolare l’intervento ha riguardato tutti i 78 pilastri del fabbricato ed i relativi nodi trave-pilastro oltre a buona parte delle travi d’impalcato sia longitudinali che trasversali.

I pilastri, con altezza di 250 cm e 260 cm, sezione 40x60 cm e 30x50 cm, sono stati consolidati mediante l’applicazione di angolari in acciaio ai quattro angoli ed un confinamento realizzato attraverso la fasciatura, a tutta altezza dei pilastri, con tessuto unidirezionale in fibra di carbonio C-Sheet 240/600 da g/m² 600 e modulo elastico GPa 240.

I nodi trave-pilastro sono stati trattati in modo analogo mediante fasciatura sempre con tessuto unidirezionale in fibra di carbonio CSheet 240/600 oltre all’applicazione di ancoraggi con piastre di confinamento e barre passanti in acciaio.

Infine le travi d’impalcato longitudinali e trasversali hanno ricevuto un rinforzo al taglio nella zona degli appoggi, realizzato con l’applicazione di fasce ad “U” sempre in tessuto unidirezionale in fibra di carbonio C-Sheet 240/600.

Tutte le applicazioni sono state realizzate impiegando gli adesivi specifici del FRP System: Resin Primer, Resin 90 e Resin 75.

La società G&P Intech, oltre ad aver fornito tutto il materiale in fibra di carbonio con i relativi adesivi per l’intervento, ha dato il proprio supporto ingegneristico nella fase di progettazione esecutiva e di dettaglio dei rinforzi.

RUREDIL

Intervento di adeguamento sismico intervento è relativo all’adeguamento sismico eseguito con tecnologia FRCM dell’edificio scolastico ITCS J Barozzi in Modena. L’intervento riguarda una porzione dell’edificio destinata ad aule ed in particolare i pilastri del primo interpiano dell’edificio. Il fabbricato è stato realizzato nel 1954 e presenta una pianta a “C” con diversi corpi di fabbrica separati da giunti strutturali, e presenta un piano seminterrato e tre fuori terra.

La struttura è impostata su un telaio regolare in c.a. con pilastri, travi ribassate e interposti solai in laterocemento che sono in alcuni casi monodirezionali in altri bidirezionali (a seconda delle luci).

La necessità di adeguare staticamente e sismicamente l’edificio, nonché la necessità di alcuni adeguamenti a livello impiantistico legati ad una nuova distribuzione degli spazi e delle funzioni all’interno dell’edificio, ha dato il via ad una campagna di indagini (sia documentali che strumentali) per verificare le carenze strutturali dell’edificio e predisporre conseguentemente un progetto di adeguamento conforme a quanto previsto nelle NTC08.

La criticità emersa dalle indagini risiede nella cattiva qualità del calcestruzzo riscontrato sui pilastri, in particolare le verifiche con i nuovi carichi hanno dimostrato carenze (sebbene non eccessive) anche nei confronti dei carichi verticali. Si è ri-

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scontrata una resistenza caratteristica del calcestruzzo compresa tra Rck 15 e Rck 20, pertanto si è deciso di intervenire sulla porzione più caricata dei pilastri e più sollecitata ovvero il primo interpiano (piano seminterrato).

La scelta è ricaduta, previa ricostruzione delle geometrie originali degli elementi (in alcuni casi danneggiati da passaggi e fissaggi per i vecchi impianti) con idonee malte, sull’utilizzo dei materiali compositi FRCM. Questo per evitare di variare la rigidezza e quindi il comportamento globale dell’edificio nei confronti delle azioni di progetto.

La scelta progettuale è ricaduta sull’impiego del sistema FRCM Ruregold XP Calcestruzzo di Ruredil. Il sistema prevede una matrice cementizia ecocompatibile abbinata ad un tessuto bidirezionale in PBO. In par ticolare per garantire l’adeguamento nei confronti delle sollecitazioni flessionali è stata posata su ciascun lato di ogni pilastro una fascia larga 25 cm con orditura parallela all’asse del pilastro, per garantire un effetto confinamento e miglioramento della resistenza a taglio sono stati previsti elementi “a staffa” nella parte centrale del pilastro (fasce alte 50 cm spaziate di 50 cm) mentre al piede e in testa al pilastro sono stati previsti avvolgimenti in continuo anche per garantire una maggiore duttilità dei nodi dove si concentrano eventuali cerniere che non dovranno essere di tipo fragile (tipicamente a taglio).

La scelta è ricaduta sul sistema Ruregold soprattutto per garantire una durabilità maggiore in condizioni di esercizio e una resistenza fino a 130° in assenza di protezioni al fuoco che avrebbero ridotto sensibilmente gli spazi per la didattica a causa degli ingombri delle medesime (lastre + isolanti).

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Compositi

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Studio

* MaSTeR Lab - Dipartimento di Ingegneria Industriale Campus di Forlì, Università di Bologna

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di E. Troiani, L. Donati, R. Di Sante, P. Proli*

Invecchiamento termico di CFRP

Panoramica sull’evoluzione delle proprietà meccaniche di compositi esposti per oltre 3.000 ore a variazione ciclica della temperatura. Per la realizzazione dei campioni è stato usato un preimpregnato in fibra di carbonio 3K plain weave con resina epossidica IMP530R. causa del loro crescente utilizzo in applicazioni aeronautiche e nautiche, i compositi a matrice polimerica sono spesso soggetti a condizioni ambientali difficili, come alte e basse temperature, azione di prodotti chimici e fluidi corrosivi, assorbimento d’acqua e di umidità ed esposizione a raggi UV. Queste azioni possono risultare in un deterioramento che riduce le proprietà meccaniche dei compositi e, di conseguenza, il ciclo di vita del prodotto.

In tal senso, i due fattori ambientali più aggressivi sono la temperatura (effetto termico) e l’umidità (effetto igroscopico) [1-4]. Entrambi gli effetti e la loro combinazione (a cui ci si riferisce col termine di effetto igrotermico) comportano un deterioramento delle proprietà meccaniche del composito [5,6], influenzando principalmente la matrice (termoplastica o termoindurente), che è l’elemento più debole.

La rigidezza e la resistenza a taglio, proprietà determinate essenzialmente dalla matrice, vengono alterate. Questi effetti sono dovuti al progressivo ammorbidimento della resina fino al raggiungimento della temperatura limite Tg di transizione vetrosa. Al di sopra di questa, il materiale è degradato a tal punto da non poter più essere considerato funzionale. Inoltre, la presenza di umidità assorbita dalla matrice causa un progressivo abbassamento della temperatura Tg, che raggiunge un minimo quando il materiale è saturo.

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Fig.1: a) Prova di flessione a tre punti, b) prova di taglio interlaminare

Un altro aspetto di primaria importanza è strettamente collegato alle contrazioni ed espansioni della matrice. Gli aumenti di temperatura causano allungamenti per dilatazione termica. Un simile effetto si nota all’aumentare dell’umidità assorbita, con il rigonfiamento della matrice per un semplice effetto di conservazione di massa e volume. Le fibre non mostrano fenomeni di dilatazione o contrazione, causando dunque sforzi residui scaricati nel composito.

Lo studio intende verificare l’effetto di cicli termici prolungati (12 ore a -20 °C e 12 ore a 80°, il tutto ripetuto per 132 cicli) sulle proprietà di compressione sta-

tica, flessione a tre punti e taglio interlaminare.

EFFETTO DEI CICLI TERMICI Si è impostata una campagna sperimentale focalizzata sulla degradazione dei CFRP a causa dell’esposizione a cicli termici. Il ciclaggio termico consiste nell’esposizione ripetuta dei campioni a due diverse temperature per un tempo sufficiente a raggiungere l’equilibrio termico e a innescare i tipici fenomeni di deterioramento. Per studiare correttamente il compor tamento termico del materiale, è impor tante che il raffreddamento (o riscaldamento) sia lento a

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Studio

sufficienza da evitare shock termici.

Il deterioramento conseguente ai cicli termici si esplica attraverso due effetti principali: innanzitutto la matrice polimerica subisce una progressiva perdita di massa, direttamente collegata al continuo riscaldamento. Il secondo effetto è conseguenza degli sforzi residui creati da espansione e contrazione di due materiali con diversi coefficienti di dilatazione termica, cioè la matrice e le fibre.

Questo effetto, visibile fin dal primo ciclo termico dopo la polimerizzazione, è proporzionale alla differenza tra i coefficienti di dilatazione termica delle due fasi [7]. Altri cicli termici successivi producono ulteriori sforzi interni proporzionali al salto termico.

Inoltre, la degradazione dovuta al ciclaggio termico causa microfratture nella matrice, aumentando la permeabilità dei gas nel composito. Infine, è presente una contemporanea diminuzione della vita a fatica e della resistenza a taglio in-

terlaminare, e un’alterazione del coefficiente di dilatazione termica.

La temperatura gioca un ruolo importante anche nel tempo di risposta del composito a uno sforzo applicato. Un aumento di temperatura causa una riduzione dei cosiddetti tempi di ritardo e di rilassamento, ovvero rispettivamente il tempo della risposta elastica a sforzi di compressione o trazione. Inoltre, i fenomeni di scorrimento viscoso o la deformazione permanente dovuti alla prolungata azione degli sforzi sono accelerati.

ATTIVITÀ SPERIMENTALE Come analisi preliminare, è stato eseguito all’interno del laboratorio MaSTeR Lab dell’Università di Bologna uno studio sull’effetto dei cicli termici (dovuti alla differenza di temperatura nei cicli giorno/notte o, per componenti di aeromobili, alle diverse altitudini) attraverso prove di caratterizzazione statiche. Un

I.R.O.P. di F.lli Zanacca snc

Via Martiri della Liberazione, 107/A – 43100 Vicofertile (PR) – ITALY tel.+39 0521 992968/9 – Fax +39 0521 992379 e-mail: irop@irop.191.it www.irop.it

deterioramento della resistenza, insieme alla creazione di cricche trasversali e longitudinali, è prevedibile. Ciò è dovuto allo stress termico sopportato, con la risultante perdita di massa della matrice, e ai diversi coefficienti di dilatazione termica di fibre e matrice, che producono sforzi residui proporzionali alla differenza tra i coefficienti di dilatazione. Gli effetti di deterioramento interessano principalmente la matrice polimerica, ovvero l’elemento debole del composito.

Per studiare il comportamento di un tipico materiale CFRP di ampio utilizzo in svariati settori, i campioni sono stati sottoposti a carichi termici tra 80 °C e 20 °C, ben al di sotto della temperatura nominale (120-150 °C) di transizione vetrosa della resina. Il tempo di esposizione era di 12 ore per entrambe le temperature limite, così da raggiungere l’equilibrio termico.

I campioni sono stati prodotti per mezzo di lavorazione in autoclave al laboratorio

Nata nel 1956, da molti anni IROP progetta e realizza

AUTOCLAVI PER MATERIALI COMPOSITI Le autoclavi a chiusura rapida IROP sono progettate e costruite secondo la Direttiva 97/23/CE “PED”e riportano la marcatura “CE”. Esse vengono realizzate in svariate dimensioni secondo le “specifiche” del cliente e trovano largo impiego in diversi settori industriali da quello aeronautico e spaziale a quello automobilistico e sportivo in generale.

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

Invecchiamento termico di CFRP >> MaSTeR Lab con una sequenza di impilamento di 12 strati [0°] 12 di tessuto da 200g/m2 3K impregnate di resina epossidica (GG205PIMP530R-43). Il ciclo di cura è stato di 1 ora a 130 °C seguito da 1 ora a 150 °C, il tutto a una pressione di compattazione di 6.2 bar.

Il comportamento dei campioni è stato studiato tramite prove di compressione (ASTM D3410), flessione a tre punti (UNI EN ISO 14125) e taglio interlaminare (UNI EN ISO 14130) a diversi stadi di fatica termica. Le prove sono state eseguite dopo 1, 3, 6, 12, 24, 48, 66, 96, 126 e 132 cicli termici; per ogni condizione e tipo di test sono stati caratterizzati 5 campioni. Il setup sperimentale è mostrato in figura 1 per le prove di flessione a tre punti e di taglio interlaminare, e in figura 2 per le prove a compressione.

RISULTATI La scheda tecnica per il tessuto GG205PIMP530R-43 curato per pressa-

a

b

Fig.2: Prova ASTM D3410: a) attrezzatura per il bloccaggio del campione prima della prova, b) rottura tipica

tura a caldo a 130° C per 60 minuti e a una pressione di 3 bar fornisce le proprietà meccaniche riportate in tabella 1.

Questi valori sono usati come riferimento nelle seguenti analisi dei risultati sperimentali.

I risultati della prova di compressione statica sono riportati nelle figure 3 e 4, rispettivamente in termini di carico di rot-

tura e modulo elastico. Il materiale mantiene un livello di compressione medio intorno a 430 MPa con una deviazione standard di 47.8 MPa, tipico di questo tipo di esperimenti. D’altra parte, si trova un andamento leggermente decrescente del modulo di comprimibilità dai 29 GPa iniziali a un livello quasi costante di 25 GPa, con una tendenza

s

Studio

Proprieties

Standard

Values

Unit

Flexural stress

EN2562

850

MPa

Flexural Modulus

EN2562

59

GPa

Tensile Stress

ISO 527

650

MPa

Tensile Modulus

ISO 527

59

GPa

Short beam shear

EN2563

65

MPa

0.8

140

°C

Tg (DSC)

Tab.1: Proprietà meccaniche del tessuto curato per pressatura a caldo a 130° C per 60 minuti e 3 bar di pressione

Fig.3: Distribuzione degli sforzi di compressione in funzione dei cicli termici

Fig.4: Distribuzione del modulo elastico a compressione in funzione dei cicli termici

a deviazioni crescenti all’aumentare dei cicli termici. La diminuzione in modulo è coerente con un parziale deterioramento della resina, con una sezione ancora in grado di soppor tare carichi confrontabili.

Nelle figure 5, 6 e 7 sono mostrati i risultati in termini del modulo elastico a flessione e del carico di rottura a flessione in funzione del numero di cicli termici. I cicli termici applicati non alterano in

22

Compositi

modo significativo il diagramma sforzodeformazione della figura 5: tutti i campioni hanno mostrato un comportamento lineare fino alla rottura, con diversi livelli di carichi e modulo dipendentemente dal livello di invecchiamento.

Il comportamento a rottura in figura 6 mostra una sensibile diminuzione, seguita poi da un aumento durante i primi 12 cicli. Successivamente, si può osservare una fase stazionaria, seguita dopo

60 cicli da una diminuzione a un livello del 20% più basso rispetto al materiale appena curato. L’iniziale aumento di resistenza si può spiegare con la riduzione delle tensioni residue e il miglioramento della resistenza del polimero nella fase post-curing. Dall’altro lato, la diminuzione dopo 60 cicli è chiaramente connessa a un meccanismo di deterioramento della matrice. Un comportamento simile nel modulo a flessione appare in figura 7, dove la decrescita finale giunge a un livello del 15% inferiore rispetto ai campioni non ciclati.

Meno ovvia è la valutazione dei risultati concernenti il deterioramento delle proprietà meccaniche della matrice, ottenuti dalla prova a taglio interlaminare. La prima difficoltà è strettamente collegata alla sostanziale assenza di segnali macroscopici di difetti tipici. Le delaminazioni sono concentrate nell’interfaccia tra due strati. Il difetto può essere confuso con fenomeni quali il plastic bedding tra gli strati, che ridistribuisce gli sforzi interni generati dai carichi di taglio. Nei campioni testati si è osservato un rilassamento intermedio, come mostrato in figura 8, dove si nota un plateau costante di sforzo fino a 6 cicli.

Questo fenomeno permette una ridistribuzione degli sforzi locali. La conseguenza immediata è un differimento della frattura, che avviene per una maggiore deformazione del campione che abbia subito meno di 6 cicli. Con l’aumentare del numero di cicli termici, i fenomeni di rilassamento diminuiscono e il plateau si sposta verso livelli di sforzo di taglio più alti, per poi sparire oltre i 6 cicli. Successivamente, l’assenza di rilassamento non permette alcuna ridistribuzione degli sforzi tra gli strati, quindi il campione raggiunge rapidamente i valori limite (minori deformazioni rispetto ai campioni con rilassamento).

La cura incomplete del materiale composito spiega l’instaurarsi dell’effetto di rilassamento. I 6 cicli termici iniziali (cioè un totale di 72 ore a 80 °C) agiscono come un post-curing della matrice polimerica, la principale responsabile degli sforzi di taglio interlaminare. Il comportamento sforzo-deformazione dopo 6 cicli è coerente con un tipico diagramma di flessione per CFRP con andamento lineare fino alla rottura.

Il deterioramento della matrice (che,

Invecchiamento termico di CFRP >> come già menzionato, consiste in una perdita di massa e nella comparsa di micro-cricche) all’aumentare del numero di cicli si traduce in un progressivo irrigidimento della resina. Le temperature di ciclaggio non sono sufficientemente estreme da causare una degradazione violenta della matrice, che a lungo termine preclude il funzionamento strutturale.

In particolare, la temperatura più alta (+80 °C) è lontana dalla temperatura Tg. Tale analisi è evidenziata anche dalla figura 9, dove è tracciata la resistenza a taglio interlaminare in funzione del numero di cicli termici. L’effetto di post-curing è chiaramente visibile nel primo aumento dei valori di resistenza, che raggiungono un valore confrontabile alla scheda tecnica di riferimento, seguito da una decrescita fino al 20% della resistenza connessa al deterioramento della matrice.

Fig.5: Curva sforzo-deformazione del test di flessione a tre punti per condizioni tipiche

CONCLUSIONI Il tessuto pre-preg GG205PIMP530R43% (col 43% di contenuto in resina) è un sistema a base epossidica molto utilizzato per diverse tipologie di applicazioni sia in campo nautico che industriale. I campioni sono stati testati con cicli termici in un intervallo tra -20 °C e 80 °C, mantenendo entrambe le temperature per 12 ore ognuna. Il tempo totale di esposizione agli effetti termici superava le 3100 ore.

Questo studio è stato condotto per mezzo di una caratterizzazione sperimentale di compressione statica, flessione a tre punti e taglio interlaminare a diversi livelli di invecchiamento, producendo risultati sulla resistenza di fibra e matrice e sulle proprietà meccaniche del composito. Come atteso, i risultati dei test mostrano che la matrice polimerica è l’elemento che subisce il maggior deterioramento, perché è la parte più esposta del composito ed è particolarmente colpita dal ciclaggio termico. Al contrario, le fibre non sono quasi per nulla influenzate dalle variazioni cicliche di temperatura, che generano sforzi interni dovuti alla differente coefficiente di dilatazione rispetto alla matrice.

Si è trovato che il ciclo di cura in autoclave suggerito realizza una polimerizzazione quasi completa, ma che termina la propria evoluzione durante i primi 4-6 cicli di invecchiamento. Infatti, nei primi cicli si è evidenziato un marcato transitorio di tutte

Fig.6: Distribuzione dello sforzo di flessione a rottura in funzione dei cicli termici

Fig.7: Distribuzione del modulo elastico a flessione in funzione dei cicli termici

Compositi

23

s

Studio

Invecchiamento termico di CFRP le proprietà meccaniche studiate, mostrando un effetto post-curing. Successivamente, il deterioramento della matrice diventa il meccanismo di danneggiamento più evidente, con riduzione sia del modulo a compressione e flessione sia della resistenza a flessione e a taglio interlaminare, a livelli limitati all’80% dei valori di riferimento. Inoltre, tutte le proprietà meccaniche raggiungono un valore stabile aumentando il numero di cicli oltre 80, dimostrando così l’efficienza del sistema in resina.

■ Ringraziamenti Il presente lavoro è stato condotto col supporto finanziario del MIUR (Ministero dell’Università e della Ricerca Scientifica) nella cornice del programma RFO e del programma POR FESR Emilia-Romagna 2007-2013 (Programma Operativo Regionale del Fondo europeo di sviluppo regionale), all’interno della Rete Alta Tecnologia, Piattaforma Meccanica Materiali.

>>

BIBLIOGRAFIA

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Fig.9: Distribuzione della resistenza a taglio interlaminare in funzione dei cicli termici

24

Compositi

[7] N.L. Hancox (1998). Thermal effects on polymer matrix composites: Part 1.

Thermal cycling, AEA Tecnology plc, Materials and Component Optimization, 552, Harwell, Didcot, Oxon OX11 0RA, UK.

s

english text

Study

* MaSTeR Lab - Dipartimento di Ingegneria Industriale Campus di Forlì, Università di Bologna

>>

di E. Troiani, L. Donati, R. Di Sante, P. Proli*

Thermal aging of CFRP

An insight on the evolution of mechanical properties of CFRP materials, when exposed to specific environmental conditions, i.e. cyclical variation of temperature. A pre-preg fabric was used for the production of the specimens: the fabric is a carbon fiber plain weave 3K, while the resin is an epoxy-based system IMP530R. ecause of their increasing use in aeronautical and marine applications, the polymeric matrix composites are often subjected to harsh environmental conditions, such as, for example, high and low temperatures, the action of chemicals and corrosive fluids, absorption of water and moisture, and exposure to UV rays. These actions can produce degradation, reducing the mechanical properties of the composites, and therefore the time of life of the product.

The two most aggressive environmental factors, in this sense, are the temperature (thermal effect) and moisture (hygroscopic effect) [1-4]. Both effects and their combination (which is referred by the term hygrothermal) result in a deterioration of the mechanical proper ties of the composite [5,6], affecting primarily the matrix (thermoplastic or thermosetting), which is the weak element of composite materials.

The stiffness and shear strength, the matrix dominated proper ties, are altered. These effects are due to the progressive softening of the resin, until reaching the “glass transition” limit temperature Tg. Above that, the material is degraded to such an extent that it cannot be considered longer functional. Fur thermore, the presence of moisture, absorbed by the matrix, causes a progressive reduction of the temperature Tg, which reaches a minimum when the material is saturated.

B

Another aspect of primar y impor tance is closely related to the contractions and expansions of the matrix. Elevations in temperature cause elongations for thermal expansion. A similar effect is noted with increasing the absorbed moisture, with the inflation of the matrix for a simple effect of mass and volume conser vation. The fibers does not show the phenomena of expansion or contraction, causing therefore residual stresses discharged into the composite.

The study would verify the effect of severe thermal cycles (12 hours at -20 °C and 12 hours at 80° repeated for 132 cycles) on static compression, three point bending and interlaminar shear proprieties.

THERMAL CYCLES EFFECT An experimental campaign has been settled up, focusing on the degradation of CFRP due to exposure to thermal cycles. The thermal cycling consists in the repeated exposure of the specimens at two different temperatures for a time sufficient to reach thermal equilibrium and trigger the typical phenomena of degradation. In order to properly investigate the thermal behavior of the material, it is impor tant that the cooling (or heating) is slow enough in order to avoid thermal shock.

The resulting degradation due to thermal cycles acts under two main ef-

fects: first of all the polymeric matrix undergoes a progressive loss of mass, directly connected with the continuous heating. The second one follows the residual stresses created by expansion and contraction of two materials with different coefficients of thermal expansion (CTE), i.e. the matrix and the fibers. This effect, visible since the first thermal cycle after the curing, is propor tional to the difference in CTE of the two phases [7]. Other subsequent thermal cycles produce fur ther internal stress, propor tional to the temperature gap.

Moreover, the degradation due to thermal cycling causes microcracks in the matrix, increasing the permeability of gas in the composite. In addition, there is a simultaneous decrease of fatigue life, the interlaminar shear strength, and a change in the CTE. The temperature plays also an important role in the response time of the composite to the applied stress. An increase in temperature causes a reduction of the so-called retardation and relaxation times, i.e. the time of elastic response to compression or traction stress respectively. Moreover, the phenomena of creep or the permanent deformation due to prolonged action of stress is speeded up.

EXPERIMENTAL ACTIVITY As a first approach, in the framework of Masterlab laborator y of the Bologna University, a study on the effect of thermal cycles (due to the difference of temperature in the day / night cycles or, for aircraft component, at different altitudes) has been carried out through static characterization tests. A decay of the strength is predictable, together with the creation of transverse and longitudinal cracks. This is due to the thermal stress endured, with the resulting loss of mass of the matrix, and to the different coefficients of thermal expansion (CTE) of fibers and matrix, which produce residual stresses, propor tional to the CTE difference.

The effects of decay mainly affect the polymeric matrix, the weak element of

Compositi

25

s

Study

the composite.

To investigate the behavior of a commonly used CFRP material, the specimens were subject to cyclic thermal loads between 80 °C and -20 °C, well below the 120-150 °C nominal glass transition temperature of the resin.

The exposure time was 12 hours at both end temperatures, in order to reach thermal equilibrium.

Specimens were produced by means of autoclave processing at the Masterlab laborator y with stacking sequence of 12 plies [0°] 12 of plain weave fabric 200gr/sqm 3K impregnated by epoxy resin (GG205PIMP530R-43). Curing cycle was 1 hour at 130 °C followed by 1 hour at 150°C all under 6,2 bar compacting pressure.

The behavior of the specimens was investigated by compression (ASTM D3410), three points flexural (UNI EN ISO 14125) and interlaminar shear (UNI EN ISO 14130) tests at different stages of thermal fatigue. The tests were per formed after 1, 3, 6, 12, 24, 48, 66, 96, 126 and 132 thermal cycles; for each condition and test method 5 specimens were characterized. The experimental setup is shown in figure 1 for three point flexural and interlaminar shear tests, and in figure 2 for compression tests.

RESULTS Data sheet for the GG205PIMP530R43 fabric cured under hot pressing at 130° for 60 minutes and 3 bar pressure provides the mechanical proprieties repor ted in table 1. In the following analyses of the experimental results, these values are used as reference.

The results of static compression are repor ted in figure 3 and 4 in terms of ultimate stresses and modulus of elasticity respectively. The material keeps an average compressive stress level at around 430Mpa with a standard deviation of 47.8 MPa, typical of this type of experiments. On the other hand, a slight decreasing tendency of compressive modulus of elasticity from the initial 29 GPa to an almost steady state 25 GPa is found, with an increasing scattering tendency with increasing of thermal cycles. The decrease in modu-

26

Compositi

lus is consistent with a par tial degradation of the resin, with the section still able to carr y comparable loads.

In the following figures 5, 6 and 7, the results in terms of flexural modulus and ultimate flexural stresses as function of the thermal cycles number are shown. The applied thermal cycles do not significantly alter the stress-strain diagram of figure 5: all the specimens showed a linear behavior up to failure with different levels of stresses and modulus depending on aging levels.

The Ultimate Stresses behavior in figure 6 shows a noticeable decrease, followed by a subsequent increase in the first 12 cycles. After wards, a steady state phase can be obser ved, followed after 60 cycles by a decrease to a level 20% lower respect to the pristine material. The initial strength increase can be explained by the smoothing out of residual stresses and improved polymer strength through post-curing. On the other side, the decrease after 60 cycles is clearly related to a degrading mechanism of the matrix.

A similar behavior in in the flexural modulus results in figure 7, where the final decreasing reaches a level 15% lower than the non-cycled specimens.

Less obvious is the assessment of the results concerning the degradation of the mechanical proper ties of the matrix, obtained by the interlaminar shear test. The first difficulty is closely linked to the substantial absence of macroscopic evidence of typical failures. The delamination are concentrated in the inter face between two layers. The failure may be confused with phenomena as plastic beddings between the layers, which redistribute the internal stresses generated by the shear loads. In the tested specimens, intermediate relaxation was obser ved, as shown in the following figure 8, where a constant stress plateau is noticeable for cycles number up to 6.

This phenomenon allows a redistribution of local stresses. The immediate consequence is a postponement of the fracture, which occurs for a greater displacement of the specimen cycled up to 6 times. Increasing the thermal cycles, the relaxation phenomena are re-

duced, with the plateau moving towards higher shear stress levels, then disappearing when exceeding 6 thermal cycles. After wards, the lack of the relaxation does not allows any redistribution of the stresses between the layers, therefore the specimen quickly reach the limit values (less deformations when compared with specimens with relaxation).

The incomplete curing of the composite material explains the onset of the relaxation effect. The 6 initial thermal cycles (i.e. a total of 72 hours at 80 °C) act as post curing of the polymeric matrix, the main responsible for the interlaminar shear behavior. The stressstrain behavior after 6 cycles is consistent with a typical CFRP flexural diagram with a linear trend up to failure.

The matrix degradation (which, as already mentioned, consists in a loss of mass and onset of micro-cracks) for increasing number of cycles translates into a progressive stiffening of the resin. The cycling temperatures are not extreme enough to cause a violent degradation of the matrix, which in the long run precludes the structural function. In par ticular the hot temperature (+80 °C) is far from the Tg temperature.

The aforementioned analysis can be also evidenced in figure 9, where the interlaminar shear strength is plotted over thermal cycles. The post curing effect is clearly visible in the first rise of the strength values, reaching a level comparable to the reference datasheet, followed by a 20% decreasing of the strength related to the matrix degradation.

CONCLUSIONS The GG205PIMP530R43% pre-preg fabric (43% resin content) is an epoxybased system commonly used in several industrial sectors. The specimens were tested under thermal cycles with a range between -20 °C and 80 °C, maintaining both temperature levels for 12 hours each. The total exposure to the thermal effect exceeds 3100 hours.

This study was carried out by means of the experimental characterization of static compression, three point bend-

english text

Thermal aging of CFRP ing and interlaminar shear, at different ageing levels, generating results on fibers and matrix resistance and on the mechanical proper ties of the composite. As expected, the test results show that the polymeric matrix is the element which undergoes the greater degradation, because it is the most exposed par t of the composite and is par ticularly affected by the thermal cycling. On the contrar y, the fibers are almost not influenced by the cyclical variations of temperature, which generate internal stresses due to the CTE mismatch respect to the matrix.

It was found that the suggested curing cycle in autoclave was not able to achieve the complete polymerization of the resin system. Indeed, a strong transient behavior of all the investigated mechanical proper ties was revealed in the earlier cycles, showing a post curing effect. After wards, the matrix degradation becomes the most evident damaging mechanism, decreasing both the compressive and flexural modulus and the flexural and interlaminar shear strength at levels limited to 80% of the reference values. Moreover, all the mechanical proper ties reach a stable behavior increasing the number of cycles over 80, proving the effectiveness of the resin system. â– Acknowledgments The present work was carried out with the financial suppor t of MIUR (Ministr y of University and Scientific Research) within RFO program and ERDF ROP Emilia-Romagna 2007-2013 program (European Regional Development Fund, Regional Operational Programme) within the High Technology Network in the Mechanics Materials Platform.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: a) Three point bending test, b) Interlaminar Shear test Fig.2: ASTM D3410 test: a) fixture for specimen clamping before testing, b) typical rupture Tab.1: Mechanical proprieties of the fabric cured under hot pressing at 130°c for 60 minutes and 3bar pressure Fig.3: Compressive stresses distribution over thermal cycles Fig.4: Compressive Modulus of Elasticity distribution over thermal cycles Fig.5: Stress-strain curves in three point flexural test for representative conditions Fig.6: Flexural Stress at Break distribution over thermal cycles Fig.7: Flexural Modulus distribution over thermal cycles Fig.8: Shear strength vs. displacement for different thermal cycles Fig.9: Interlaminar Shear Strength distribution over thermal cycles

a

Aeronautica

di A. Ciliberto, C. Incarnato, G. Maione*

Metodo ad ultrasuoni per le grinze interne Per rivelare e caratterizzare ogni anomalia dovuta ad accumuli di resina o a deformazioni interne del materiale Alenia Aermacchi ha messo a punto un metodo di ispezione basato su ultrasuoni. na struttura in carboresina può presentare difetti di fabbricazione, intesi come qualsiasi deviazione dai requisiti di progetto. Tali difetti, se non rivelati ed eliminati, possono compromettere la performance o l’integrità stessa della struttura durante la vita operativa. La rivelazione e la misura di difetti interni ad una struttura richiede metodologie non distruttive strumentali, in genere ad ultrasuoni. I difetti interni più comuni nelle strutture di questo tipo sono le delaminazioni, le inclusioni, la porosità, i vuoti e le deformazioni degli strati di pre-impregnato, generalmente indicate, quando orientate perpendicolarmente alla superficie, come grinze interne. Ad eccezione delle grinze, tali difetti sono di norma rivelabili, anche se non sempre caratterizzabili e misurabili, mediante tecniche ad ultrasuoni convenzionali applicate durante le fasi di controllo di qualità o in servizio.

Le grinze interne possono prodursi sia in zone piane (fig.1), sia in zone raggiate (fig.2) e sono tipicamente associate ad addensamenti di resina, noti come sacche di resina (“resin pocket”). In qualche caso, le sacche possono essere riempite da materiale differente (adesivo, sigillante, ecc.). Quando gli strati si deformano (ortogonalmente al piano di laminazione) durante la fabbricazione, possono crearsi condizioni di vuoto o di pressione anomala, di conseguenza, nella fase di polimerizzazione, la resina in fase liquida può riempire i vuoti,

U

28

Compositi

Fig.1: Grinza in zona piana

Fig.2: Grinza in zona raggio

creando così delle sacche di resina, che seguono il profilo del primo strato interessato dalla deformazione.

desidera rilevare. Tipicamente, per l’ispezione di strutture fino a qualche decina di millimetri, e per difetti di dimensioni minime non inferiori a 2-3 mm, vengono utilizzate frequenze dai 3 MHz ai 10 MHz. In genere, l’ispezione ultrasonora di una struttura è eseguita con l’ausilio di un sistema di scansione, che sostanzialmente descrive una maglia, tanto più fitta quanto minore è il passo di scansione in ogni direzione: in ogni nodo della maglia viene eseguito un evento ispettivo.

Una delle tecniche ultrasonore più utilizzate è nota come “pulse echo” o “riflessione”. Questa tecnica è basata sul rilevamento di riflessioni (echi) generate quando le onde ultrasonore incidono su superfici di discontinuità tra materiali aventi differenti impedenze acustiche,

PRINCIPI DEGLI ULTRASUONI Nelle ispezioni ultrasonore onde elastiche vibrazionali generate da sonde (comunemente piezoelettrici o piezoceramici) sono introdotte nella struttura da esaminare allo scopo di evidenziarne difetti interni, misurarne lo spessore o valutarne caratteristiche meccaniche. In particolare, per l’ispezione di materiali in carboresina, si utilizzano onde longitudinali con frequenze comprese fra 0,5 MHz e 10 MHz. La scelta del valore di frequenza da utilizzare dipende da vari fattori, in particolare dal tipo di struttura (dimensioni e materiale) che si vuole analizzare e dal tipo di difettosità che si

Alenia Aermacchi S.p.A

Fig.3: A-Scan

come le superfici dei difetti interni e quelle che delimitano la struttura dall’ambiente circostante. Ogni eco è caratterizzata da due parametri: l’ampiezza e il tempo di volo (“time of flight”, TOF), cioè il tempo intercorso tra il picco dell’eco relativo alla superficie di ingresso (“front echo”) e il picco dello stesso eco. Il tempo di volo T è correlato al percorso X dell’onda ultrasonora nell’elemento in esame mediante la relazione X = VUS·T/2 (essendo VUS la velocità media degli ultrasuoni nel mezzo).

I risultati dell’ispezione possono essere mostrati graficamente secondo diverse forme di rappresentazione, le più comuni delle quali sono note come A-scan, B-scan e C-scan.

Particolare rilevanza ha la rappresentazione A-scan, poiché è quella col maggior contenuto di informazione e da essa possono essere ricavate le altre rappresentazioni. L’A-Scan è la rappresentazione dell’ampiezza del segnale ultrasonoro ricevuto, nel dominio del tempo, e si presenta come una successione di picchi, ognuno dei quali è causato da una riflessione dovuta ad una discontinuità (in termini di impedenza acustica) nel materiale. La distanza tra due picchi risulta proporzionale al tempo impiegato dagli ultrasuoni per percorrere lo spazio tra le due discontinuità che li hanno generati.

La B-Scan, invece, è una mappa ultraso-

nora di una sezione del componente, in cui sono rappresentate le A-Scan lungo una linea di scansione (ogni punto dell’A-Scan è rappresentato da un colore o un tono di grigio); la C-Scan è una mappa in pianta del componente, in cui il colore o tono di grigio di ogni punto rappresenta l’ampiezza e/o il tempo di volo di un picco ultrasonoro riflesso in quel punto.

La localizzazione ed il dimensionamento dei difetti avviene generalmente attraverso un processo di correlazione tra le caratteristiche del fascio ultrasonoro, le caratteristiche fisiche e geometriche del materiale, i parametri di ampiezza e tempo di volo precedentemente descritti e le coordinate della traiettoria di scansione.

METODO DI MISURA Il metodo prevede un’ispezione ultrasonora delle aree con indicazioni sospette di grinze rilevate dai CND di routine. Tale ispezione viene eseguita mediante tecnica in riflessione con frequenza 5,0 MHz, utilizzando sonde a banda larga, acquisendo onde complete con frequenza di campionamento maggiore o uguale a 100 MHz e con una digitalizzazione dei singoli campioni delle ampiezze di almeno 6 bit. Il guadagno base, G0, viene fissato in modo da garantire, per gli spessori di interesse ed in una zona priva di difetti, un’ampiezza di picco dell’eco di fondo intorno all’80% del fondo scala. Il

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passo di scansione utilizzato è tipicamente minore o uguale a 1 mm, in modo da ottenere un’elevata risoluzione; in ogni caso non può essere maggiore di 1/3 della dimensione minima del difetto che si vuole rivelare.

La valutazione dei dati acquisiti si basa sull’analisi del segnale A-Scan di un campione non difettato con caratteristiche dimensionali, geometriche e di materiale analoghe a quelle della struttura in esame, che permette di fissare i parametri peculiari del segnale “atteso” in assenza di difetti (fig.3): • la durata temporale Tw dell’impulso ultrasonoro, ovvero dei picchi che compongono l’A-Scan • l’istante relativo TRMAX in cui un picco ha un massimo, a partire dal suo istante iniziale • l’ampiezza media AFE dell’eco frontale FE • l’ampiezza media ABE dell’eco di fondo BE • la velocità media VUS degli ultrasuoni nel materiale • l’ampiezza media An e l’ampiezza massima An_max del rumore • lo spessore massimo Pmax della struttura sotto analisi • la massima profondità Pd_max ≤ Pmax, alla quale ci si aspetta di rilevare un difetto • la minima riduzione α in percentuale dell’ampiezza dell’eco di fondo causata dalla presenza del difetto.

Tali parametri permettono di fissare 3 gate di analisi, diversi per posizione e livello di sensibilità, che forniscono tre C-Scan della struttura in esame: • Cacq è la C-Scan ottenuta con un gate avente istante di partenza coincidente con l’inizio dell’eco frontale FE, larghezza tale da includere l’eco di fondo BE della struttura, soglia sopra il livello massimo di rumore e modalità di acquisizione in “picco massimo” (in tale modalità ogni punto della C-Scan è relativo alla massima ampiezza dell’A-Scan in quel punto all’interno del gate stabilito, purché tale ampiezza sia maggiore del livello stabilito).

• C-Scan 1 è la C-Scan ottenuta con un gate avente istante di partenza coincidente con l’istante finale dell’eco frontale FE, larghezza tale da includere lo spostamento verso destra lungo l’asse

Compositi

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Aeronautica

dei tempi dell’eco di fondo BE in presenza di difetto, soglia e modalità di acquisizione definite come per la Cacq.

• C-Scan2 è la C-Scan ottenuta con un gate con istanti iniziale e finale tali da includere solo l’eco di fondo, soglia e modalità di acquisizione definite come per Cacq.

A-Scan e C-Scan sono analizzate con algoritmi sviluppati ad hoc per valutare i parametri caratteristici delle grinze, in particolare, larghezza e profondità.

Si distinguono due casi: • l’indicazione di grinza è fornita sia dalla comparsa dell’eco associata alla sacca di resina sia da una riduzione dell’ampiezza di picco dell’eco di fondo BE pari ad α • l’indicazione di grinza è fornita esclusivamente da un abbassamento dell’ampiezza di picco dell’eco di fondo BE, in quanto il segnale di eco dovuto al difetto risulta mascherato dall’elevato rumore di fondo.

Nel primo caso l’analisi è condotta applicando il metodo standard, mentre nel secondo caso si applica il metodo avanzato.

■ ■ Metodo standard Sulla C-Scan2 viene individuata l’indicazione della sacca (fig.4) e, in particolare la sezione SR relativa alla sacca da misurare (lungo la dimensione della larghezza).

La misura della larghezza di SR viene valutata mediante la formula:

dove: • La è la misura della larghezza di SR ottenuta mediante procedure standard di “best-fit” (generalmente di tipo gaussiano) della sequenza delle ampiezze di SR in funzione dell’asse relativo di scansione • Lt è la misura della larghezza di SR ottenuta mediante i valori di tempo di volo. In particolare, se il picco relativo alla sacca è nettamente separato dall’eco frontale, il valore di Lt dipende dai valori assunti da α (fattore di riduzione in percentuale dell’eco di fondo dovuta al difetto): se α ≤ 0,5, Lt può essere stimato con la misura del segmento sulla C-Scan2 (in tempo di volo) che delinea la larghezza di SR; se α > 0,5, Lt può essere stimato mediante

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Compositi

Metodo ad ultrasuoni... >>

Fig.4: Metodo standard

un procedimento analogo a quanto fatto per La. Se, invece, il picco della sacca SR non è nettamente separato da quello dell’eco frontale (e pertanto non risultano utilizzabili in modo affidabile i valori in tempo di volo) si assume Lt=0.

La misura della profondità della grinza, nel caso in cui la riflessione della sacca sia completamente separata dall’eco frontale, viene effettuata utilizzando il massimo valore rilevato di tempo di volo (indicato come TM(SR)) relativo alla sacca della sezione SR e la velocità media VUS degli ultrasuoni, secondo la formula:

Nel caso in cui l’eco della sacca non sia nettamente separato da quello dell’eco frontale, la profondità di grinza PW è valutata con la formula:

■ ■ Metodo avanzato In tal caso, i segnali A-Scan vengono opportunamente condizionati mediante al-

goritmi basati su trasformata Wavelet.

La larghezza della grinza è calcolata come nel metodo standard, mentre la profondità mediante l’analisi in frequenza dei segnali.

Ai fini delle misure, si individuano sulla C-Scan2 un’area contenente il difetto (Zw) ed un’area priva di difetti (Zb) (fig.5).

Quest’ultima deve essere quanto più vicina alla prima o comunque relativa ad una porzione della parte o di uno standard di riferimento con caratteristiche geometriche e dimensionali uguali a quelle dell’area difettata. Zw e Zb sono tipicamente aree rettangolari di dimensioni contenenti un numero di punti sufficienti per analisi di tipi statistico (almeno 100 punti).

Le onde in Zw e Zb, indicate rispettivamente con Aw(t) e Ab(t), vengono normalizzate. La normalizzazione consiste di due operazioni consecutive: normalizzazione in ampiezza e compensazione dell’offset relativo ai tempi di volo.

La normalizzazione in ampiezza fa in modo che tutte le onde abbiano il massimo ed il minimo uguali a due valori prefissati, indicati con AMAX ed AMIN (tipicamente |AMAX| = |-AMIN|).

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Metodo ad ultrasuoni per le grinze interne

La compensazione dell’offset dei tempi di volo, attuata sulle ampiezze delle onde in Zw e Zb, fa in modo che il massimo di ampiezza dell’eco frontale si trovi all’origine dell’asse dei tempi, ovvero a t=0.

Dopo la normalizzazione sono generate le due onde medie, Awm(t) ed Abm(t), che sintetizzano le caratteristiche, rispettivamente, della zona difettata e di quella non difettata.

La larghezza di grinza Lw viene valutata mediante la formula:

Lw = 2·σppm dove σppm è la deviazione standard del best-fit (tipicamente gaussiano) dei valori medi picco-picco dell’eco di fondo delle onde relative alla zona Zw. La misura della profondità di grinza Pw è, invece, ottenuta mediante lo spettrogramma logaritmico del segnale differenza D(t)=Awm(t)-Abm(t) (fig.6).

Lo spettrogramma viene rappresentato graficamente mediante una mappa a colori, avente sull’asse delle ascisse i valori di profondità x, sull’asse delle ordinate le frequenze f, e per colore dei pixel i valori di intensità dello spettrogramma nell’inter vallo γ1 e γ2. Tipicamente, γ1=0.73·Γmax e γ2=0.90·Γmax, dove Γmax è il valore massimo dell’intensità dello spettrogramma. In tale rappresentazione il picco relativo all’eco iniziale tende ad essere trascurabile, mentre risultano evidenti il picco relativo all’eco di fondo ed il picco del difetto. Supponendo che il picco del difetto sia situato tra x1 ed x2, la profondità della grinza può essere valutata mediante la formula: Pw = (x2-x1)/2.

Fig.5: Metodo avanzato

CONCLUSIONI Il metodo proposto, basato sull’utilizzo di tecniche di scansione ad alta risoluzione, abbinate all’analisi statistica ed in frequenza dei segnali ultrasonori, consente di rilevare e caratterizzare grinze interne a strutture in carboresina. Ciò permette di allargare la tipologia delle parti fabbricabili e fornisce un feedback necessario sia all’ingegneria per l’analisi strutturale della non conformità e la delibera della stessa, sia alla produzione per un miglioramento del processo di fabbricazione e della qualità del componente.

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Fig.6: Spettrogramma logaritmico

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Aeronautical

by A. Ciliberto, C. Incarnato, G. Maione*

Ultrasonic method for detection and characterization of internal wrinkles

A wrinkle is an anomaly associated with resin enrichment and/or plies deformations inside the material. Alenia Aermacchi developed a nondestructive inspection method based on ultrasound able to characterize internal wrinkles in composite structures. carbon fiber structure may have manufacturing defects, defined as any deviation from the engineering requirements. Such defects, if not detected and eliminated, can compromise, during the life of the part, the performance or the integrity of the structure itself. The detection and measurement of internal defects requires instrumental non-destructive methods, like as the ultrasounds. The internal defects in the most common structures of this type are the delaminations, inclusions, porosity, voids and the deformation of the layers of pre-impregnated, generally indicated, when oriented perpendicular to the surface, as internal wrinkles. With the exception of wrinkles, such defects are usually detectable, although not always evaluable and measurable by the conventional techniques like as the ultrasounds applied during the phases of quality control, or in service.

The internal wrinkles may occur both in flat areas (fig.1), both in radial zones (fig.2) and they are typically associated with thickening of resin, known as “resin pocket”. In some case, the pockets can be filled by different material (adhesive, sealant, etc..). In the following, in order to simplify, we will refer just to “pockets”. When the layers are deformed (or thogonally to the layup plane) during the manufacturing process, they may create vacuum conditions or abnormal pressure; conse-

A

quently, during the polymerization phase, the resin in the liquid phase may fill the voids, thus creating pockets of resin, that follow the profile of the first layer affected by the deformation.

ULTRASONIC PRINCIPLES In the ultrasonic inspections, the elastic waves, generated by probe (commonly piezoelectric or piezoceramic), are introduced in the structure to test in order to detect internal defects, to measure the thickness or to evaluate mechanical properties. In particular, for the inspection of composite materials, the longitudinal waves with frequencies ranged between 0.5 MHz and 10 MHz are used.

The choice of the frequency value to be used depends on several factors, in particular the type of structure (size and material) that is to be analyzed and the type of defect to be detected. Typically, for the inspection of structures up to a few tens of millimeters, and for defects of minimum dimensions not less than 23 mm, frequencies ranged from 3 MHz up to 10 MHz are used.

Typically, the ultrasonic inspection of a structure is performed with the aid of a scanning system, which basically describes a mesh, the more dense the lower the scanning step in each direction: in each node of the mesh is performed the inspection.

One of ultrasonic techniques widely

Alenia Aermacchi S.p.A

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used is known as “pulse echo”. This technique is based on the detection of reflections (echoes) generated when the ultrasonic waves targeting surfaces of discontinuity between materials with different acoustic impedances, such as the surfaces of internal defects and those that delimit the structure from the surrounding environment. Each echo is characterized by two parameters: the amplitude and the “time of flight” (TOF, i.e. the time between the peak of the echo on the entrance surface (“front echo”) and the peak of the echo itself.

The time of Flight T is related to the path of the ultrasonic wave in the element X by the relationship X = VUS ·T/2 (VUS being the average speed of ultrasound in the medium).

The inspection results can be displayed graphically in different representations, the most common are known as A-scan, B-scan and C-scan.

The A-scan representation is very relevant, since it is the one with the higher content of information and the other representations can be derived from it. The A-Scan is the representation of the amplitude of the ultrasonic signal in the time domain, and it appears as a succession of peaks, each of which is caused by a reflection due to a discontinuity (in terms of acoustic impedance) in the material. The distance between two peaks is proportional to the time of the ultrasound wave to travel the space between the two discontinuity generating them.

Regarding other representations, the BScan ultrasound is a map of a section of the component, in which the A-scan along a scan line (each point of the AScan is represented by a color or grayscale) are represented. The C-Scan is a plan view of the tested component, in which the color or grayscale of each point represents the amplitude and / or the time of flight of an ultrasonic reflection peak at that point.

The location and size of defects generally occurs through a process of correlation between the characteristics of the ultrasound beam, the physical and geometrical characteristics of the material, the parameters of amplitude and time of flight described above and the coordinates of the scanning path.

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Aeronautical

MEASUREMENT METHOD

The method involves ultrasonic inspection of wrinkle suspicious areas detected by conventional NDT. The inspection shall be performed by reflection technique by a frequency of 5.0 MHz, using bandwidth probes, acquiring full waveforms by means of a sampling frequency greater than or equal to 100 MHz and by means of an at least 6 bit digitization of the individual samples of the amplitudes. The base gain, G0 is fixed in order to ensure, for the thicknesses of interest and in a free defect zones, a peak amplitude of the echo around the 80% of full scale height. The used scan index is typically less than or equal to 1 mm, in order to obtain a high resolution, but in any case, it cannot be greater than 1/3 of the minimum dimension of the defect to disclose.

The evaluation of acquired data is based on the analysis of the A-Scan of a sample with a defect free reference area having geometrical features and material similar to the structure under examination. It allows to set the specific parameters of the “expected” signal in the absence of defects (fig.3): • the time duration Tw of ultrasonic pulse (ie of the peaks of the A-Scan) • the instant TRMAX in which a peak has a maximum, starting from its starting instant • the mean amplitude FE of the front echo FE • the mean amplitude ABE of the bottom echo BE • the mean speed VUS of ultrasounds in the material • the mean amplitude An and the maximum amplitude of the noise An_max • the maximum thickness Pmax of the structure under test • the maximum depth Pd_max ≤ Pmax, which a defect is expected to be detected • the minimum percentage reduction in the amplitude α of the bottom echo caused by the presence of the defect.

These parameters are used to fix 3 gates of analysis, different for position and sensitivity level, which provide three C-Scans of the tested structure: • the C-Scan Cacq is obtained setting a gate having: the starting time coincident with the beginning of the front echo FE, the width enough to include the echo of the bottom of the structure BE, the threshold above the maximum noise level and the acquisition mode of acquisition is “peak” (in this mode each point of the C-Scan is relative to the maximum amplitude of the A-Scan for all the peaks inside the established gate, provided that the amplitude is greater than the established level).

• the C-Scan C-Scan 1 is the C-scan obtained by a gate having: the starting time equal to the final instant of the front echo FE, the width enough to include the shift toward the right along the time axis of the bottom echo BE in presence of a defect, and the acquisition mode as defined by the Cacq.

• the C-Scan C-Scan2 is the C-scan obtained by a gate with initial and final instants such as to include only the bottom echo, threshold and acquisition mode as defined by Cacq.

The A-scan and C-scan are analyzed using algorithms specifically developed to evaluate the peculiar parameters of the

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Compositi

english text

Ultrasonic method for detection and characterization of internal wrinkles wrinkles, in particular, width and depth.

There are two cases: • the wrinkle indication is provided both by the appearance of echo associated with the resin pocket and by an amplitude decrease of the peak of the bottom echo BE equal to α • the wrinkle indication is provided only by a bottom echo BE amplitude attenuation, as the echo signal due to the defect is masked by the high background noise.

In the first case the analysis is performed by applying the standard method, while in the second case the advanced method is applied.

■ ■ Standard method On the C-Scan2 a pocket indication and, in particular, the section SR relative to the pocket to be measured (along the width dimension) is detected (fig.4).

The width measurement of SR, is evaluated using the formula:

where: • La is the SR width. It is obtained by means of the standard technique of “best-fit” (generally Gaussian) performed on the sequence of all the amplitudes of SR relative to the scan axis • Lt is the SR width. It is obtained by means of time of flight values. In particular, if the peak relative to the pocket is clearly separate from the front echo, the value of Lt depends on the values assumed by α (reduction factor as a percentage of the attenuation of the bottom echo due to the defect): if α ≤ 0.5, Lt can be estimated with the measure of the segment on the CScan2 (time of flight) that outlines the width of SR; if α> 0.5, Lt can be estimated by a similar process used for the La evaluation. If, instead , the peak of pocket SR is not distinctly separated from the front echo (and therefore the time of flight values may not be usable in a reliable way), Lt = 0 is to be assumed.

The wrinkle depth measurement, in the case of the pocket peak reflection is completely separated from the front echo, is performed using the maximum detected value of time of flight (TM (SR)

as indicated in the following) relative to the SR section and VUS, the mean speed of ultrasound, according to the formula:

When the echo of the pocket indication is not clearly separated from the echo, the wrinkle depth PW is evaluated using the formula:

■ ■ Advanced method In this case, the A-Scan signals are properly treated by means of waveletbased algorithms. The wrinkle width is evaluated like as the standard method; while the depth by means of frequency analysis of the signals.

For measuring purposes, on the CScan2 the defect area (Zw) and a free defect area (Zb) are identified (fig.5). The latter must be as close as possible to the first or otherwise it should be relative to a portion of the part or to a reference standard having geometric and dimensional features similar to the defected area. Zw and Zb are typically rectangular shapes containing a sufficient number of points for statistical analysis purposes (at least 100 points).

The waves in Zw and Zb, respectively indicated Aw (t) and Ab (t), are normalized.

The normalization consists of two consecutive phases: normalization in amplitude and offset compensation of the time of flights.

The amplitude normalization makes sure that all the waves have the maximum and the minimum equal to two fixed values, AMAX and AMIN (typically |AMAX| = |-AMIN|).

The offset compensation of the times of flight, implemented on the amplitudes of the waves in Zw and Zb, makes sure that the maximum echo amplitude front lies at the origin of the time axis, namely at t = 0.

After the normalization, two average waves are generated: Awm (t) and Abm (t) summarizing the characteristics, respectively, of the defected area and free defect area.

The wrinkle width Lw is evaluated using the formula: Lw = 2·σppm

where σppm is the standard deviation of the best-fit (typically Gaussian) of the mean values of peak-to-peak bottom echo of the waves in the Zw zone.

Instead the wrinkle depth measurement Pw is obtained by means of the logarithmic spectrogram of the signal difference D(t)=Awm(t)-Abm(t) (fig.6).

The spectrogram is graphically represented by a color map, having as horizontal axis the depth values x, and as ordinate the frequency f, and the pixel colors represent the intensity values of the spectrogram in the range γ1 and γ2. Typically, γ1 = 0.73 Γmax and γ2 = 0.90 Γmax; being Γmax, the maximum value of the intensity of the spectrogram.

In this kind of representation, the starting peak of front echo becomes negligible, while the bottom and the defect peaks become more evident. Assuming that the peak of the defect is located between x1 and x2, the wrinkle depth can be evaluated by the formula: Pw = (x2-x1)/2.

CONCLUSIONS The proposed method based on the use of high-resolution scanning techniques, combined with the statistical and frequency analysis of the ultrasonic signals, can detect and characterize internal wrinkles in the carbon fiber parts. It allows to enlarge the types of manufacturable parts and it provides an useful feedback to the Engineering to perform the structural analysis and if allowed to accept the non-conformity. Furthermore, it supports the Production to improve the manufacturing process and the quality of the part.

■

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: The internal wrinkles in flat areas Fig.2: The internal wrinkles in radial zones Fig.3: A-Scan Fig.4: Standard method Fig.5: Advanced mEthod Fig.6: Logarithmic spectrogram

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

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di Mario Pierobon* - Camilla Carraro**

Laminati più resistenti con il nanostiching

Cucire insieme strati di laminati utilizzando nanotubi di carbonio allineati verticalmente tra gli strati di fibra. È la tecnica sviluppata dai ricercatori del Massachusetts Institute of Technology per ovviare al fenomeno della delaminazione e realizzare strutture di aerei più sicure.

Fig.1: Schema di prova ‘bolt bearing’. La regione grigia indica la regione “nanocucita” (a). Impostazione della prova meccanica (b)

n composito è costituito tipicamente da una matrice di fibre forti disposte in strati, tenute insieme e fuse in un corpo solido mediante un collante o una resina. Quando un composito cede, solitamente è perché la colla che lega insieme le fibre si è separata. A generare questi fenomeni è l’applicazione di forze eccessive su particolari gruppi e strati di fibre, invece della loro distribuzione su tutto il materiale (nota 1), provocando così la caduta e il cedimento della matrice.

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Per risolvere il problema degli strati di fibra di carbonio che si separano e mantenere la forza di interposizione sull’asse z, gli ingegneri hanno esplorato una varietà di modi di “cucire” insieme le fibre, intrecciarle o anche fissare insieme gli strati della matrice. Tutte queste possibili soluzioni spesso portano a un miglioramento del failure mode dei materiali, ma sono anche costose, o meccanicamente controproducenti o tecnicamente difficili: punti o perni di fissaggio relativamente grandi possono penetrare e danneggiare

gli stessi strati di fibra di carbonio.

Un gruppo di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Boston (Usa), guidato da Brian Warlde - Professore Associato di Aeronautica e Astronautica - è convinto che rafforzare strati di fibre con nanotubi sia un modo molto promettente per aumentare l’integrità zdirezionale di laminati compositi nell’industria aerospaziale. Questo risultato può essere ottenuto “cucendo insieme” gli strati di laminato: cucendo nanotubi di carbonio tra strati di materiali compositi

nota 1: Kit Eaton - Airplane Skins: 10 Times Stronger with Nano-Stitching - http://www.fastcompany.com/1197046/airplane-skins-10-times-stronger-nano-stitching [accessed July 2013] nota 2: Steven Ashley - Nanostitching, ‘fuzzy fibers’ boost composites’ through-plane proper ties - http://www.sae.org/mags/sve/6763 [accessed July 2013] nota 3: Kit Eaton - Airplane Skins: 10 Times Stronger with Nano-Stitching - http://www.fastcompany.com/1197046/airplane-skins-10-times-stronger-nano-stitching [accessed July 2013] nota 4: Guzman de Villoria, R. et al. “Aligned Carbon Nanotube Reinforcement of Aerospace Carbon Fiber Composites: Substructural Strength Evaluation for Aerostructure Applications.” in Proceedings of the 53rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, April 2012, Honolulu, Hawaii

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Ricerca

in fibra di carbonio questi possono essere resi fino a dieci volte più forti.

L’impiego di questa tecnica potrebbe anche portare a strutture di aerei notevolmente più sicure e leggere. Un miglioramento delle proprietà nella direzione “through plane” potrebbe comportare una maggiore tolleranza ai danni, attributo di particolare rilevanza per un composito data la famigerata difficoltà nel risalire visivamente a danni strutturali sulle sue superfici.

I nanotubi di carbonio - solo un miliardesimo di metro di spessore - sono i materiali in fibra più forti finora identificati. La tecnica sviluppata presso il MIT è stata chiamata “nanostitching”, uno schema di crepa-chiusura dove nanofibre colmano il divario tra strati compositi preimpregnati (nota 2).

La tecnica implica che i nanotubi siano incorporati direttamente nei materiali compositi in fibra di carbonio. La colla polimerica tra fibre di carbonio viene quindi riscaldata a uno stato più liquido; i nanotubi nel frattempo sono introdotti perpendicolarmente tra gli strati e risucchiati dal “collante” ad ogni estremità dello strato. Poiché i nanotubi sono molto più piccoli delle fibre, non ne compromettono l’integrità: piuttosto riempiono lo spazio tra le fibre con un composito colla/nanotubo ancora più forte di quanto la colla da sola sarebbe (nota 3).

Alcuni risultati della ricerca condotta

presso il MIT per quanto riguarda l’utilizzo di nanotubi di carbonio per rinforzare i compositi aerospaziali sono riportati fra i proceedings del 53rd American Institute of Aeronautics and Astronautics’ Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, tenutasi nell’aprile 2012 a Honolulu alle isole Hawaii. Il documento che ha fatto da conference proceeding (nota 4) spiega come sono stati condotti alcuni esperimenti e test.

«I nanotubi di carbonio allineati verticalmente (VACNT) - riporta l’articolo - sono stati coltivati in un forno tubolare standard (Lindberg/BlueM) per deposizione chimica da vapore (CVD) a pressione atmosferica. Wafer di silicio di grande area (20 cm x 50 cm) e rivestiti con catalizzatore per evaporazione e-beam (1 nm Fe / 10 nm Al2O3) sono stati collocati nel reattore a tubo di quarzo (44 mm di diametro interno), posizionato all’interno del forno. Il substrato viene pretrattato a 650 °C per 7 minuti in una atmosfera riducente (H2/He) per condizionare il catalizzatore. Una miscela reagente (H2/E/C2H4) viene introdotta in seguito per crescere i VACNT. La lunghezza dei VACNT è controllata variando il tempo di crescita. Per nanostitches interlaminari, la lunghezza dei VACNT usata è ~ 20 µm per evitare di aggiungere spessore supplementare all’interstrato e ciò corrisponde ad un tempo di crescita di 0,5 min».

La foresta di VACNT è stata posta sulla

superficie preimpregnata tramite trapianto. «Un nastro preimpregnato aerospaziale unidirezionale di carbonio (Hexcel AS4/8552) - prosegue il documento - è stato utilizzato per tutti i laminati nello studio, e varie tecniche sono state esplorate per trasferire con successo i VACNT al preimpregnato, facendo uso dell’adesività del materiale preimpregnato per trasferimento adesivo dal substrato di crescita Si». Un processo ottimale per il trasferimento ripetibile di VACNT è stato stabilito, ma a causa delle quantità limitate di nanostitch disponibili all’inizio del progetto, molti dei trasferimenti di VACNT utilizzati non erano ottimali. Pertanto i risultati del rinforzo possono essere considerati conservativi. I lavori continuano al MIT per ripetere molti di questi esperimenti utilizzando VACNT trasferiti in modo ottimale.

«La sequenza di laminato da impilamento utilizzata per tutte le prove - afferma il documento - è [(0/90 / ± 45) 2]s con 15 interfacce nanocucite nella stessa regione del laminato. Lo spessore nominale nanocucito prima del trattamento era 20 µm. [...]. I laminati sono stati assemblati con gli adeguati materiali da trattamento e trattati in autoclave seguendo le raccomandazioni del produttore (100 psig di pressione totale a 5°F/min fino a 335°F, con attesa di 2.5h, raffreddamento a 5°F/min fino a 140°F e pressione di sfogo, lasciando in seguito raffreddare a temperatura ambiente)».

Una volta che i laminati sono stati trattati, i campioni sono stati tagliati e preparati per ciascuna delle prove. I laminati riferimento senza nanostitching sono stati estratti dallo stesso laminato trattato. Tutti i campioni, di base e nanostitched, avevano lo stesso spessore dopo il trattamanento (2,1 mm).

BOLT BEARING TEST

Fig.2: Curve modello di spostamento del carico per la prova di trazione “bolt bearing”. Il danno iniziale da foro viene soppresso dai nanotubi di carbonio interlaminari

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Compositi

Un laminato di 210 x 300 mm² è stato curato in autoclave. Campioni base e nanostiched di 171 ± 2 mm x 36 ± 0,6 sono stati tagliati da un unico laminato.

Un foro di 5,6 mm di diametro è stato lavorato nella regione nanocucita. Una configurazione con giunzione doppia è stata adottata e il bullone di fissaggio è stato attaccato al campione di fibra di carbonio tra due piastre di acciaio.

Laminati più resistenti con il nanostiching >>

Fig.3: Impostazione del campione per compressione a foro aper to.

La regione grigia indica l’area “nanocucita” (a). Impostazione del test che mostra la posizione del sensore di emissione acustica (b)

Fig.4: Curve modello di carico da test di compressione del foro aper to (rosso) ed eventi di emissione acustica (verde) prodotti durante la prova sui campioni di base (a sinistra) e nanocuciti (a destra). Si noti la diversa scala di ur ti di emissione acustica

«Confrontando i laminati di riferimento con quelli nanocuciti si osserva un comportamento diverso - riporta l’articolo -.

Per i laminati di base, un comportamento di iniziazione chiaro viene rilevato come un abbassamento nella curva del carico di spostamento, tuttavia i VACNTs sopprimono questo danno da foro inizialmente osservabile nei laminati nanocuciti. Questo effetto di rinforzo è correlato all’effetto rafforzato dei CNT nella direzione attraverso lo spessore [...].

Come previsto per l’orientamento dei CNT, la forza bolt bearing non è stata influenzata dai CNT interlaminari. Tuttavia, poiché l’insorgenza di danno è soppressa, la forza utile (valore da design) di

Fig.5: Schema di campione di laminato a forma di L. Un lato del campione (bianco) viene serrato su un lato e una forza è applicata (P) alla L come mostrato

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Enabling Lightweight Composite Design Enabling Lightweight Enabling Lightweight Composite Design Composite Design

HyperWorks model courtesy of [AB]structures. Original photo Paul Todd/ Volvo Ocean Race

• Design beyond black metal HyperWorks model courtesy of [AB]structures. Original photo Paul Todd/ Volvo Ocean Race

HyperWorks model courtesy of [AB]structures. Original photo Paul Todd/ Volvo Ocean Race

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Laminati più resistenti con il nanostiching

Fig.6: Deformazione a rottura (Δ) del laminato a forma di L durante la prova di resistenza alla flessione. Campioni di riferimento (blu) e nanocuciti (verde). Δ indica la deformazione media a rottura

questi laminati (la forza critica offset del cuscinetto) è aumentata di almeno il 30%. I risultati sono consistenti, in particolare la soppressione dell’osservabile abbassamento in carico».

OPEN HOLE COMPRESSION TEST Un laminato di 210 x 270 mm² è stato trattato in autoclave. Campioni di base e nanocuciti di 220 ± 2 mm x 24 ± 0,5 sono stati tagliati da un unico laminato.

Il campione è simile a quello utilizzato in una prova di trazione standard, ma con un foro centrale (5,6 mm di diametro) lavorato nella regione nanocucita (25 x 25 mm²). Il laminato è stato collocato tra due piastre piane forate (con foro di diametro 20 mm) per evitare deformazioni e caricato in compressione. Un sensore di emissione acustica (AE-Acoustic Emission) è stato posto su una delle piastre metalliche vicino alla zona nanocucita al fine di monitorare eventi di danno durante la prova. Cinque campioni di base e tre campioni nanocuciti sono stati testati.

«La forza ultima di questi laminati - si legge nel documento - mostra un aumento medio del 10%, attribuito al rinforzo interlaminare in nanotubi di carbonio, in particolare la resistenza alla de laminazione, fondamentale in una simile prova a causa della propagazione di delaminazioni presso le interfacce fra gli strati in modalità combinate che comprendono deformazioni dei sublaminati. Un’analisi dei dati dal sensore acustico rivela che

per i campioni di base gli eventi acustici appaiono a carichi inferiori che nei campioni nanocuciti. Tuttavia, una volta che un carico limite viene raggiunto, il numero di eventi acustici prodotti nel campione nanocucito è notevolmente superiore a quello del campione di base. Questo potrebbe indicare un effetto di rafforzamento dei nanotubi di carbonio, nel senso che il danno è distribuito in modo più ampio in una modalità di microfessurazione, piuttosto che concentrarsi in grandi (ma meno frequenti) eventi acustici di delaminazione. Tuttavia, è necessaria un’analisi più approfondita a sostegno di questa ipotesi».

L-SHAPE LAMINATE BENDING STRENGTH TEST Due laminati a forma di L di 220 x 200 mm² sono stati piegati di 90 ° (7 mm raggio di cur vatura) prima del trattamento. I campioni sono stati tagliati da questi laminati ad una larghezza di 20 mm. Per gli esemplari nanocuciti, la regione di nanotubi di carbonio (50 x 20 mm²) è stata centrata sulla par te piegata. Un lato del campione è stato bloccato ed una forza è stata applicata al lato libero del campione fino a quando il campione non ha ceduto. Il campione con nanotubi di carbonio è stato testato nella regione nanocucita.

«Entrambi i laminati di riferimento e nanocuciti hanno lo stesso spessore e qualità nella regione L, ed entrambi hanno ceduto allo stesso carico duran-

te la prova (~450 N) - afferma il documento -. I nanotubi di carbonio allineati verticalmente sembrano sopprimere le modalità critiche pre-guasto, aumentando la deformazione a rottura dei campioni nanocuciti del 20% rispetto ai campioni di riferimento e richiedendo il 40% di energia per rompere i campioni.

L’analisi della L-regione di un campione nanocucito rivela CNT allineati tirati fuori dalle inter facce delle micro-fessure prodotte durante la prova. Anche se i nanotubi di carbonio allineati verticalmente sono circa di 20 µm di lunghezza, solo 2-3 µm sono tirati fuori dalla resina. Non è possibile stimare la modalità di guasto dei CNT, e cioè, per estrazione, modalità mista, ecc tramite l’ispezione SEM».

CONCLUSIONI Durante lo studio condotto dai ricercatori del MIT un cambiamento nel comportamento dei laminati è stato osservato quando vengono aggiunti dei nanotubi di carbonio allineati verticalmente tra gli strati di fibra di carbonio. I nanotubi legano i diversi strati migliorando le proprietà interlaminari e arrestando alcune modalità di pre-failure, senza creare unaumento dello spessore interstrato, né causare cambiamenti nella capacità di reggere il carico delle fibre di carbonio nella direzione piana. Una diminuzione della capacità di reggere il carico è tipicamente osservata a causa di danni da tradizionali cuciture e approcci di zpinning.

Anche se l’obiettivo principale del nanostitching è di prevenire o ridurre al minimo la delaminazione degli strati in fibra di carbonio in strutture di aeromobili, i materiali compositi rinforzati con nanotubi sono risultati più di 1 milione di volte più elettricamente conduttivi rispetto alle loro controparti senza nanotubi.

Tale peculiarità è particolarmente utile quando il materiale viene usato per fabbricare aeromobili, che sono notoriamente a rischio di fulmini. L’uso dei nanotubi di carbonio elettricamente conduttivi dovrebbe consentire ai progettisti di aeromobili di adattare le caratteristiche elettriche e di stealth e di offrire una migliore gestione degli effetti dei fulmini, delle scariche elettrostatiche e delle interferenze elettromagnetiche.

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Compositi

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Research

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

di Mario Pierobon* - Camilla Carraro**

Nanostiching for more resistant laminates

Sewing together layers of laminates using carbon nanotubes vertically aligned between fiber layers is the technique developed by researchers at the Massachusetts Institute of Technology to address the phenomenon of delamination and develop safer aircraft structures composite typically consists of a matrix of strong fibres arranged in layers which are held together and fused into a solid body by a glue or resin. When a composite fails it is usually because the glue binding the fibres together has separated.

This causes the fibre matrix to fall apart, potentially failing as excessive forces are applied to particular groups and layers of fibres, rather than being distributed throughout the material (note 1).

In order to solve the issue of carbon fibre plies coming apart and maintain z-axis interply strength, engineers have explored a variety of ways to stitch the fibres together, braid them or even weave and pin the layers of the matrix together. All these possible solutions often result in improving the failure mode of the materials but are also often either costly, mechanically counterproductive or technically difficult, the relatively large stitches or pins penetrate and damage the carbon fibre plies themselves.

A group of researchers at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) led by Brian Warlde - Associate Professor of Aeronautics and Astronautics – is convinced that reinforcing layers of fibres with nanotubes is very promising as a means to increase the z-directional integrity of aerospace composite laminates. This result can be achieved by “stitching together” the laminate plies: by stitching carbon nanotubes among layers of

A

carbon fibre composite materials these can be made up to ten times stronger.

The technique could also lead to aircraft structures which are considerably safer and lighter. Improved properties in the throughplane direction could result in enhanced damage tolerance, a particularly valuable attribute for a composite given the notorious difficulty in visually indentifying structural damages to composite surfaces.

Carbon nanotubes – which are only one billionth of a meter thick – are the strongest fibre materials yet identified. The technique developed at the MIT has been called “nanostitching”, a crack-closure scheme whereby nanofibers bridge the gap between prepreg composite plies (note 2).

The technique implies that nanotubes are incorporated directly into the carbon fibre composite materials. The polymer glue between carbon fibres is then heated to a more liquid state; meanwhile nanotubes are introduced perpendicularly between the layers, and sucked into the “glue” at each end of the layer. Since the tubes are much smaller than the fibres, they do not detrimentally affect the fibre’s integrity, they rather fill up the space between the fibres with a glue/nanotube composite which is even stronger than glue alone would be (note 3).

Some results of the research conducted at the MIT with regard to the use of carbon nanotubes to reinforce aerospace carbon fibre

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composites are reported in the proceedings of the 53rd American Institute of Aeronautics and Astronautics’ Structures, Structural Dynamics and Materials Conference held in April 2012 in Honolulu, Hawaii. The conference proceedings paper (note 4) explains how some experiments and tests were conducted.

“Vertically aligned carbon nanotubes (VACNTs) – the paper reports –were grown in a standard tube furnace (Lindberg/BlueM) by chemical vapor deposition (CVD) at atmospheric pressure. Large area (20 cm x50 cm) silicon wafers coated with catalyst by e-beam evaporation (1 nm Fe / 10 nm Al2O3) were placed in the quartz tube (44 mm inner diameter) reactor, positioned inside the furnace. The substrate is pretreated at 650°C during 7 minutes in a reducing atmosphere (H2/He) to condition the catalyst. A reactant mixture (H2/E/C2H4) is introduced afterwards to grow VACNTs. VACNT length is controlled by varying the growth time.

For interlaminar nanostitches, the VACNTs length used is ~20 µm to avoid introducing additional thickness to the ply interlayer, which corresponds to a 0.5 min growth time”.

The VACNT forest was placed on the prepreg surface by transplantation. “A unidirectional aerospace carbon prepreg tape (Hexcel AS4/8552) – continues the paper - was used for all laminates in the study, and various techniques were explored to successfully transfer VACNTs to the prepreg by making use of the tackiness of the prepreg material for adhesive transfer from the Si growth substrate”. An optimal process for repeatable transfer of VACNTs was established, but due to limited quantities of nanostitch available at the start of the projects, many of the VACNT transfers used were not optimal. Therefore the results of reinforcement may be considered as conservative. [...]. Ongoing work is aimed at repeating many of these experiments using optimally-transferred VACNTs. “The laminate stacking sequence for all tests – states the paper – is [(0/90/±45)2]s with 15 nanostiched interfaces in the same region of the laminate. The nominal nanostiched thickness before curing was 20 µm. [...]. The laminates were assembled with the appropriate cure materials and cured in an autoclave

Nota 1: Kit Eaton - Airplane Skins: 10 Times Stronger with Nano-Stitching - http://www.fastcompany.com/1197046/airplane-skins-10-times-stronger-nano-stitching [accessed July 2013] Nota 2: Steven Ashley - Nanostitching, ‘fuzzy fibers’ boost composites’ through-plane proper ties - http://www.sae.org/mags/sve/6763 [accessed July 2013] Nota 3: Kit Eaton - Airplane Skins: 10 Times Stronger with Nano-Stitching - http://www.fastcompany.com/1197046/airplane-skins-10-times-stronger-nano-stitching [accessed July 2013] Nota 4: Guzman de Villoria, R. et al. “Aligned Carbon Nanotube Reinforcement of Aerospace Carbon Fiber Composites: Substructural Strength Evaluation for Aerostructure Applications.” in Proceedings of the 53rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, April 2012, Honolulu, Hawaii

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Compositi

UN NUOVO STANDARD TECNOLOGICO

“I risultati dei test erano incredibili!”

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Research

following the manufacturer’s recommendations (100 psig of total pressure at 5° F/min to 335° F, hold for 2.5h, cool at 5° F/min to 140° F and vent pressure, let cool to room temperature)”.

Once the laminates were cured, samples were trimmed and prepared for each of the following tests. Baselines/reference laminates without nanostitching were extracted from the same cured laminate. All of the samples, baseline and nanostitch specimens, had the same thickness after curing (2.1 mm).

BOLT BEARING TEST A 210 x 300 mm² laminate was cured in the autoclave. Baseline and nanostiched specimens of 171±2 mm x 36±0.6 were trimmed from a single laminate. A 5.6 mm diameter hole was machined into the nanostitched region. A double-lap joining configuration was adopted, and the bolt fastener was attached to the carbon fiber specimen between two steel plates.

“By comparing reference and nanostitched laminates – reports the paper - a different behavior is observed. For the baseline laminates, a clear initiation behavior is detected as a drop in the load displacement curve, however, VACNTs suppress this initial (onset) observable hole damage in the nanostitched laminates. This reinforcement effect is related to the reinforced effect of the CNTs in the through-thickness direction [...]. As expected for the CNTs orientation, the ultimate boltbearing strength was not affected by the interlaminar CNTs. However, because the onset of damage is suppressed, the useful strength (design value) of these laminates (critical offset bearing strength is increased by at least 30%). The results are consistent, in particular the suppression of the observable drop in load”.

OPEN HOLE COMPRESSION TEST A 210 x 270 mm² laminate was cured in the autoclave. Baseline and nanostitched specimens of 220±2 mm x 24.0±0.5 were trimmed from a single laminate. The test specimen is similar to that used in a standard tensile test but with a centrally located hole (5.6 mm diameter) machined into the nanostitched region (25 x 25 mm²). “The laminate – reports the paper - was placed between two holed (20 mm diameter) flat platens to prevent buckling and loaded in compression. An acoustic emission (AE) sensor was placed on one of the metal plates close to the nanostitched area in order to

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Compositi

Nanostiching for more resistant laminates

monitor damage events during the test. Five baseline and three nanostitched specimens were tested.

“Ultimate strength of these laminates – states the paper – shows an average increase of 10% which is attributed to the interlaminar carbon nanotube reinforcement, particularly delamination resistance which is critical in such a test due to propagation of delaminations at ply interfaces in combined modes including sublaminate buckling.

Analysis of the data from the acoustic sensor reveals that for the baseline samples, acoustic events appear at lower loads than in the nanostitched samples. However, once a threshold load is reached, the number of acoustic events produced in the nanostitched sample is remarkably higher than in the baseline sample. This might indicate a reinforcement effect of the CNTs in that damage is distributed more broadly in a microcracking mode rather than concentrating in large (but fewer) delamination acoustic events, however, a deeper analysis is needed to substantiate this hypothesis”.

L-SHAPE LAMINATE BENDING STRENGTH TEST Two L-shaped laminates of 220 x 200 mm² were bent 90 degrees (7 mm of radius of curvature) prior to curing. “Specimens – the researchers noted – were trimmed from these laminates to a 20 mm width. For the nanostitched specimens, the carbon nanotube region (50 x 20 mm²) was centered on the bent section. One side of the specimen was clamped and a force was applied to the free side of the specimen until the specimen failed. The specimen with carbon nanotubes was tested in the nanostitched region”.

“Both reference/baseline and nanostitched laminates – the paper states – have the same thickness and quality in the L region, and both failed at the same load during the test (~450 N). The vertically aligned carbon nanontubes seem to suppress critical pre-failure modes, increasing the deflection at failure of the nanostiched samples by 20% relative to the reference samples and requiring 40% more energy to break the samples. Analysis of the L-region of a nanostitched sample reveals aligned CNTs that were pulled out from the interfaces of the micro-cracks produced during the test. Although the vertically aligned carbon nanotubes are around 20 µm length, only 2-3 µm are pulled out from the resin. It is not possible to assess the failure mode of the CNTs, i.e., pullout, mixed mode, etc. via the SEM inspection”.

To summarise, during the study conducted by the researchers at MIT a change in laminated behavior has been observed when vertically aligned carbon nanotubes are added between the carbon fiber plies. Nanotubes bridge the different plies improving the interlaminar properties and arresting some pre-failure modes, without creating an increased interlayer thickness, nor causing changes in the load-carrying capability of the in-plane carbon fibers. A decrease in load-carrying capability is typically observed due to damage from traditional stitching and z-pinning approaches.

Although the primary goal of such “nanostitching” is to prevent or minimize carbon fiber ply delamination in aircraft structures, composites reinforced with nanotubes are also reported as more than 1 million times more electrically conductive than their counterparts without nanotubes. This peculiarity is particularly helpful when the material is used to fabricate aircraft, which are notoriously at risk of lightning strikes. The use of the electrically conductive carbon nanotubes should enable aircraft designers to tailor electrical and stealth characteristics as well as offer better handling of lightning strikes, electrostatic discharges, and electromagnetic interference.

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All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Bolt bearing specimen scheme. The grey region indicates the nanostitched region (a).

Mechanical test set-up (b).

Fig.2: Exemplary load-displacement curves for the bolt-bearing tensile test. The initial (onset) hole damage is suppressed by the interlaminar CNTs. Fig.3: Open hole compression specimen set-up.

The grey region indicates the nanostitched area (a). Test set-up showing the position of the acoustic emission sensor (b).

Fig.4: Exemplary loading curves from open hole compression testing (red) and the acoustic emission (AE) events (green) produced during the test for baseline (left) and the nanostitched samples (right). Note the different AE hits scale.

Fig.5: L-shape laminated specimen scheme. One side of the specimen (white) is clamped (pattern) on one side and a force is applied (P) to the L as shown Fig.6: Deflection at failure (Δ) of L-shape laminated bending strength test. Baseline/REF (blue) and nanostitched samples (green). Δ indicates the average deflection at failure

Progettazione

*Olivari Composite Engineering, Italy

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di Luca Olivari*

I compositi in alta quota La realizzazione di due bivacchi con strutture in fibre di vetro multiassiale e anima in PVC, uno sul Monte Bianco e l’altro sul Caucaso, dimostra come i compositi costituiscano un’eccellente soluzione anche in condizioni atmosferiche estreme. re anni fa la società Leapfactory ha commissionato allo studio Olivari Composite Engineering lo sviluppo di un loro progetto di bivacco in alta quota. Il tema raccoglieva tutte le prerogative strutturali che deve avere una barca a vela per navigare in tutti i mari del mondo. Nacque così il bivacco Gervasutti, montato a un’altezza di 3000 m sul massiccio del Monte Bianco.

Per la costruzione dei moduli del bivacco Gervasutti è stata scelta la costruzione in infusione utilizzando resina vinile-

T

stere, fibre di vetro multiassiali e anime di PVC espanso di varie densità spesse fino a 40 mm. Tutti i componenti realizzati in infusione sono stati assemblati utilizzando un adesivo metilmetacrilato.

Il peso del guscio è di 11 kg per m2 e quello di un modulo assemblato di 400 kg. I moduli si montano su di una struttura longitudinale, chiamata “cassone”, ancorata alla roccia attraverso zampe regolabili in acciaio.

I primi due inverni trascorsi ancorato ad una parete di roccia e sommerso dalla

neve fanno pensare che questa trasposizione di esperienza tecnica dal mare alla montagna si stia rivelando concettualmente corretta.

Il successo di questa prima realizzazione ha suscitato pertanto molto interesse e curiosità. Tra le varie richieste per realizzare altri bivacchi dello stesso tipo si è concretizzata quella del “North Caucasus Mountain Club”, che ha dato origine ad un nuovo progetto: il bivacco sul monte El’brus, la vetta più alta della Catena del Caucaso in Russia.

Compositi

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Progettazione

Fig. 2: Il blocco “day” durante le fasi di assemblaggio. Mancano ancora i tamponi delle finestre. All’interno si vedono le flangie che erano raffigurate nell’immagine dell’analisi ad elementi finiti

rasor pubblicita aprile 2013.ai

22/04/2013

Fig. 1: Infusione di un semimodulo

9.38.54

I compositi in alta quota >> IL NUOVO BIVACCO Quando i moduli del bivacco Gervasutti erano in costruzione, già si pensava a possibili innovazioni per diminuirne il peso e semplificarne la costruzione. Sotto il profilo strutturale, però, non erano necessari particolari aggiornamenti. Pertanto, anche il bivacco El’brus poteva essere realizzato con gli stessi laminati e le stesse strutture impiegate in precedenza. Ma la diversa composizione dei moduli in tre blocchi costituiti da 6 e 7 unità sviluppati per il nuovo progetto generava dei bivacchi più lunghi del bivacco Gervasutti, composto solamente da 4 moduli.

Inoltre, il blocco “Day”, composto da 6 moduli, aveva una fiancata interamente costituita da finestre e 4 moduli senza le paratie di supporto interne. Da qui la scelta di fare un nuovo modello per l’analisi ad elementi finiti del blocco “Day”, in particolare per verificarne deformazioni e tensioni nelle zone ritenute critiche, come la parte superiore e la fiancata con le finestre. Nella fase preliminare del nuovo progetto una serie di dettagli costruttivi sono stati concordati con gli architetti della Leapfactory e il costruttore della Nayl Compositi. Tali dettagli sono finalizzati principalmente alla semplificazione della costruzione, ma sono stati introdotti nel nuovo modello FEM. Durante la progettazione e la costruzione del bivacco Gervasutti le possibili sollecitazioni sulla struttura, da un punto fisico e meccanico, non erano tutte così evidenti, come non erano molti i dati disponibili sul comportamento dei materiali compositi alle basse temperature. Poiché i moduli, realizzati in semigusci, dovevano essere incollati tra di loro con l’adesivo strutturale della Plexus, Vaber Industriale, concessionario esclusivo per l’Italia dei prodotti ITW PLEXUS®, fece eseguire dei test a bassa temperatura su campioni di laminato incollati tra di loro, con risultati più che soddisfacenti: il temuto irrigidimento alle basse temperature dell’adesivo non ne abbassava le proprietà meccaniche. Inoltre, vista la scarsa disponibilità dei dati meteorologici, per calcolare le sollecitazioni della neve e del vento ci si era affidati alle formule del regolamento per le costruzioni realizzate in alta montagna.

Qualche semplice prova strutturale sul bivacco assemblato in cantiere aveva confermato le deformazioni previste.

Fig. 3: Vista del modello completo. I colori rappresentano i vari laminati

Fig. 4: Le deformazioni indotte dal carico della neve. I moduli con le finestre non hanno paratie intermedie, infatti la deformazione è più impor tante (22 mm) in quella zona

Fig. 5: Sollecitazioni del bivacco visto dall’interno.

Le costole in corrispondenza delle finestre hanno i coefficienti più alti secondo il criterio quadratico di Tsai, comunque con fattori di sicurezza sempre superiori a 2

Compositi

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Progettazione

Fig. 6: Assemblaggio di un blocco “Night” sul trave di suppor to

Fig. 7: Vista dell’interno. Si vede il PVC quadrettato, le flangie di giunzione e due oblò incollati con il Plexus

LO SVILUPPO Forte di questi risultati, il progetto El’brus è stato sviluppato con gli stessi presupposti. Le principali differenze rispetto al Gervasutti consistono nell’utilizzo di flangie di accoppiamento tra i moduli più robuste e con un minor numero di viti di collegamento. Un nuovo pavimento è stato progettato per dare un contributo maggiore alla rigidità dei moduli. I travi, che costituiscono la spina dorsale del bivacco, molto più lunghi di quello del Gervasutti, sono realizzati in due pezzi per problemi di dimensioni e peso durante il trasporto.

Il sistema di ancoraggio tramite le zampe di acciaio, che aveva funzionato bene sul Gervasutti, è stato replicato anche per i bivacchi dell’El’brus.

I moduli del nuovo bivacco sono realizzati in un pezzo unico per semplificare la costruzione. Le parti incollate sono i pavimenti, le paratie interne, gli oblò, le porte, i tappi terminali e varie parti dei travi. I laminati, la densità e lo spessore sono rimasti quasi identici ovunque.

I moduli senza paratie hanno un laminato rinforzato e le flangie di collegamento sono rinforzate con fibre unidirezionali. Il peso medio teorico di un modulo è di 450 kg, che per il bivacco Gervasutti rappresentava il peso limite trasportabile dall’elicottero. La costruzione è stata fatta in stampi femmina con tecnica di infusione di resina vinilestere.

Nei prossimi mesi i componenti del bivacco verranno trasportati in Russia con dei camion, per poi raggiungere la vetta dell’El’brus in elicottero, in modo da completare questa spettacolare realizzazione.

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Design

Olivari Composite Engineering, Italy

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by Luca Olivari

Composite materials at high altitudes The construction of two bivouac huts with structures made out of multiaxial glass fibers and PVC core, and placed on the Mont Blanc and on the Caucasus Mountains, respectively, shows how composite materials represent an excellent solution even in extreme climate conditions. hree years ago Leapfactory company requested Olivari Composite Engineering to develop their project for a bivouac at high altitude. The project presented all structural features typical of a sailing boat suitable to any offshore sailing condition. This is how the bivouac Gervasutti was born and assembled at a height of 3000 m on the Mont Blanc massif.

The manufacturing technique of choice for the modules of the Gervasutti hut was the infusion with vinylester resin, multiaxial glass fibers and expanded PVC cores of various densities and thickness up to 40 mm. All components manufactured by infusion were assembled using a methacr ylate adhesive. The weight of the shell was 11 kg/m2 and that of a module was 400 kg. Modules were assembled on a longitudinal structure which was anchored to the rock by means of adjustable steel legs.

After the hut spent two winters anchored to the rock and totally covered in snow we may think that this transfer of technological expertise from the sea the mountain environment is eventually proving to be conceptually correct.

The success of this first building experience has therefore created a large interest and curiosity. Among several requests

T

to build similar pods, the one expressed by the “North Caucasus Mountain Club” has become reality and has given rise to a new project: the bivouac hut on the mount El’brus, the highest peak in the Caucasus Mountains in Russia.

THE NEW BIVOUAC Very often new ideas arise that improve a design already in the construction stage. Therefore, while the bivouac Gervasutti modules were under construction we began thinking about innovative ideas in order to reduce their weight and simplify their manufacturing process. As a matter of fact, no special updates were necessary in structural terms.

Hence the El’brus bivouac could also be built with the laminates and structures we previously used. On the other hand, the different module assembly in three blocks made out of 6 and 7 units developed for the new design generated longer pods with respect to the Gervasutti hut, that was made out of 4 modules only.

Furthermore, the “Day” block, consisting of 6 modules, had a side wall completely made out of windows and 4 modules without internal supporting bulkheads. Hence we chose to develop a new model for the finite element analy-

sis of the “Day” block, in order to check in particular deformation and stresses in the supposedly critical parts, i.e. the top and the windowed side wall.

A number of construction details were decided in agreement with LEAPfactory’s architects and the manufacturer Nayl Compositi during the preliminary design stage. Such details were essentially aimed at the simplification of the manufacturing process, but they were implemented in the new FEM model as well.

From a physical and mechanical point of view, during the design and construction of the bivouac Gervasutti all possible structural stresses were not completely evident, neither we had many data about the behaviour of composite materials at low temperature. Since the modules were made out of half-shells and hence had to be glued together with PLEXUS structural adhesive, Vaber Industrial, exclusive dealer in Italy of ITW Plexus® products ordered low-temperature tests on glued laminate samples, with more than satisfactory results: the feared adhesive stiffening at low temperatures did not reduce its mechanical properties.

Moreover, given the limited availability of meteorological data, formulas taken from building standards for high-mountain construction were applied. A few

Compositi

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english text

Design

simple structural tests on the pod assembled at the construction site confirmed the expected deformations.

THE DEVELOPMENT

On the basis of such positive results, the El’brus design was developed upon the same assumptions. The main differences with respect to the Ger vasutti hut consist in the use of more robust coupling flanges between the modules, with a smaller number of connection screws. A new floor was designed in order to increase the contribution to the modules’ rigidity. The beams (which are the backbone of the hut) are much longer than those of the Ger vasutti hut and are made up of two pieces because of size and weight issues during transpor t.

The anchoring system by means of steel legs, which worked well for the Gervasutti hut, was reproduced for the El’brus bivouacs, too.

Composite materials at high altitudes

The modules of the new bivouac are made out of a single piece in order to simplify the manufacturing process. The glued parts are the floor, the internal bulkheads, the portholes, the doors, the end caps and several beam components of the beams. Laminates and their density and thickness were almost unaltered everywhere.

Modules without bulkheads have a reinforced laminate and connecting flanges are reinforced with unidirectional fibers.

The theoretical average weight of a module is 450 kg, which represented the limit of the weight that could be transported by helicopter for the bivouac Gervasutti. The manufacture was made in female molds with vinylester resin infusion.

In the coming months the bivouac components will be transported to Russia by truck and will then reach the El’brus peak by helicopter so that this spectacular construction is completed. â–

All the mentioned figures refer to the italian version Fig. 1: Infusion of a half-module Fig. 2: The “Day� block during the assembly stage. Window pads are still missing. Flanges (also shown in the picture presenting the finite element analysis) can be seen inside Fig. 3: View of the complete model. Colours represent different laminates Fig. 4: Deformations induced by the snow load.

Modules with windows have no intermediate panels, indeed the deformation is more prominent (22 mm) in such area Fig. 5: Stresses on the pod as viewed from the inside. The ribs at the windows’ position have the highest coefficient according to the Tsai quadratic criterion, nevertheless the safety factors are always larger than 2 Fig. 6: Assembly of a “Night� block on the support beam Fig. 7: Interior view showing the checkered PVC, the connecting flanges and two portholes glued with the Plexus adhesive

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Industria

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di Sergio Segreto* - Gianmario Rossi** - Alessio Luschi*** - Tomasz Sterzynski**** - Janusz Krasucki*****

La rivoluzione negli handling system I compositi come chiave della competitività anche per il settore della movimentazione merci. Lo dimostra il prototipo di transpallet in poliammide rinforzato con fibre di vetro sviluppato nell’ambito del progetto ECOPAT, più leggero del 55% rispetto alle tradizionali soluzioni in acciaio e capace di sollevare carichi fino a 1.000 kg. l progetto europeo ECOPAT Development of a cost-effective and lightweight hand pallet truck for application in material handling è stato avviato per progettare e sviluppare una nuova generazione di transpallet leggeri, chimicamente inerti e competitivi nel costo per l’impiego nella movimentazione delle merci. I potenziali vantaggi legati all’introduzione di materiali polimerici più leggeri nella produzione dei transpallet comprendono il basso peso a vuoto, che si traduce in una maggiore manovrabilità che migliora le condizioni operative dei lavoratori, la riduzione di materie prime e dei costi di produzione, l’elevato contenuto tecnico e tecnologico che impedisce l’esportazione del ciclo produttivo in paesi a basso costo di manodopera, l’elevata inerzia chimica che riduce i rischi di corrosione e contaminazione nel caso di utilizzi nell’industria alimentare e farmaceutica in ambienti umidi/salini dove si impiegano ad oggi transpallet in acciaio inossidabile. Completano la lista la significativa riduzione del rumore, l’eco-compatibilità, il miglioramento dell’ergonomia funzionale.

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una matrice polimerica è rinforzata con fibre o nastri ad elevata tenacità della stessa famiglia polimerica, come polipropilene rinforzato da fibre di polipropilene, creando così un materiale più resistente e rigido di circa 3-5 volte rispetto al polimero non rinforzato. Ciò consente di utilizzare meno materiale per realizzare un componente, a parità di proprietà meccaniche. Inoltre, a differenze delle plastiche rinforzate con vetro o carbonio, le plastiche autorinforzate non sono contaminate da elevati livelli di fibre minerali, per cui hanno lo stesso livello di riciclabilità e densità del polimero di base.

Di seguito si riportano in dettaglio i risultati scientifici e tecnologici che il progetto ECOPAT ha permesso di ottenere. In breve, lo studio ha considerato metodi alternativi per ottenere materiali compositi autorinforzati a partire sia da granu-

li che da fogli, che sono stati successivamente testati per valutare l’influenza dei parametri di processo sulle proprietà meccaniche finali.

■ ■ Granuli e fogli da fibre bi-componenti commerciali Per produrre fogli semi-finiti e granuli autorinforzati per, rispettivamente, i macchinari di stampaggio a compressione e iniezione, sono state usate inizialmente fibre bi-componenti commerciali.

A partire da questi materiali, sono stati prodotti tessuti non tessuti semi-finiti attraverso il processo di giunzione termica derivato dall’industria tessile (fig.1 – sinistra). Il processo riscalda le fibre fino alla loro temperatura di rammollimento, per cui le proprietà del tessuto sono le stesse del materiale di partenza.

I granuli sono stati invece ottenuti attra-

RISULTATI Il progetto ECOPAT si basa sullo sviluppo di plastiche autorinforzate (SRP) per la produzione di componenti strutturali dei transpallet.

Le plastiche autorinforzate sono una nuova classe di materiali innovativi in cui

Fig.1: Campione di tessuto non tessuto ottenuto da fibre di CoPP/PP (sinistra) e impilamento dei tessuti prima dei test di stampaggio a compressione (destra)

whire thermocouple

semi-finished sheets

Compositi

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Industria

La rivoluzione negli handling system >> vini stampati ad iniezione mostrano che: • le condizioni termodinamiche di processo degradano le fibre di rinforzo • le proprietà meccaniche dei provini sono confrontabili con quelle del materiale non rinforzato.

L’approccio di utilizzare fibre bi-componenti commerciali come materiale di partenza per le tecnologie di stampaggio ad iniezione e compressione è stato un metodo efficace ed a basso costo per ottenere compositi autorinforzati. L’utilizzo iniziale di queste fibre commerciali ha consentito ai partner di progetto di approfondire le proprie conoscenze sul comportamento e sulle condizioni termodinamiche in lavorazione delle plastiche autorinforzate.

Fig.2: Provini in composito autorinforzato dopo i test di resistenza a trazione

Fig.3: Fogli con configurazione cross-ply (sinistra) e immagine al microscopio della sezione del provino stampato a compressione con 24 strati di fibre raggruppati a due (destra)

verso estrusione. Dato che tale processo prevede un cambio di fase del materiale, soggetto a temperature e pressioni elevate, sono stati eseguiti test di caratterizzazione morfologica e fisica per valutare la presenza di fibre di rinforzo e le proprietà reologiche del granulo.

Successivamente, si sono eseguiti test di stampaggio ad iniezione con i granuli e di stampaggio a compressione sia con i granuli sia con i tessuti per ottimizzare le condizioni di processo dei materiali (fig.1 – destra).

I risultati dei test meccanici e fisici sui provini stampati a compressione (fig.2) mostrano che: • le fibre di rinforzo in PP consentono un

aumento della resistenza a trazione del composito autorinforzato fino all’86% rispetto alla matrice in PP di bassa resistenza, caratterizzata da una resistenza a rottura di 44,7 MPa • il modulo elastico diminuisce; il valore minimo del modulo elastico è stato riscontrato per il provino con la resistenza a trazione più alta. Rispetto alla matrice in PP di bassa resistenza, il modulo elastico del composito autorinforzato decresce fino al 18% • l’elongazione a rottura del composito autorinforzato è molto più bassa rispetto alla matrice e decresce di circa il 57-64%.

I risultati dei test meccanici e fisici sui pro-

■ ■ Fogli da polimeri puri Fogli semi-finiti in composito autorinforzato sono stati ottenuti dal polimero Metocene HM648T (nota 1) per la matrice e dal polimero enucleato Moplen HP500N (nota 2) come rinforzo. Attraverso un processo di avvolgimento motorizzato, sono stati prodotti in laboratorio fogli autorinforzati in modo uni-direzionale e bi-direzionale e per diverse combinazioni di strati di rinforzo (fig.3 – sinistra).

I fogli semi-finiti sono stati successivamente pressati e riscaldati attraverso sistemi sia resistivi che induttivi.

Il metodo applicato, ovvero la compressione e il contemporaneo riscaldamento di strati di fibre di polipropilene orientate alternati a strati di PP basso fondente, ha portato alla produzione di compositi autorinforzati con proprietà meccaniche accettabili (fig.3 – destra). Quando viene utilizzato come matrice del composito, il PP Metocene consente di ridurre la temperatura di processo del composito. Ad ogni modo, è richiesta una selezione accurata delle condizioni termodinamiche per garantire una connessione appropriata fibra-matrice e preservare le ottime proprietà meccaniche delle fibre.

Altri aspetti cruciali per ottenere un composito autorinforzato con proprietà meccaniche vantaggiose sono la scelta dello spessore più opportuno dello strato di matrice ed il numero di strati di rinforzo.

I risultati dei test di trazione si possono ritenere soddisfacenti. In effetti, pur con una quantità ridotta di fibre orientate di PP incluse nella matrice di PP, si nota un

Compositi

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Industria

incremento significativo della resistenza a trazione del composito rispetto alla matrice pura. In particolare, se il contenuto di fibra nel composito è di circa il 30% la resistenza a trazione raggiunge i 130 MPa (circa 225% in più rispetto alla matrice pura) mentre il modulo di Young è di circa 1,7 MPa (20% in più rispetto alla matrice pura). Ad ogni modo, le proprietà meccaniche del composito autorinforzato dipendono in modo sostanziale dalla disposizione delle fibre di rinforzo. Le fibre disposte in direzione parallela a quella di applicazione del carico rendono il materiale più resistente e rigido in misura evidente. Una disposizione delle fibre ortogonale, al contrario, indebolisce il materiale. I test a trazione dei provini ottenuti per stampaggio a compressione con il sistema di riscaldamento induttivo, nonostante alcuni problemi tecnici, come il riscaldamento non uniforme e la fuoriuscita di polimero fuso dallo stampo, forniscono risultati consistenti e simili a quelli già descritti.

■ ■ Granuli da polimeri puri Il co-polimero Lumicene (nota 3) come matrice e il polimero enucleato Moplen HP500N come rinforzo sono stati usati per produrre granuli attraverso il processo di co-estrusione. Dato che il materiale subisce un cambio di fase durante il processo ed è soggetto a temperature e pressioni elevate, è stato necessario eseguire una caratterizzazione morfologica e fisica per determinare la presenza di fibre e le proprietà reologiche del composito. Un controllo accurato delle condizioni termodinamiche di processo garantisce la presenza delle fibre all’interno dei granuli.

I granuli sono stati successivamente usati per produrre provini con il processo di stampaggio ad iniezione, eseguito su una semplice pressa a pistone da laboratorio riscaldata sia con sistemi a resistenza sia ad induzione.

I test di caratterizzazione meccanica e fisica dei provini in composito autorinforzato hanno dato esito soddisfacente (fig.4). Se il contenuto delle fibre nel composito è di circa il 35% la resistenza a trazione equivale a 30 MPa (un 7% in più rispetto alla matrice pura) mentre il modulo di Young 1.5 GPa (circa il 10% in più rispetto alla matrice pura). Si otten-

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Compositi

La rivoluzione negli handling system >>

Fig.4: Provini in composito autorinforzato dopo i test di resistenza a trazione

gono gli stessi risultati con la metà delle fibre. Molto probabilmente questo comportamento inaspettato è dovuto a fenomeni di aggregazione delle fibre nel provino per elevate quantità di fibre. I test a trazione eseguiti su provini prodotti per stampaggio ad iniezione con sistema di riscaldamento ad induzione forniscono risultati analoghi.

■ ■ Riscaldamento ad induzione applicato a presse di stampaggio a compressione da laboratorio I test eseguiti con sistema di riscaldamento ad induzione confermano che questa tecnologia è più efficiente di quella a resistenza, in particolare per i

tempi di ciclo che possono essere drasticamente ridotti grazie al rapido riscaldamento dello stampo con una potenza uguale o addirittura inferiore. Allo stesso tempo, il controllo della temperatura è più accurato ed è possibile mantenere una temperatura praticamente costante durante la compressione – la deviazione non supera i 0,5° C. Tuttavia il problema principale di questo metodo è la distribuzione non uniforme di temperatura sulla superficie dello stampo, che dipende fortemente dallo stampo e dal design dell’induttore. Per risolvere il problema, è necessario ottimizzare la geometria dell’induttore attraverso analisi FE del processo di riscaldamento.

Plot type: Static displacement DIsplacement 1 (-Res disp-) Deformation scale:1

Fig.5: Spostamenti nodali del telaio del transpallet

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Industria

■ ■ Riscaldamento ad induzione applicato a presse di stampaggio ad iniezione da laboratorio Prove sperimentali del sistema di riscaldamento ad induzione eseguite su una pressa ad iniezione a pistone mostrano come questa tecnologia può essere facilmente adattata e applicata ai macchinari di stampaggio ad iniezione esistenti. A differenza dello stampaggio a compressione in cui il design dell’induttore e i parametri termodinamici dipendono fortemente dalla forma del componente da stampare e vanno settati ad hoc per ciascun caso, la progettazione di un sistema di riscaldamento ad induzione per il cilindro di plastificazione dei macchinari ad iniezione dipende soltanto dalla geometria del cilindro, dal numero e dalla collocazione delle zone riscaldanti e dalle condizioni termodinamiche di processo delle plastiche. Le analisi numeriche FE e le prove in laboratorio mostrano come

questo sistema di riscaldamento sia altamente efficiente ed in grado di generare una distribuzione di temperature molto uniforme.

■ ■ Prototipi del transpallet La progettazione e la prototipazione del telaio e del gruppo pompa del transpallet sono state eseguite prendendo a riferimento le caratteristiche del poliammide rinforzato con fibre di vetro. Sono state eseguite sia analisi strutturali statiche che dinamiche ad impatto per il materiale di riferimento e il polipropilene autorinforzato (fig.5). La capacità di carico è stata ridotta da 1000 kg a 200 kg per riflettere la riduzione delle proprietà meccaniche del PP autorinforzato quando i componenti vengono prodotti per stampaggio ad iniezione.

Sono state inoltre eseguite analisi numeriche del processo di stampaggio ad iniezione per entrambi i materiali (fig.6).

I prototipi del progetto, ovvero: • il telaio e il gruppo pompa in composito rinforzato con fibre di vetro • la versione assemblata del transpallet in composito rinforzato con fibre di vetro • la leva del gruppo idraulico in PP autorinforzato sono stati prodotti con successo (figure da 7 a 9) e testati su banco prova. Il transpallet completo è stato anche utilizzato per dimostrazioni e operazioni pratiche affidandolo a traspor tatori che hanno caricato e trasportato agilmente pallet di peso medio pari a 700/800 kg.

CONCLUSIONI Gli obiettivi tecnico-scientifici del progetto ECOPAT sono stati raggiunti con la produzione di un prototipo di transpallet in scala reale in composito rinforzato con fibre di vetro, che ha permesso di valutare le performance del prodotto ed i benefici sulle

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...handling system >> condizioni di salute e sicurezza nei reparti di movimentazione merci. Il nuovo transpallet è più leggero del 55% rispetto a quelli tradizionali in acciaio e consente di semplificarne l’uso, di migliorarne la manovrabilità e di ridurre il rumore. Inoltre, il nuovo transpallet è caratterizzato da migliori qualità estetiche, facilità di pulizia e ottima resistenza alla corrosione.

Pertanto, la nuova soluzione ha migliorato notevolmente le performance della movimentazione merci rispetto ai prodotti esistenti, consentendo il sollevamento in sicurezza di carichi fino a 1000 kg.

In parallelo, è stata condotta una ricerca sulle plastiche autorinforzate e sui loro processi di produzione, con lo scopo futuro di applicare questa nuova categoria di materiali alla produzione di transpallet. A partire da granuli e fogli in composito autorinforzato, sono stati realizzati provini per stampaggio a compressione e ad iniezione, utilizzati per la caratterizzazione delle proprietà fisiche e meccaniche del materiale. Inoltre, sono stati applicati due metodi di riscaldamento, il sistema classico a resistenza e il sistema d’avanguardia ad induzione. I provini sono stati confrontati rispetto a percentuale ed orientazione delle fibre di rinforzo, architettura degli strati e condizioni termodinamiche di processo. La ricerca ha portato alle seguenti conclusioni: • nonostante la differenza di temperature tra matrice polimerica basso fondente e fibre di rinforzo alto fondenti sia ridotta e indipendentemente dal sistema di riscaldamento, le fibre sono presenti nei provini testati.

• I provini stampati ad iniezione sono caratterizzati da proprietà meccaniche solo marginalmente migliori dei provini non rinforzati a causa di fenomeni quali il rilassamento, la parziale degradazione e l’agglomeramento delle fibre. È necessario proseguire la ricerca di base per migliorare le proprietà dei granuli in composito autorinforzato e dei processi di co-estrusione e di stampaggio ad iniezione prima di consentire il trasferimento delle tecnologie e l’applicazione del materiale a livello industriale.

• I provini stampati a compressione presentano proprietà meccaniche notevolmente superiori a quelle dei provini non rinforzati, in particolare quando le

Fig.6: Tempo di riempimento dello stampo dell’unità pompante

Fig.7: Foto del telaio del transpallet (sinistra) e del gruppo idraulico (destra)

Fig.8: Foto del prototipo complete del transpallet

Fig.9: Foto della leva del gruppo pompa realizzata in PP autorinforzato

fibre di rinforzo sono orientate nella direzione del carico. Non è necessario proseguire la ricerca di base, i processi tecnologici di produzione dei fogli semi-finiti e di stampaggio per compressione possono essere estesi dal laboratorio al livello industriale.

• Il sistema di riscaldamento ad induzione consente di ridurre i cicli di lavorazione e i consumi di energia, di migliorare la velocità di risposta del controllo termodinamico senza influire sulle proprietà del composito autorinforzato. Se applicato agli stampi per il ciclo a compressione, questa tecnologia deve essere opportunamente progettata attraverso analisi numeriche per garantire un riscaldamento uniforme

dei componenti. Al contrario, può essere facilmente applicata ai macchinari di stampaggio ad iniezione portando ad un risparmio di energia.

■ Nota 1: da Basell Orlen Polyolefins Nota 2: da Basell Orlen Polyolefins Nota 3: da Total Petrochemicals Ringraziamenti Si ringrazia il supporto e il contributo finanziario forniti dalla Commissione Europea per il progetto ECOPAT “Development of a cost-effective and lightweight hand pallet truck for application in material handling” nell’ambito del 7° Programma Quadro e dello schema “Projects to the benefits of Small and Medium Enterprises”.

Si ringraziano Jacek Andrzejewski, Mateusz Barczewski e Artur Kosciuszko per il contributo ai risultati sperimentali del progetto.

Compositi

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Industry

by Sergio Segreto* - Gianmario Rossi** - Alessio Luschi*** - Tomasz Sterzynski**** - Janusz Krasucki*****

A revolution in handling systems

Composite materials can be a key to competitiveness even in material handling. This is demonstrated by the glass fiber-reinforced polyamide pallet jack prototype developed within the ECOPAT project, which is 55% lighter than conventional steel models and can lift loads up to 1.000 kg. he ECOPAT project “Development of a cost-effective and lightweight hand pallet truck for application in material handling” has been launched to design and develop the new generation of lightweight, chemically passive and cost-effective HPTs to be efficiently used in material handling applications. Several potentials and advantages are indeed linked to the introduction of lighter polymeric materials in the HPT production, as low service weight, that reflects in higher manageability and lower manoeuvre efforts improving the operator working conditions, reduction of raw materials and manufacturing costs, high technical and technological content which prevents the manufacturing steps to be exported to low labour cost countries, major chemical inertia which would reduce corrosion and contamination risks thus allowing HPTs healthy use in the food industry within wet/salty environments where stainless steel HPTs are nowadays employed, significant operation noise reduction, eco-compatibility, improved functional ergonomics.

T

RESULTS The concept of the project ECOPAT is based on the development of Self-Reinforced Plastics (SRP) to be employed as materials suitable for the manufacturing of structural parts of HPTs. Self-reinforced plastics are a class of innovative materials where a polymeric matrix is reinforced with high-tenacity fibres or tapes of the same polymeric family, such as polypropylene-reinforced polypropylene, creating a material with typically 3-5 times the strength and stiffness of the un-reinforced polymer. This gives the ability to use less material for the same mechanical properties in a component. Additionally, unlike glass or carbon reinforced plastics, self-reinforced plastics are not contaminated with high levels of mineral fibres, so they have the same

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Compositi

level of both recyclability and density as the base polymer.

The main S&T results and exploitable foreground generated within the project are described with detail in the following. Briefly, the study has considered alternative ways for obtaining the self reinforced composite material, from pellets and sheets, which is tested in order to assess the influence of the process parameters on the final mechanical properties.

■ ■ Pellets and sheets from commercial bi-component fibres Commercial bi-component fibres were initially used to produce self-reinforced semi-finished sheets and pellets and feed injection and compression moulding machines.

Semi-finished non-woven sheets were produced through thermo-bonding process directly derived from the textile industry (fig.1 – left). Since the process heats the bi-component fibres up to their softening temperature, no change of properties occurs, i.e. the properties of the non-woven sheets are those of the commercial raw material.

Pellets were instead produced by means of the extrusion process. Because during extrusion the material undergoes phase change and is subjected to high temperatures and pressures, morphological and physical characterization were needed to assess the presence of fibres and the rheological properties of the compound.

Tests on injection moulding with pellets and on compression moulding with both pellets and non-woven sheets were done with the aim to optimize processing conditions of these materials (fig.1 – right).

Results of mechanical and physical tests on compression moulded samples visible in Figure 2 show that: • reinforcement PP fibres caused the growth of the tensile strength of moulded SRP compound up to 86% in comparison

to low strength PP matrix, reaching the Rm value 44.7 MPa • together with tensile strength growth the elastic modulus decreases; the minimum value of elastic modulus was found for the SRP sample with the highest tensile strength. In comparison to matrix material, the SRP compound shows decrease of elastic modulus up to 18% • elongation at break of SRP compound is significantly lower in comparison to matrix material value and decreases by about 57 – 64%.

Results of mechanical and physical tests on injection moulded samples show that: • process conditions did not save the reinforcement fibres which were submitted to considerable degradation • mechanical properties of samples are comparable to properties of unreinforced material.

The approach with the use of commercial bicomponent fibers as a raw material for compression and injection molding technologies showed to be a low cost and effective method to obtain SRP compounds. Initial use of these commercial fibres allowed the project partners getting insight into behaviour and processing of self-reinforced materials.

This foreground generated was indeed useful in the next production of own-made self-reinforced materials and their moulding.

■ ■ Sheets from neat polymers Metocene PP matrix polymer (nota 1) and nucleated Moplen HP500N reinforcement polymer (nota 2) were used to produce semi-finished sheets. Semi-finished sheets were produced by means of a motorized winding process which allows laboratory production of uni-directionally and bi-directionally self-reinforced sheets with different combinations of reinforcing layers (fig.3 – left). Sheets were then pressed and plates heated up by resistance and induction heating alternatively.

english text

*D’Appolonia - **OMP - ***Lifter ****Poznan University of Technology, Poland - *****CIM-mes, Poland

>>

The applied method of pressing of oriented polypropylene fiber layers and low-melting PP film leads to effective production of SPC of acceptable mechanical properties (fig.3 – right). When applied as composite matrix, polypropylene Metocene HM648T facilitates lowering the temperature of SPC pressing. However, it requires precise selection of processing conditions which would enable a proper connection of matrix with reinforcing phase, while preserving the excellent mechanical properties of the latter. Additional challenge is the choice of film layer of appropriate thickness and the amount of fiber layers which is crucial to obtain a composite containing maximum number of fibers and the most advantageous mechanical properties.

The results of tensile strength tests can be considered satisfactory.

Significant increase of tensile strength in comparison to neat matrix can be obtained with even small amount of oriented PP fibres into PP matrix. When the content of fibres in the composite amounts to about 30% tensile strength equals 130 MPa (about +225% in comparison to neat matrix) while E modulus is about 1.7 GPa (about +20% in comparison to neat matrix). By the way, the mechanical properties of SPC compound substantially depend on reinforcing fibres arrangement. The fibres arranged parallel to the load direction make the material clearly stiffer and reinforced. On the other hand, perpendicular arrangement of the fibres results in material weakening. Tensile tests of samples from compression molding with inductive system, despite technical problems like non uniform heating and matrix flow from mould show very consistent results.

■ ■ Pellets from neat polymers Lumicene CoPP matrix polymer (nota 3) and nucleated Moplen HP500N reinforcement polymer were used to produce pellets by means of co-extrusion process. Because during co-extrusion the material undergoes phase change and is subjected to high temperatures and pressures, morphological and physical characterization were needed to assess the presence of fibres and the rheological properties of the compound. Careful tuning of processing conditions assures presence of fibres in the pellets.

Pellets were then injection moulded by simple piston machine, whose barrel was heated up by resistance heating and induction heating alternatively. Dogbone samples were produced with fibres still existing.

Tests for characterization of mechanical and physical properties of these composite materials followed (fig.4). The results of tensile strength tests can be considered satisfactory. When the content of fibres in the composite amounts to about 35% tensile strength equals 30 MPa (about +7% in comparison to neat matrix) while E modulus is about 1.5 GPa (about +10% in comparison to neat matrix). Half quantity of reinforcing fibres yields the same results. The probable reason for this unexpected behaviour is aggregation of fibres inside the samples for high fibre quantities. Tensile tests made on samples produced by injection moulding with induction heating system show very similar results.

■ ■ Induction heating applied to laboratory compression moulding machine The tests with induction heating confirm this heating method is more efficient than resistance one, considering particularly cycle time which can be shorter thanks to faster heating of the mould at the same or even at lower value of heating power. Simultane-

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Industry

ously the temperature control is more accurate and keeping a practically constant temperature while compressing is possible – the temperature deviation does not exceed 0.5°C. However the main problem of this heating method applied for compression moulding is non-uniform temperature distribution on the moulding surface of the mould. This strongly depends on the mould and inductor design. In order to ensure the temperature distribution to be possibly most uniform, an inductor geometry optimization is necessary. The optimum inductor design may be done by careful FEM analysis of induction heating process.

■ ■ Induction heating applied to laboratory injection moulding machine Investigations of induction heating system undertaken for piston injection machine show this heating technique can be easily adjusted and applied to existing injection machine. In opposite to compression moulding where the design of inductor and heating parameter strongly depends on shape of molded part and must be done for each case individually, a design of barrel induction heating system depends only on barrel geometry, numbers and localization of heating zones and plastic processing parameters. The numerical experiments by FEM simulation as well as laboratory trials show high heating efficiency and excellent temperature distribution along the heated steel tube.

■ ■ HPT prototypes The design and prototyping of frame and hydraulic body parts and related moulds were carried out taking the glass-reinforced composite as reference material. Static structural analyses and dynamic impact analyses were performed considering both glass-reinforced polyamide and self-reinforced polypropylene properties (fig.5). The design load was changed from 1 ton for the glassreinforced material to 200 kg to reflect the reduced mechanical properties of the selfreinforced PP material when produced by injection moulding.

Moreover, numerical analyses of the injection moulding process were done for both materials (fig.6).

The prototypes of the project, namely: • the frame and the hydraulic body made of glass-reinforced composite • the assembled version of the HPT with parts made of glass-reinforced composite • the lever of the hydraulic group made of

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Compositi

the novel self-reinforced PP material were successfully produced (figures from 7 to 9) and tested on test benches. The full glass-reinforced HPT prototype was also used for in-field demonstration and real life operation loading and moving pallets with an average weight of 700/800 kg each.

CONCLUSIONS The claimed scientific and technical objectives of the project ECOPAT have been achieved thanks to the production of one full-scale HPT prototype made of glass-reinforced plastic which has allowed the final evaluation of the performances of the product and the benefits on health and safety in handling environments. The novel HPT is more than 55% lighter than traditional steel pallet trucks which turns into easiness of use, greater manoeuvrability and reduced noise and is also deemed to have better aesthetical quality, easiness in keeping it clean and strong resistance to corrosion.

The novel HPT has therefore considerably improved handling performances over existing products though still allowing the safely lift of loads up to 1000 kg.

In parallel, basic research on self-reinforced plastic materials and their manufacturing processes has been conducted in the project, with the future aim to apply this novel category of plastics to the HPTs production.

Dog-bone samples have been produced from self-reinforced pellets and sheets by injection and compression moulding processes and used for characterization of mechanical and physical properties. Also, two heating methods have been applied, i.e., classical resistance heating and novel induction heating. Test samples have been compared against percentage and orientation of reinforcing fibres, layout and processing conditions. The following conclusions have been achieved: • despite the narrow processing window between low melting matrix polymer and high melting reinforcing fibres and independently on the heating system applied, the fibres still exist in the test samples.

• Injection moulded samples have only marginally improved mechanical properties over the un-reinforced samples because of relaxation, partial degradation and agglomeration of fibres. Further research is needed to improve the properties of self-reinforced pellets and their application to the injection moulding process before proceeding with the scale-up of the processing

A revolution in handling systems route – co-extrusion and injection moulding – from laboratory to industrial level.

• Compression moulded samples show considerably increased mechanical properties over the un-reinforced samples. Mechanical properties evidently benefit from the presence of fibres especially if oriented along the direction of the applied load.

No further basic research is needed but the scale-up of the processing route – winding and compression moulding – from laboratory to industrial level.

• Induction heating is proved to allow shorter processing cycles and faster controller response, to be more energy-efficient and not to affect the properties of the self-reinforced material. If applied to the moulds for compression, it requires careful design supported by FEM analyses to ensure uniform heating of the parts. Oppositely, its application to injection equipment is easy and turns into energy savings.

■ Nota 1: from Basell Orlen Polyolefins Nota 2: from Basell Orlen Polyolefins Nota 3: from Total Petrochemicals Acknowledgements We acknowledge the support and the financial contribution provided by the European Commission to the project “ECOPAT – Development of a cost-effective and lightweight hand pallet truck for application in material handling” under the Seventh Framework programme and the scheme “Projects to the benefits of Small and Medium Enterprises”.

We acknowledg Jacek Andrzejewski, Mateusz Barczewski and Artur Kosciuszko for their contribution to the experimental results of the project.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Sample of non-woven sheet from CoPP/PP fibres (left) and stack of the sheets prior to compression moulding (right) Fig.2: Dogbone samples of self-reinforced composite material after tensile strength tests Fig.3: Sheet with cross-ply configuration (left) and microscopy image of the cross-section of moulded sheet containing 24 layers of fibres in 12 clusters (right) Fig.4: SRP specimens after tensile strength test Fig.5: Displacements of the HPT frame Fig.6: Filling time HPT pumping unit Fig.7: Pictures of the HPT frame (left) and of the HPT hydraulic group body (right) Fig.8: Picture of the Hand Pallet Truck prototype Fig.9: Picture of the lever of the hydraulic group made of SR PP

Analisi Avanzata dei Materiali Compositi Netzsch

DMA: Analisi DinamicoMeccanica di compositi per alto modulo el settore automobilistico è sempre più frequente l’impiego di nuovi materiali leggeri capaci di mantenere in un ampio campo di temperatura la rigidità necessaria.

La tendenza, ad esempio, è quella di sostituire le convenzionali parti in metallo con componenti in resina rinforzata con fibre. Fondamentale per lo sviluppo di questi compostiti è lo studio delle loro caratteristiche meccaniche.

La tecnica DMA si focalizza sulle proprietà visco-elastiche dei materiali, misurandone la rigidità e il fattore di smorzamento sotto l’azione di una forza oscillante, in funzione della temperatura, del tempo e della frequenza.

Il nuovo Analizzatore Dinamico-Meccanico DMA 242 E con il suo design robusto consente di determinare il modulo di Young in ogni tipo di composito, nell’intervallo di temperatura da -170°C a 600°C. In figura sono riportati gli andamenti del modulo elastico E’ (verde), del modulo viscoso E’’ (rosso) e del fattore di smorzamento tanδ (blu), misurati su una resina epossidica rinforzata in fibra di carbonio in funzione della temperatura (frequenza 10 Hz, riscaldamento 3 K/min).

Entro i 120°C il materiale si dimostra più rigido perfino del titanio: 140000 MPa. A 158°C il modulo elastico decresce rapidamente, in corrispondenza della transizione vetrosa della matrice epossidica.

I picchi corrispondenti su E’’ e tanδ cadono a 180°C e 188°C rispettivamente. Il porta campione per flessione vincolata in un punto è stato appositamente modificato con un’asta di spinta libera per consentire la valutazione quantitativa di moduli elastici elevati (E’). L’acquisizione dei dati in trasformata di Fourier permette di ricavare ampiezze di deformazione con alta sensibilità e accuratezza.

La nuova routine di calibrazione a 5 dimensioni, che tiene conto cioè del tipo di porta campione, della forza dinamica, dell’ampiezza di deformazione, della frequenza e della temperatura, include ogni possibile fattore d’influenza del sistema DMA. ■

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Intervista

Le nuove vie della globalizzazione

Stefano Maria Profeti

La crisi non frena i piani di internazionalizzazione di Global System International (G.S.I.), specializzata nella produzione di componenti strutturali per i settori delle macchine agricole, truck, automotive ed elettrico.

Con Stefano Maria Profeti, Presidente e CEO del Gruppo, analizziamo le prossime mosse della società, a partire dall’avvio dei nuovi stabilimenti in Brasile.

■> Nonostante la crisi, Global System

International continua a crescere.

Cosa c’è dietro questi risultati?

In questi 11 anni di attività la società ha compiuto un percorso importante. Siamo partiti come una piccola realtà italiana specializzata nella progettazione, sviluppo e produzione di componenti strutturali in composito per il settore delle macchine agricole ed elettrico e abbiamo ampliato il campo d’azione sia in termini di settori serviti, che ora comprendono anche l’automotive e il truck, sia di presenza sui mercati internazionali. Così nel corso degli anni, allo stabilimento di Scanzorosciate (Bergamo) si sono aggiunti i siti aperti in Germania, Gran Bretagna, Cina, la sede commerciale negli Stati Uniti e i nuovi stabilimenti in Brasile. Alla base di questo percorso vi è un’idea forte che ha caratterizzato il progetto Global System International fin dalla nascita: proporsi come una realtà globale integrata sia nell’offerta di prodotti e servizi, sia come capacità di seguire il cliente ovunque questo operi, quindi con una forte proiezione internazionale. Una strategia che paga, anche in termini di fatturato, che nel 2012 ha superato i 60 milioni di euro e che contiamo di portare a 100 nei prossimi 3 anni.

■> Puntare sull’internazionalizzazione

quanto è stato importante per la crescita del gruppo?

Essere presenti a livello globale sicuramente ha aiutato, ma di per sé non sarebbe stato sufficiente. L’intuizione che

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permette a G.S.I di crescere è lavorare in un’ottica di sistema, cioè non limitarsi allo stampaggio di pezzi ad alto valore aggiunto, ma essere un punto di riferimento a 360° per il cliente. La nostra attività, infatti, comincia a monte, con la progettazione del manufatto, e comprende tutte le fasi che portano alla sua realizzazione, quindi ingegnerizzazione, scelta del materiale, del fornitore, e prosegue a valle, con verniciatura, assemblaggio, controllo qualità e spedizione.

L’internazionalizzazione è una conseguenza di questo approccio: avere una presenza diretta con impianti produttivi nei mercati dove il cliente opera rientra in questa idea di sistema. È ciò che fa di G.S.I. un partner globale e che la differenzia dagli altri player del settore, anche dalle realtà più grandi. Un’altra peculiarità di questo approccio alla globalità è l’integrazione degli stabilimenti nell’economia dell’area dove sorgono.

Internazionalizzare per G.S.I non significa delocalizzare produzioni in Paesi a basso costo di manodopera, ma servire meglio e in modo più funzionale quei mercati.

■> Quale è la prossima sfida?

Il prossimo passo è l’avvio dei nuovi stabilimenti in Brasile. Il Paese si sta affermando come un nuovo big del panorama economico mondiale, registra tassi di crescita a due cifre e ha in atto importanti investimenti in infrastrutture. A tale scenario di per sé già attraente, si aggiunge la volontà del governo di favorire

lo sviluppo della produzione interna, con una politica di pesanti dazi doganali che penalizzano le importazioni e una serie di misure, come accesso agevolato al credito, che incentivano la produzione in loco. Di conseguenza, sempre più aziende estere che lavorano su questo mercato, vista la crescita dei volumi, trovano conveniente aprire siti produttivi nel Paese. Tra queste realtà, vi sono anche i partner con i quali lavoriamo già in Europa e in Asia, come Iveco e CNH Global, per i quali andremo a realizzare i componenti strutturali per camion e macchine agricole.

■> Come sarà organizzata

la produzione?

Per sostenere il nostro sviluppo a livello globale abbiamo adottato una strategia che prevede la creazione di un sito di stampaggio, assemblaggio e verniciatura a ser vizio di un Paese o di una regione geografica, affiancata da module centers, piccole realtà molto prossime agli impianti del cliente, o se possibile anche all’interno dello stesso stabilimento del par tner, attrezzati con tutto l’indotto per la sistemistica, quindi con le linee di assemblaggio, montaggio, cablaggio e verniciatura. In questo modo, oltre ad ottimizzare tutti i passaggi di lavorazione, possiamo offrire un ser vizio di alto valore, fino a sequenziare il componente direttamente sulle linee produttive del cliente.

Con questo modello stiamo organizzando anche la produzione in Brasile,

>> ■> Un programma ambizioso.

Vista aerea della sede

basata su un sito di stampaggio, assemblaggio e verniciatura a Belo Horizonte, e su due module centers per l’assemblaggio e la verniciatura a Curitiba e a Horizontina.

strutturali, come laminati in anima di metallo rivestiti con materie plastiche processati attraverso termoformatura o RTM.

■> Quando partirà la produzione?

guardate con interesse?

Abbiamo in cantiere diversi progetti. Il primo riguarda il potenziamento della presenza sul mercato Usa, dove abbiamo già una sede commerciale a Chicago con un magazzino e, in collaborazione con dei partner locali, stiamo allestendo una rete di assemblaggio e verniciatura di componenti per il settore truck ed automotive che inizialmente stamperemo in Cina. In prospettiva guardiamo con interesse a India e Russia, Paesi con enormi potenziali di sviluppo, mentre nell’immediato valutiamo la possibilità di realizzare nuovi module centers in Europa. Intanto, nei prossimi mesi installeremo una nuova pressa nello stabilimento di Shanghai, alla quale ne aggiungeremo un’altra entro la fine dell’anno, così come rafforzeremo ulteriormente la capacità produttiva del sito di Horgentshausen, in Germania, dove stampiamo componenti strutturali per il comparto auto realizzati con tecnologia GMT (termoplastici rinforzati con fibre di vetro) e LWRT (termoplastici con rinforzi a fibre lunghe), per Audi, Bmw, Porsche e Volkswagen.

Le attività dei module centers di Curitiba e Horizontina inizieranno rispettivamente ad ottobre e a gennaio, lavorando su prodotti stampati negli stabilimenti europei, in attesa dello star t-up dell’impianto di Belo Horizonte previsto per il prossimo aprile. Fiore all’occhiello dello stabilimento, che sarà dotato delle più avanzate tecnologie per la produzione di componenti strutturali in SMC, è la pressa da 4.000 tonnellate, l’unica con questa capacità presente in Sud America, che ci consentirà di realizzare pezzi di grandi dimensioni, come le carenature dei combine, le grandi trebbiatrici molto diffuse sui mercati del Nord e Sud America. Andiamo in Brasile, dunque, con un approccio innovativo, con l’obiettivo di realizzare soluzioni più avanzate rispetto a quanto oggi disponibile. Basti pensare che la produzione di tali componenti in SMC al momento viene fatta solo da un paio di costruttori statunitensi, mentre il resto dei produttori si affida a tecnologie alternative ma meno

■> A quali altri mercati

In che modo riuscite a reperire le risorse?

Ogni progetto per andare in porto deve soddisfare dei requisiti: innanzitutto avere una domanda che renda conveniente l’investimento, considerando che la tecnologia SMC ha costi di partenza piuttosto alti. Tanto più se pensiamo che tutti gli stabilimenti sono stati realizzati con capitali del Gruppo. Pertanto è indispensabile procedere con un percorso industriale ben ponderato, che consenta di disporre della liquidità necessaria per autofinanziarsi. Inoltre, valutiamo la possibilità di aprire il capitale della società ad altri investitori e a questo scopo stiamo partecipando al Progetto Elite di Borsa Italiana, che coinvolge le 100 aziende italiane di elite non quotate per sostenerle nel loro percorso di crescita.

■> Valutate la possibilità

di entrare in altri settori industriali?

Attualmente siamo molto focalizzati, sia in termini di risorse che di ricerca, sul nostro core business, perché sono settori che stanno crescendo molto, anche grazie alle soluzioni che abbiamo saputo proporre. È chiaro che valutiamo ogni opportunità di applicazione della tecnologia anche ad altri comparti e a questo scopo abbiamo arricchito la Divisione ricerca con un nuovo manager il cui mandato è di verificare le possibilità di diversificazione. Ad esempio, riteniamo che la tecnologia SMC potrebbe essere utilizzata con enormi vantaggi nell’edilizia, per la realizzazione di pannelli strutturali per l’esterno, o nel campo dei rifiuti, per la costruzione di contenitori intelligenti, e più ingenerale in altre applicazioni che ruotano intorno al mondo dell’ecologia.

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Le nuove vie della globalizzazione

GSI OPENS ITS DOORS … YOUR STORY IS INSIDE!

Lo scorso 29 giugno, in occasione dell’Open Day di Global System International SpA a Scanzorosciate, i dipendenti e le loro famiglie, oltre ai più stretti collaboratori dell’azienda, hanno partecipato ad una giornata di “porte aperte” per festeggiare un anno di lavoro fatto di sfide quotidiane, per condividere il posto di lavoro con amici e parenti, oltre che per dimostrare di essere veramente “G-local”: thinking global, being local. A testimonianza che GSI è una realtà socialmente ben inserita nel territorio locale come azienda solida, ma al tempo stesso protesa verso una visione internazionale e multiculturale.

Ad aprire la giornata un momento istituzionale in cui si sono alternate sul palco le voci dell’Ing. Stefano Maria Profeti, Presidente e Amministratore

Delegato del Gruppo GSI; del Dott. Davide Casati, Vice Sindaco del comune di Scanzorosciate; dell’Ing. Goffredo Modena, Fondatore e Presidente della Fondazione “aiutare i bambini” Onlus, alla quale GSI si è rivolta in quest’occasione per animare la giornata di festa contribuendo a un importante progetto umanitario.

Al termine delle premiazioni dei dipendenti con i primi 10 anni di fedeltà aziendale (l’anno di fondazione della società è il 2002, ma le prime assunzioni risalgono all’anno successivo), sono seguite le visite dello stabilimento; a fare da guida le persone che ogni giorno svolgono le attività di stampaggio e assemblaggio all’interno del reparto produttivo World Class Manufacturing. Si è passati a fianco della pressa 2.500 tonnellate in fun-

zione, poi davanti al banco di assemblaggio e collegamento cablaggi del tetto GPL2 (il prodotto che ha fatto la storia di GSI, consentendo alla società il passaggio da semplice produttore di pezzi stampati a fornitore di sistemi integrati complessi); il tour si è concluso con la proiezione di un video che ha presentato le sedi, le attività e i rispettivi team del Gruppo GSI nel mondo. Nello spazio esterno trattori in esposizione, musica, catering, arte, sport e divertimento per una giornata all’insegna dello spirito di squadra e della condivisione. ●

MSC SOFTWARE

2013 Automotive Seminar: Focus on Acoustics and Materials Solve complex problems through simulation: MSC Software solutions for acoustics and modeling of advanced materials 5 NOVEMBRE 2013 L’EVENTO L’industria automobilistica sta vivendo le sfide più complesse della sua storia. Il mercato richiede innovazione continua, attenzione alla qualità ed evoluzione tecnologica. Allo stesso tempo, le aziende sono costantemente impegnate nella riduzione dei costi e nella razionalizzazione dei processi. La simulazione è uno degli strumenti di cui le aziende possono avvalersi per ridurre i costi e velocizzare i tempi di progettazione. MSC Software organizza un evento gratuito dedicato alla simulazione e rivolto a tutti gli ingegneri e gli analisti che lavorano nel settore automotive.

Dato il successo dello scorso anno MSC continua a collaborare con ATA e propone un nuovo seminario che si terrà presso l’Auditorium CEA del Centro Ricerche Fiat il

5 Novembre. L’evento sarà focalizzato sulla simulazione in ambito acustico e sulla modellazione avanzata dei materiali non isotropi per applicazioni automotive.

Verranno illustrate funzionalità e vantaggi delle attuali soluzioni di MSC Software in questo campo: Actran-Nastran e Digimat.

Alcuni casi applicativi permetteranno ai partecipanti di comprenderne i possibili ambiti di utilizzo nel loro lavoro. Sono inoltre previste due demo live per mostrare ai partecipanti l’interfaccia e le principali funzionalità dei software.

mento dei componenti e dei sistemi nelle differenti condizioni di esercizio e nei loro ambiti di utilizzo reale: ogni progetto può essere ottimizzato e verificato virtualmente riducendo molto e in alcuni casi abbattendo del tutto i costi e i tempi della prototipazione fisica.

MSC SOFTWARE

Per ulteriori informazioni: giulia.battistolo@mscsoftware.com michele.lattere@mscsoftware.com informazioni e iscrizioni: http://pages.mscsoftware.com/IT_20 13_ATA_Home.html

MSC Software è un partner ideale per tutte le aziende che vogliono massimizzare i vantaggi della ricerca e sviluppo e della prototipazione virtuale. Le soluzioni proposte permettono di simulare e prevedere il comporta-

Location Auditorium CEA - Centro Ricerche Fiat ATA – Associazione Tecnica dell’Automobile Strada Torino 32/A 10043 Orbassano (TO)

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Organo ufficiale di Assocompositi

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Inviata, tramite abbonamento nominativo, a Responsabili tecnici, Responsabili marketing, Amministratori Delegati di aziende dei settori: • Automotive • Nautico • Aeronautico/Aerospaziale • Militare • Medicale • Industrie Varie • Edilizia Inoltre: Studi di progettazione Liberi professionisti, Docenti e studenti di Università e Corsi di specializzazione.

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Nata nel 2006, come organo uďŹ&#x192;ciale di Assocompositi, ha lo scopo di diďŹ&#x20AC;ondere gli studi, gli aggiornamenti e le notizie riguardanti i materiali compositi e le loro possibili applicazioni, ďŹ no ad oggi note solo ad un numero ristretto di tecnici del settore.

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GLI ARGOMENTI Attraverso la raccolta di studi, case history, pubblicazioni, ricerche/test sui materiali avanzati e interviste tecniche, si occupa di diffondere notizie ed innovazioni riguardanti questi materiali. Lâ&#x20AC;&#x2122;approccio, un giusto mix tra commerciale e tecnico, la rende un prezioso strumento di consultazione e di aggiornamento.

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Macchine e attrezzature

BRETON

Centro di lavoro verticale per elementi tridimensionali Raptor esegue lavorazioni di fresatura, contornatura, rifilatura e foratura di particolari in resina o in materiali compositi. È ideale per le aziende del settore aerospaziale, nautico, stampi e modelleria. Negli ultimi anni i materiali usati dall’industria aerospaziale sono cambiati velocemente impiegando sempre più compositi in sostituzione delle leghe leggere. Il centro di lavoro Raptor è la soluzione Breton per le aziende di questo settore e di quelli (nautica, energia) in cui è indispensabile una lavorazione di precisione su pezzi a geometria complessa.

POTENZA E VELOCITÀ Il centro di lavoro Raptor dispone di assi lineari X, Y e Z rispettivamente di 4.000 mm, 2.800 mm e 1.200 mm. Gli assi, con rapidi fino a 80 m/min, assicurano grande velocità di lavorazione. La capacità di asportazione di volumi di truciolo è garantita da un mandrino da 20 kW di potenza e con velocità di 28.000 giri/min.

FLESSIBILITÀ E PRECISIONE Gli assi lineari offrono una precisione di posizionamento di ± 0,015 mm/m e una ripetibilità di posizionamento di ± 0,007 mm/m. Gli assi rotativi arrivano a una precisione di posizionamento di ± 0,0035° e una ripetibilità di posizionamento assi di rotazione ± 0,0025°. Inoltre, la testa di fresatura rototiltante e birotativa con rotazione ± 200° dell’asse C e rotazione dell’asse A da 0° a + 115° permette grande versatilità nelle lavorazioni a cinque assi in continuo, assicurando precisione e dinami-

cità anche nelle lavorazioni in sottosquadro. La testa birotativa, ad azionamento diretto, è posizionabile in qualsiasi angolazione del suo campo operativo.

SICUREZZA E ORGANIZZAZIONE La struttura del centro lavoro Raptor è completamente chiusa. I cinematismi si trovano tutti nella parte superiore della macchina e permettono all’operatore di lavorare con assoluta precisione ed in completa sicurezza. Per una migliore organizzazione del lavoro, Raptor dispone di un magazzino utensili da quattordici posti, ampliabile fino a cento posti.

Raptor è stato scelto da clienti come Toyota e GKN Aerospace che si aggiungono ad altri clienti Breton che lavorano i materiali compositi come Quickstep, ITT, Red Bull Racing, Eligio Re Fraschini, Sykorsky, Besne Mecanique, ecc.

FKGROUP

Soluzioni per il taglio FKgroup è un gruppo industriale costantemente orientato alle nuove tecnologie, in grado di fornire l’intero ciclo produttivo per le aziende del settore tessile abbigliamento e con un’attenzione particolare al comparto tessile tecnico.

Negli anni sono state elaborate diverse soluzioni per il taglio di materiali compositi con caratteristiche tecniche sempre più specifiche: dai tessuti in carbonio “prepreg” ai tessuti in fibra aramidica e vetro i cui settori di impiego vanno dall’automotive alla nautica fino all’aerospaziale.

I clienti acquisiti sono di primaria importanza nel panorama internazionale: le referenze nell’insieme partono dall’Italia e raggiungono tutto il mondo. In particolare nel settore automotive FKgroup fornisce aziende che realizzano componenti per marchi automobilistici leader mondiali.

L’azienda soddisfa il taglio di qualsiasi tipo di materiale ad

alta tecnologia e qualità eseguendo le opportune analisi e prove tecniche al proprio interno ed adattando i sistemi alle specifiche esigenze dei clienti. Altro aspetto fondamentale è rappresentato dal risparmio energetico, con relative implicazioni ecologiche, garantito dalla gestione intelligente del sistema di aspirazione che caratterizza le macchine da taglio.

FKgroup con la propria tecnologia può tagliare fino a 9 cm di materiale compresso con poco più di 5 kW di assorbimento energetico.

Compositi

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Macchine e attrezzature INSTRON

Prove dinamiche sui compositi Negli ultimi anni i materiali compositi hanno avuto un ruolo importante nei settori delle costruzioni e dei trasporti, dovuto in larga misura alla grande disponibilità di materie prime, ai progressi fatti nella valutazione delle prestazioni dei materiali, come la rigidità o la resistenza all’urto e alla rottura. Tuttavia, per poter continuare a crescere in queste aree, il settore dei compositi deve superare l’ostacolo del carico ciclico di lunga durata.

Questo tipo di prova dinamica non rappresenta una novità; in realtà, da molto tempo i ricercatori stanno cercando forme di carico ciclico per il collaudo dei materiali. In par ticolare, il settore dell’energia eolica sta svolgendo un’azione pioneristica, adottando i dati delle prove di fatica come un criterio essenziale per la selezione, la progettazione e l’approvazione dei materiali. Tuttavia, come in precedenza per i metallici, sono necessari molti anni per identificare degli indicatori ingegneristici della

Fatica, validi ed uniformi. Inoltre, per i compositi la situazione si complica ulteriormente, a causa del numero e dell’interazione dei diversi meccanismi di danneggiamento e della loro sensibilità alle condizioni ambientali o al gradiente di deformazione.

Attualmente gli operatori che eseguono le prove adottano un approccio empirico alla Fatica ad alto numero di cicli sui materiali compositi, e in questo senso si sta assistendo a una crescita della domanda commerciale. Tuttavia, anche semplici prove di fatica su materiali compositi, come una curva di Woehler, richiedono tempi macchina pari ad interi mesi. Per questo motivo, Instron® ha di recente sviluppato un metodo di controllo dei cicli di carico, attraverso la temperatura del provino, ottenendo una riduzione del 25% dei tempi totali di prova.

Disponibile nel suo ultimo software per prove dinamiche, la metodologia di controllo è soggetta a brevetto.

INTERMAC

Sistemi waterjet Intermac propone i sistemi a getto d’acqua Primus per il taglio dei materiali.

Intermac è parte del gruppo Biesse, realtà pesarese con oltre 40 anni di storia nella meccanica strumentale, ben conosciuta nel settore delle macchine per la lavorazione del legno. Con la fondazione di Intermac 25 anni fa, il gruppo Biesse ha esteso il campo di applicazione della propria tecnologia, entrando nel

Taglio di materiali diversi con Primus

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Compositi

Primus 322

mondo delle soluzioni per la lavorazione di vetro, pietre naturali e sintetiche e più di recente metallo, leghe, plastica, conglomerati, materiali compositi.

Il taglio ad acqua presenta innegabili vantaggi per i materiali compositi, infatti il getto supersonico di acqua ed abrasivo riesce a tagliare anche i più resistenti tra i materiali disponibili oggi sul mercato, fino a 200 mm di spessore, senza lasciare imper fezioni lungo il bordo (bave, strappi o microfrastagliature) e senza provocare alterazioni sul materiale, come la delaminazione di materiali multistrato e laminati, permettendo anche la realizzazione di fori nel pieno delle lastre. La gamma Primus è composta da macchine con dimensioni diverse dell’area di lavoro, in modo da avere a disposizione la risposta più adatta alle esigenze di ciascun cliente. La testa

operatrice a 3-5 assi è un autentico gioiello di tecnologia, in particolare la versione a 5 assi è equipaggiata con asse C rotativo infinito (brevettato) che rende più fluide le operazioni di taglio anche in presenza di schemi molto complessi. In caso di esigenze produttive elevate Primus può essere equipaggiata con una seconda testa di taglio, in modo da poter realizzare due pezzi uguali alla volta. Per materiali delicati sono disponibili piani di appoggio speciali che prevengono il danneggiamento della superficie. Va inoltre ricordato il software ICam che completa l’offerta Primus.

Macchine e attrezzature IROP

Autoclavi per rulli in carbonio per l’industria Tra le autoclave tipo A, IROP annovera quelle “mobili” utilizzate nel settore industriale per la polimerizzazione di rulli e mandrini speciali, presenti nelle macchine per la stampa flessografica. I costruttori della macchina da stampa, incentivati dagli utilizzatori, hanno rivolto la loro attenzione ai materiali compositi per ottenere rulli e mandrini più leggeri, con dimensioni inferiori e migliore rigidità (anche 1,5 volte superiore a quelli in acciaio inox), mantenendo sempre alta la qualità. Questi manufatti però (rulli clichè, rulli adattatori, rulli porta manica, rulli guida, mandrini) devono essere costruiti con fibre speciali ad alta resistenza con varie tipologie di intreccio, il tutto impregnato con resine ad elevate caratteristiche, garantendo in tal modo l’alta qualità richiesta (eliminazione delle vibrazioni, maggiore precisione di stampa, curva di risposta più accurata, indeformabilità, facilitazione nel tensionamento dei film). Le autoclavi IROP con il proprio Sistema Operativo Integrato, assicurano una perfetta polimerizzazione dei materiali anche grazie ad un’ottima distribuzione del calore (uniformità di temperatura ±1°C in tutta l’area di polimerizzazione), facilitata dal ricircolo d’aria sia in fase di riscaldamento pressurizzato che in quella di raffreddamento in contropressione. L'autoclave IROP si carica in posizione orizzontale e mediante adeguati dispositivi idraulici, si porterà in posizione verticale per il ciclo di polimerizzazione. L'autoclave in posizione verticale permetterà di mantenere una perfetta linearità dei mandrini durante il ciclo. Alla fine del ciclo sarà effettuato il distacco dei manufatti dai mandrini forma, che saranno poi inviati alle lavorazioni successive (controllo dimensionale, equilibratura, montaggio dei terminali di motorizzazione in acciaio inox mediante l’impiego di resine speciali ad alta resistenza).

Le autoclavi IROP, costruite anche secondo EN13445 e collaudate PED/CE, vengono dimensionate in base alle esigenze del cliente.

MAGNABOSCO

Autoclavi su misura Autoclavi su misura, pronte o con brevi termini di consegna.

Sistemi di controllo semplici ed intuitivi, innovazione, bassi consumi e flessibilità caratterizzano la Magnabosco nei vari campi di lavorazione dei materiali compositi.

Le autoclavi costruite dall’azienda sono la concretizzazione di studi e ricerche, in particolare per quanto riguarda il riscaldamento, l’uniformità della temperatura, la pressurizzazione dell’autoclave ed il sistema vuoto.

Magnabosco ha realizzato delle macchine versatili, che possono eseguire diversi tipi di lavorazione, cambiando temperature, pressioni, tempi e programmazione con estrema facilità.

Tutte le funzioni della macchina 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 rivolta alla scelta dei componenti della migliore qualità, che sono facilmente e velocemente reperibili ovunque.

Per risparmiare energia è stato 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.

Particolare cura è stata riservata alla costruzione del carrello porta-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 per gli operatori di entrare in autoclave e senza danneggiare i bags.

Ultimamente l’azienda si è specializzata anche nella costruzione di piccole autoclavi per laboratori e università per test, studi e ricerche specialistiche.

Realizza comunque autoclavi che vanno da un diametro da 500 a 5000 mm e lunghezza da 500 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.

L’azienda dispone inoltre di autoclavi d’occasione rimesse in perfetta efficienza nel rispetto delle ultime normative (con garanzia di un anno) che possono essere anche affittate.

Compositi

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Macchine e attrezzature RASOR

La nuova forbice pneumatica ORMAMACCHINE

Impianti di pressatura su misura Ormamacchine è un’azienda italiana attiva nella produzione d’impianti automatici di pressatura per la lavorazione del legno, di materiali compositi e plastici, di gomma e metallo, con una capacità produttiva annua di 900 impianti, oltre 130 dipendenti e 5 stabilimenti in Italia.

Grazie ad una rete integrata di unità produttive, laboratori di ricerca sviluppo e centri di servizio, l’azienda soddisfa le necessità dei suoi clienti con prodotti ad alte prestazioni nei più svariati settori.

Studia e realizza soluzioni su misura per la produzione di pannelli in poliuretano espanso, utilizzati principalmente nei settori della refrigerazione, edilizia e caravan. Gli impianti di pressatura di pannelli in discontinuo possono essere monovano o multivano, con stampo aperto o chiuso, orizzontali o verticali e sono adatte per tutti i tipi di schiume in questo settore.

Lo stesso servizio viene offerto per la lavorazione del carbonio nelle più svariate applicazioni. Nel settore industriale con presse per la produzione di laminati in continuo con larghezze da definire e lunghezze illimitate (componenti per le cartiere). Nel settore medicale con presse per la produzione di lettini per macchine di diagnosi a raggi X, come TAC, urologia, angiografia e cardiologia. Nel mondo dello sport con presse per la produzione di selle e cerchi per biciclette da corsa, particolari tecnici per imbarcazioni, auto e moto da corsa.

Nella gamma di prodotti dell’azienda dedicati ai compositi sono inoltre presenti le presse per stampare, agglomerare e assemblare resine poliestere SMC con schiume fenoliche a celle aperte o anime di MDF e con tecnologia RTM; molteplici applicazioni sono state realizzate e messe a punto con la collaborazione dei clienti, anche per la pressatura a ciclo continuo di pannelli sandwich d’alluminio con nido d’ape, ceramica e fibra di vetro, marmo, poliolefine espanse a cellule chiuse e gomma.

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Compositi

Rasor S.r.l., azienda che opera in ambito mondiale nella produzione e commercializzazione di utensili e sistemi di taglio professionali per l’industria dal 1946, entra nel mercato dei materiali compositi con un nuovo e rivoluzionario utensile pneumatico.

Nonostante sia stata presentata solamente al recente JEC Composite Show 2013 a Parigi, la forbice pneumatica FP861MT è divenuta in pochi mesi uno strumento di taglio venduto ed apprezzato in tutto il mondo.

In soli 1100 g di peso, la forbice pneumatica FP861MT sviluppa una potenza di 380 W, permettendo il taglio di fibra di vetro, carbonio e kevlar con spessori fino a 2 cm. La particolare geometria tra lama e contro lama in metallo duro e l’innovativa forma del piede di taglio, permettono il taglio dei compositi con una incredibile velocità di avanzamento e precisione. In particolare, l’innovativa forma del becco di taglio permette l’utilizzo della forbice per la rifilatura dei bordi, come ad esempio nel rifilo degli stampi.

Queste speciali geometrie costruttive eliminano inoltre il problema del winding dei compositi, ovvero l’avvolgimento delle fibre dietro la lama; problema comune nei normali sistemi di taglio a lama rotativa di provenienza tessile.

Il 100% dei componenti meccanici della FP861MT (in acciaio, bronzo ed alluminio) sono realizzati esclusivamente da sempre nella sede storica di Rasor a Milano.

Molti dei più importanti produttori/utilizzatori di compositi adottano come standard la nuova FP861MT per la fase di taglio. Automotive, shipbuilding & aerespace sono i settori dove questo innovativo utensile trova maggior impiego.

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.

Inizia a risparmiare da oggi Richiedi un colloquio con uno dei nostri esperti, scoprirai come sia possibile risparmiare tempo nelle fasi di progettazione e ridurre i costi legati agli errori di produzione, aumentando i profitti e la competitività della tua Azienda.

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