Compositi 31 ottimizzato

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Organo ufficiale di Assocompositi

magazine

anno IX - numero 31

marzo 2014

In caso di terremoto...

Comportamento di un tamponamento senza protezione.

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MapeWrap EQ System Il sistema si presenta sottoforma di “seismic wallpaper”, una “carta da parati” che permette di aumentare il tempo di evacuazione degli edifici in caso di sisma.

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Prof. Roberto Frassine Presidente Assocompositi

editoriale

The European market for composite materials is experiencing a phase of rapid expansion . The German and the UK market are rapidly growing, as well as the Russian one, thanks to the increasing level of investments. Also Italy is growing, although with less sustained rate, a result of the difficult economic situation.

A similar scenario presents so many challenges for EuCIA , the European Association of Composites which, in turn, has grown a lot over the last few years in terms of activities, budget and membership.

In addition to reconciling different goals and visions of the different realities represented, it is also necessary to address the big issues such as environmental sustainability, the possibility of recycling of materials, safety related to food contact and the reduction of emissions of styrene. Issues that will be the subject of standardization at national and European level which EuCIA will monitor attentively.

Finally, with regard to competition of low-cost products, the utmost vigilance is required on the import of products from Countries whose productions are subsidized by the State. A problem affecting today the European producers of glass fibers, who have recently requested a renewal of the EU anti-dumping measures against Chinese products.

We are therefore at work, at the level of European institutions and national authorities, to take care of the needs of the sector and to increase the awareness of the strategic importance that composites hold in the world market.

Il mercato europeo dei materiali compositi vive una fase di for te espansione. Par ticolarmente vivaci sono il mercato tedesco e del Regno Unito, così come quello russo, grazie al livello crescente degli investimenti. Anche per quanto riguarda l’Italia la crescita è buona, sebbene con tassi meno sostenuti, conseguenza della difficile situazione economica.

Un simile scenario presenta quindi numerose sfide anche per EuCIA, l’Associazione Europea dei Compositi che, a sua volta, è cresciuta molto nel corso degli ultimi anni in termini di attività, di bilancio e di adesioni. Oltre a conciliare visioni ed obiettivi diversi delle varie realtà rappresentate, si rende anche necessario affrontare grandi temi come la sostenibilità ambientale, la possibilità di riciclo dei materiali, la sicurezza legata al food contact e alla riduzione delle emissioni di stirene. Questioni che saranno oggetto di normazione a livello nazionale ed europeo per la cui definizione EuCIA dovrà essere un riferimento sostanziale.

Infine, per quanto riguarda la concorrenza di prodotti a basso costo, è necessario mantenere la massima vigilanza sull’impor tazione di prodotti da Paesi le cui produzioni siano sovvenzionate dallo Stato. Un problema che interessa in par ticolare i produttori di fibre di vetro europei, che hanno di recente chiesto alla UE un rinnovo delle misure antidumping nei confronti dei prodotti cinesi.

Siamo per tanto al lavoro, perché sia a livello di istituzioni europee sia di autorità nazionali, si tenga conto delle esigenze del settore e si accresca la consapevolezza dell’impor tanza strategica che i compositi ricoprono nel mercato mondiale.

editoriale

Europe: how does the composites market?

Europa: dove va il mercato dei compositi?

Compositi

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DNA Tecnologico Eagle centro di lavoro con trave mobile a 5 assi interpolati per operazioni di fresatura ad alta velocitĂ su materiali compositi e alluminio,

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Sommario 6

RICERCA

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Tolleranza al danno in strutture aerospaziali Damage tolerance in aerospace structures

Marzo 2014 March 2014 Periodicità trimestrale Quarterly review abbonamento Italia abbonamento Estero una copia

Mario Pierobon e Camilla Carraro

RTM EDITORIALE

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VITA ASSOCIAZIONE

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INTERVISTA

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Pannelli in composito con resina bio-based Composite panels with bio-based resins Francesca Felline, Riccardo Gennaro, Silvio Pappadà, Alessandra Passaro e Michele Arganese

Un futuro ricco di sfide A future full of challenges

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I compositi a matrice vetrosa Glass matrix composites Enrico Bernando e Mauro Marangoni

AEROSPAZIALE

Erika Manis e Fabio Rossetti

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Pubblicità e Marketing Via Delle Foppette 6 20144 Milano - Italy tel. +39 0236517115 fax +39 0236517116 e-mail: marketing@tecneditedizioni.it Progetto grafico impaginazione e fotolito Photo type – setting Lodovico Pieropan

Max Taverna e Maurizio Corti

TRANSFER TECHNOLOGIES

Direttore responsabile Publishing manager Liliana Pedercini Coordinamento di redazione Editing Co-ordination Anna Schwarz

Riutilizzo di fibre di carbonio riciclate

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Scenari, opportunità e pericoli Scenarios, opportunities and dangers Marco Regi e Francesco Sintoni

ANTEPRIMA JEC 2014

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VETRINA

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RICICLO

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COMPOTEC 2014

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Finalmente segnali di ripresa

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Registrazione al tribunale di Milano n. 189 del 20/03/2006

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

INDUSTRIA 27

La tecnologia CAE: dal progetto all’oggetto CAE technology: from the design to the product

€ 25,00 € 50,00 € 7,00

Stampa - Printed by Grafteam

Intervista a Roberto Frassine

MATERIALI

Anno IX – Numero 31 Year IX – Issue 31

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Ufficio Commerciale Sales office Ramona Foddis Comitato Tecnico - Scientifico Technical Scientific Committee Luigi Ascione Andrea Benedetti Roberto Frassine Alfonso Maffezzoli Orazio Manni Mario Marchetti Claudio Migliaresi Carlo Poggi Marino Quaresimin Andrea Ratti Giuseppe Sala Antonino Valenza Maurizio Vedani A questo numero hanno collaborato Contributors Michele Arganese Enrico Bernando Camilla Carraro Maurizio Corti Francesca Felline Roberto Frassine Riccardo Gennaro Erika Manis Mauro Marangoni Silvio Pappadà Alessandra Passaro Mario Pierobon Marco Regi Fabio Rossetti Francesco Sintoni Giuseppe Stabile Max Taverna

Compositi

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JEC Europe 2014 Assocompositi anche per quest’anno riconferma le collaborazioni con i più importanti eventi dedicati ai compositi.

L’Associazione, infatti, rinnovando il successo dello scorso anno, coordina il Padiglione italiano all’interno di JEC Europe 2014 (stand G68, hall 7.2). Alla collettiva prendono parte come co-espositori: CEL, CETMA-Sinergo, Dear Composites, Mapei, Maroso, Mates Italiana e Promox.

APERTE LE ISCRIZIONI A COMPOSITES EUROPE 2014 Assocompositi e Reed Exhibitions rinnovano la partnership per organizzare il padiglione italiano a Composites Europe 2014 (Düsseldorf 7- 9 ottobre). Per i Soci, come di consueto, sono disponibili postazioni da 9 e 12 mq a prezzi fortemente scontati rispetto al listino ufficiale. Per informazioni si invita a contattare la nostra Segreteria.

Horizon 2020: online lo strumento per le proposte delle SME Sono disponibili i template per la presentazione delle proposte (Fase 1 e Fase 2) che saranno finanziate nell’ambito del nuovo programma europeo Horizon 2020 per mezzo del nuovo Strumento PMI/SME Instrument. Per maggiori informazioni sulla struttura dello Strumento PMI e sulle relative regole di partecipazione e criteri di eleggibilità rimandiamo al sito www.apre.it

Procedura contro la fibra di vetro cinese A metà dello scorso dicembre la Commissione Europea ha aperto un’indagine per avviare un procedimento anti-sovvenzioni (caso AS603) relativo alle impor tazioni di alcuni prodotti in fibra di vetro originari della Repubblica Popolare Cinese. Dopo una prima call per l’invio di feedback da par te delle aziende europee, fissata per lo scorso 6 gennaio, la Commissione ha richiesto l’invio di ulteriori questionari informativi per una migliore valutazione del caso. Assocompositi, dopo il sondaggio effettuato tra i propri Soci, pubblicherà un position paper in merito e, in collaborazione con EuCIA, monitorerà costantemente il caso a livello europeo al fine di tutelare al massimo gli interessi degli associati. Per informazioni si invita a contattare la nostra Segreteria.

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Compositi

Nuovi Soci Assocompositi inaugura il nuovo anno raggiungendo i 55 associati! Siamo quindi molto lieti di dare il benvenuto tra i nostri Soci ordinari a: - Bytest: opera dal 1986 nel settore delle prove su materiali, sia prove non distruttive che di laboratorio, avvalendosi di personale di provata esperienza specifica di settore. Per soddisfare la crescita sotto il profilo della qualità tecnica, si è impegnata nell’organizzazione di programmi di formazione e di aggiornamento di alto livello che offrono un grado di miglioramento continuo, così come richiesto dai settori tecnologici di spicco in cui opera.

- Dear Composites: vanta un’esperienza di oltre vent’anni nella ricerca, sviluppo, produzione e commercializzazione diretta di materiali compositi e di prodotti ad alto contenuto tecnologico, utilizzati in tutto il mondo nei più svariati settori. L’azienda è organizzata in divisioni, specializzate nei settori dei consumabili per il processo delle lavorazioni in infusione e vacuum, per fornire al cliente tutti i materiali necessari ed il supporto tecnico per raggiungere i massimi standard qualitativi del processo produttivo.

- Ferretti Group: tra i leader mondiali nella progettazione, costruzione e commercializzazione di motor yacht di lusso, con un portafoglio unico di alcuni tra i più esclusivi brand della nautica mondiale: Ferretti, Pershing, Itama, Bertram, Riva, Mochi Craft e CRN. - MSC Software: la sua tecnologia è usata da importanti aziende per analisi lineari e non-lineari a elementi finiti, analisi acustica, interazione fluido-struttura, multi-fisica, ottimizzazione, fatica e durabilità, dinamica multi-body e simulazione di sistemi di controllo. Con il prodotto di punta MSC Nastran, MSC è stata un pioniere delle tecnologie che oggi le aziende utilizzano per analizzare e prevedere sollecitazioni e deformazioni, per effettuare analisi di vibrazione e dinamica, acustiche e termiche.

- T.C.S. Calce: l’edilizia d’eccellenza richiede materiali, tecniche e conoscenze di grande rilievo, sia nel restauro, sia nei contesti di interesse storico-monumentale, sia in quelli moderni e biocompatibili. TCS persegue da sempre questo obiettivo, attraverso la riscoperta e la riproposizione di materiali storici ineguagliabili sotto il profilo geologico e delle antiche tecniche relative alla loro applicazione coniugate a quelle più recenti, compatibili con le esigenze dei cantieri di oggi.

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●●● News da EuCIA (Associazione europea dell’industria dei compositi) ●●

Nuovo Presidente

Il Prof. Roberto Frassine, Presidente di Assocompositi, il 28 novembre 2013 è stato eletto Presidente ad interim di EuCIA, l’Associazione Europea dei compositi. Frassine prende il posto di Mr. Volker Fritz che per nove anni è stato alla guida di EuCIA trasformandola in un’organizzazione di grande successo.

●●

Online il nuovo sito web

È online dal 1° gennaio scorso il nuovo sito web ufficiale www.eucia.eu. Il portale contiene moltissimi documenti tecnico/normativi, informazioni e aggiornamenti sulle attività dell’Associazione europea dei compositi.

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AVK Innovation Award 2014

EuCIA vi invita a prendere parte alla call per l’AVK Innovation Award 2014 per il settore FRP/ Compositi.

La scadenza è fissata per l’8 aprile.

Per informazioni: www.avk-tv.de/innovationaward.php

CALENDARIO PROSSIMI EVENTI 2014 Fiere ■

JEC Europe 2014 Composites Australia

■ 5 th International Seminar on Sustainable Composites Biopolymers

Hannover Messe

■ 12 th World Pultrusion Conference

INDEX14

■

InnoMat Meetings

■ European Conference on Spacecraft Structures, Materials and Environmental Testing

11-13 marzo, Parigi (Francia) ■

7-9 aprile, Newcastle (Australia) ■

7-11 aprile, Hannover (Germania) ■

8-11 aprile, Ginevra (Svizzera) ■

13-15 maggio, Bari (Italia) ■ JEC AMERICAS and I.C.S. Americas 2014

13-15 maggio, Atlanta (USA)

■ Composites Manufacturing 2014

13-15 maggio, Covington, Kentucky (USA) ■

ILA Berlin Airshow

20-25 maggio, Berlino (Germania) ■

Convegni

Reinforced Plastics 2014

20-22 maggio, Keszthely (Ungheria)

6-7 marzo, Valencia (Spagna) 6-7 marzo, Lisbona (Portogallo) Sampe SEICO

10-11 marzo, Parigi (Spagna)

1-5 aprile, Braunschweig (Germania) ■

Offshore wind conference

23-25 aprile, Londra (UK) 4 th International Carbon Composites Conference

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12-14 maggio, Arcachon (Francia) 2 nd International Glass Fibre Symposium ■

26-30 maggio, Aachen (Germania)

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Intervista

Un futuro ricco di sfide Lo scorso novembre, Roberto Frassine, Presidente di Assocompositi, è stato eletto Presidente ad interim di EuCIA, l’Associazione europea dei compositi. Con lui abbiamo tracciato una panoramica delle sfide che attendono il settore, dalla sostenibilità all’evoluzione di materiali e processi alla lotta contro la concorrenza aggressiva delle produzioni cinesi.

■> La nomina alla presidenza di EuCIA è un riconoscimento al lavoro fatto in Assocompositi, ma anche al peso e al ruolo dell’industria italiana…

La nomina è giunta per risolvere una situazione di emergenza creatasi a seguito delle improvvise dimissioni, lo scorso novembre, di Volker Fritz, che ha ricoperto la carica negli ultimi nove anni. Pertanto, il Consiglio direttivo si è trovato ad eleggere un Presidente ad interim che potesse condurre l’Associazione alle elezioni che si svolgeranno il prossimo marzo. La convergenza unanime sul mio nome è effettivamente un riconoscimento del contributo che Assocompositi ha portato negli anni alle attività di EuCIA. Contributo che va dalla realizzazione di pubblicazioni, come sul tema del riciclo, al piano promozionale e della comunicazione, al sostegno attivo a tutte le iniziative di EuCIA, non ultima l’azione antidumping sulle fibre di vetro di produzione cinese, avviata nel 2009 che ora viene riproposta. Attitudine che è stata decisiva nel momento in cui è stato necessario scegliere una figura in grado di gestire l’Associazione in questa fase di transizione. È un riconoscimento anche del peso del nostro Paese, la cui industria di settore è tra le principali del Continente.

■> Come giudica l’andamento del mercato dei compositi in Europa?

Il settore vive una fase di forte espansione, con un ottimo trend di crescita che in alcuni Paesi è addirittura a due cifre. Particolarmente in salute sono il mercato tedesco e del Regno Unito, Paese quest’ultimo che negli ultimi anni ha molto investito nella ricerca e nell’in-

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Compositi

novazione sui compositi. Molto positive anche le prospettive del mercato russo, la cui associazione di settore, la Russian Union of Composites Manufacturers (UNCM), ha recentemente aderito ad EuCIA assieme alla Turchia, sia per il livello degli investimenti, sia perché la Russia rappresenta un altro grande player del Continente. E anche la Turchia è oggi una realtà importante.

Anche per quanto riguarda l’Italia la crescita è buona, sebbene con tassi meno sostenuti rispetto ad altre realtà: una conseguenza della difficile situazione economica, che non ha favorito il pieno dispiegamento del potenziale di sviluppo della nostra industria.

■> Quali le principali sfide che l’Associazione dovrà affrontare?

Sono diverse e di natura interna ed esterna. Per quanto riguarda le prime, EuCIA è cresciuta molto nel corso degli ultimi anni, in termini di attività, di bilancio e di adesioni. L’avere accolto, insieme alle varie associazioni nazionali dei compositi, le associazioni di categoria, come The European UP/VE Resin Association (Associazione europea delle resine poliestere insature) o APFE (Associazione europea dei produttori di fibra vetro) ha fatto nascere all’interno dell’organizzazione spinte ed interessi contrastanti su diversi argomenti da affrontare a livello europeo. Un esempio è l’atteggiamento da assumere sulla nuova iniziativa antidumping che riguarda l’importazione di fibre di vetro di produzione cinese, che vede favorevoli i produttori di materie prime, ma in prevalenza contrari i trasformatori. Si pone dunque il problema di come conciliare visioni ed obiettivi

diversi delle varie realtà che l’associazione rappresenta. Si tratta comunque di difficoltà legate alla rapida crescita dell’associazione alle quali quindi si può guardare in modo positivo: se sapremo gestirle e superarle, davvero EuCIA potrà rappresentare il mondo europeo dei compositi nel suo complesso.

■> Sul fronte esterno?

Sono i grandi temi che riguardano in fondo anche altri settori industriali, come la sostenibilità ambientale delle produzioni, la possibilità di riciclo dei materiali, la sicurezza legata al contatto con gli alimenti e all’utilizzo di alcuni componenti, come lo stirene, potenzialmente pericolosi per la salute dei lavoratori. Questioni che saranno oggetto di normazione da parte delle autorità nazionali e della Commissione europea che nei prossimi anni fisseranno limiti e prescrizioni, che è facile immaginare, molto restrittivi. EuCIA dovrà essere protagonista nella definizione di queste regole, soprattutto dimostrando come i compositi, anche sotto questi aspetti, sono materiali che garantiscono enormi vantaggi.

■> A livello delle istituzioni comunitarie c’è la consapevolezza del ruolo strategico dell’industria dei compositi?

Il ruolo di EuCIA a livello comunitario, e quindi della Commissione europea, è molto importante. L’associazione ha svolto attività di lobbying positiva su diverse questioni, tra le ultime il tema del riciclo. Inizialmente, infatti, la Commissione europea aveva formulato una definizione molto svantaggiosa per questi materiali, definizione corretta in corso

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Focus sulla Reticolazione >> d’opera, tanto che nell’ultima direttiva europea in materia i compositi sono stati classificati come materiali riciclabili. Lavoriamo, insomma, perché sia a livello di istituzioni europee sia di autorità nazionali si tenga conto delle esigenze del settore. A tale scopo è indispensabile diffondere la conoscenza di questi materiali e delle loro straordinarie proprietà, altra attività cardine di EuCIA, organizzando anche eventi e momenti di incontro tra le nostre aziende, politici e funzionari. Anche grazie a tali attività, la consapevolezza dell’importanza strategica che i compositi assumono e di impatto sul mercato è molto cresciuta presso le istituzioni europee.

■> Una delle principali minacce per gli operatori europei è rappresentata dalla concorrenza di prodotti a basso costo, come le fibre di vetro di produzione cinese.

Che cosa si sta facendo in merito?

Abbiamo sempre avuto un occhio puntato sull’importazione di prodotti dalla Cina, in quanto tali produzioni sono sospettate di essere sovvenzionate dallo Stato. Si pone pertanto un problema di potenziale concorrenza sleale nei confronti delle produzioni europee che invece non possono ricevere alcun tipo di sostegno. Un problema che interessa in particolare i produttori di fibre di vetro che da molti anni risentono dell’agguerrita concorrenza cinese, tanto che il loro margine di mercato ha subito una riduzione del 25% in Europa, costringendo alcuni operatori a utilizzi parziali degli impianti o alla chiusura. Per questo motivo i produttori europei, attraverso l’APFE, hanno chiesto alla Commissione europea un inasprimento delle misure antidumping su una gamma più ampia di prodotti rispetto a quanto riconosciuto finora. La Commissione, lo scorso dicembre, ha avviato un’inchiesta per valutare l’effettivo impatto che l’introduzione di queste misure avrebbe sul mercato europeo, a cui sono invitate a partecipare sia le aziende produttrici di materia prima sia quelle che si occupano della loro trasformazione. La decisione della Commissione è attesa per la fine di quest’anno anno, quindi si svolgerà in tempi relativamente rapidi.

Controllo della reticolazione di resine termoindurenti mediante Analisi Dielettrica (DEA)

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Sviluppo della formulazione di resine Monitoraggio della reticolazione, ad esempio durante la produzione di un composito Ottimizzazione dei parametri di processo Controllo del fronte di flusso

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■> Qual è la posizione di EuCIA? Come accennavamo, si scontrano visioni e interessi diversi.

Da parte dei produttori di materia prima c’è la volontà di difendere il mercato comunitario per evitare la chiusura degli impianti, la perdita di altri posti di lavoro e il rischio di disperdere lo straordinario volume di conoscenze e competenze sviluppate nel corso di decenni sul territorio europeo. Per i trasformatori le misure antidumping rappresentano invece un potenziale aggravio di costi, in quanto sulla materia prima che importano potrebbero andare a gravare dazi pari anche al 30-40% del valore del prodotto.

Ritengo, però, che la politica commerciale della Cina debba mettere in allarme anche i trasformatori. Il nuovo piano quinquennale adottato dalla Repubblica Popolare, infatti, ha individuato nei compositi un settore strategico per lo sviluppo economico del Paese. Questo significa che il governo non solo intensificherà la produzione di fibre di vetro, ma sosterrà la nascita di grande aziende dedicate alla realizzazione di prodotti in composito. La stessa feroce concorrenza che oggi interessa i produttori di materia prima è destinata a replicarsi anche nel comparto della trasformazione. È quindi giunto il

NETZSCH-Gerätebau GmbH Stabile Organizzazione in Italia

Sensore IDEX nella Fornace da Laboratorio per la DEA 288 Epsilon

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Intervista

momento per tutti gli operatori della filiera europea di trovare un accordo e una strategia comune di difesa. Su questo punto EuCIA lavorerà nei prossimi mesi.

■> Qual è la gamma dei prodotti soggetti a dazio?

Inizialmente la fibra di vetro, ma poi la Commissione europea ha riconosciuto che il dazio veniva applicato solo su alcuni prodotti, in particolare sulle reti a maglia aperta per impiego in edilizia. Oggi i produttori di materia prima vorrebbero che le misure fossero estese ad altri prodotti in fibra di vetro provenienti dalla Cina. Per le altre materie prime, invece, non vi sono difficoltà, anche perché non ci sono produzioni di rilievo di fibre di carbonio sul territorio europeo, che restano quasi monopolio di Stati Uniti e Giappone.

■> Un aspetto cruciale per il progresso del settore è la ricerca. Quali le attività di EuCIA in questo campo?

Abbiamo partecipato ad alcuni progetti di ricerca europei, finanziati nell’ambito del 7° Programma quadro, quali BioStruct, WOODY and NATEX, incentrati in particolare sui temi della sostenibilità e dell’impiego di fibre naturali per la produzione di compositi. Come associazione la nostra azione non riguarda le attività di ricerca nello specifico, ma si focalizza sulla diffusione, trasferimento tecnologico e applicazione dei risultati degli studi presso i nostri soci, compito svolto in modo molto convincente e completo. Anche per i prossimi programmi di innovazione europei, che si chiameranno Horizon 2020, proseguiremo sulla stessa strada svolgendo questo lavoro essenziale per l’avanzamento tecnologico del settore.

■> Dal punto di vista tecnologico come si sta evolvendo il settore?

I grandi temi sui quali si sta lavorando sono la sostenibilità, l’integrazione delle nanotecnologie nei compositi e la riduzione dei costi di produzione. Riguardo il primo punto, la sostenibilità non implica solo la riciclabilità dei materiali, abbondantemente dimostrata, ma anche il loro impatto sull’intero ciclo di vita, quindi dalla materia prima al riciclo. Questo significa fare in modo che i compositi, che hanno già un bilancio ambientale ampiamente favorevole rispetto ai materiali tradizionali, aumentino ancora tale vantag-

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Compositi

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gio, attraverso l’utilizzo di materie prime rinnovabili, quindi tutto il filone di ricerca sulle fibre naturali, e di processi di produzione sempre più compatibili con l’ambiente e poco energivori. Per quanto riguarda lo sviluppo dei materiali, poi, si sta assistendo all’ingresso nel comparto delle nanotecnologie. L’obiettivo è incorporare nanodispositivi o nanomateriali all’interno dei compositi per ottenere nuove proprietà e funzionalità, come la conduttività elettrica o la possibilità di trasportare segnali per realizzare materiali intelligenti. Una strada dal potenziale enorme che può aprire nuove e sorprendenti applicazioni, considerando anche che i compositi, per loro struttura, si prestano particolarmente bene a tale processo.

■> Sul tema del riciclo quali sono le novità?

Le possibilità di riciclo oggi sono ottime, sia attraverso la macinazione e riutilizzo in edilizia sia dell’incenerimento con il recupero di energia. Su entrambe le soluzioni abbiamo realtà industriali che lavorano a pieno ritmo e con buoni profitti, a testimonianza di quanto il riciclo dei compositi sia già un processo vantaggioso.

L’obiettivo finale è arrivare a scomporre il composito nei suoi componenti originari, fibra e matrice, per riutilizzarli separatamente o insieme e dare vita a un nuovo materiale con proprietà simili a quello di partenza. Ancora non siamo a questo livello dal punto di vista industriale, ma ci sono ricerche molto promettenti, con risultati consolidati presso la comunità scientifica, che indicano come questa strada possa essere praticata in futuro.

Su tutte queste attività EuCIA è coinvolta direttamente, perché quattro anni fa ha assorbito il Consorzio ECRC (European Composite Recycling Concept), fondato dai principali produttori di compositi per il comparto automotive (SMC e BMC), per promuovere le tecnologie di riciclo dei compositi. Competenze che ora verranno ulteriormente sviluppate: a questo proposito ci stiamo confrontando con la EuPC, la Federazione europea dei trasformatori di materie plastiche, per procedere di concerto, dal momento che il tema è comune ai due settori.

■> Sui costi di produzione?

Produrre materiali compositi ad elevate prestazioni con tecniche che richiedano

Un futuro ricco di sfide minori costi di investimento e di esercizio è un altro punto sul quale si sta lavorando molto. A questo occorre aggiungere una riduzione dei tempi di ciclo e quindi lo sviluppo di tecnologie di processo ad alta produttività. A questo scopo nel settore è in atto una profonda revisione delle tecniche di lavorazione tradizionali, revisione che coinvolge tutti gli attori della filiera.

Non a caso una delle strade più promettenti è lo sviluppo, da parte dei produttori di materia prima, di preimpregnati che richiedono basse pressioni o addirittura soltanto la pressione atmosferica per consolidare. L’obiettivo è, facendo salve le prestazioni dei materiali, di ridurre i costi e i tempi di lavorazione, in modo da rendere i compositi ancora più appetibili per settori dedicati alla produzione di beni di largo consumo, come l’automotive, dove è richiesta elevata produttività.

■> Sul fronte della sicurezza quali sono i problemi da affrontare?

Il tema della sicurezza è sempre stato al centro dell’attenzione degli operatori del settore ed è essenzialmente focalizzato sulla necessità di ridurre l’esposizione dei lavoratori alle sostanze chimiche potenzialmente pericolose, in particolare allo stirene. Su questo fronte si sta agendo in due direzioni diverse, ma complementari. Da un lato i produttori di resine stanno lavorando allo sviluppo di matrici a basso contenuto di stirene, dall’altro i trasformatori si orientano sempre più verso l’impiego di tecnologie di processo a stampo chiuso, in sostituzione di stampi aperti, per limitare le emissioni nell’ambiente di lavoro.

Per quanto riguarda l’utilizzo dei compositi, invece, non vi sono rischi per la salute. Sotto questo aspetto cruciale è la composizione del materiale, soprattutto il grado di reticolazione, ovvero il grado di avanzamento della reazione che porta all’indurimento della resina. Per applicazioni alimentari, infatti, occorre garantire che nel materiale solidificato non ci siano residui di sostanze chimiche, quali stirene, ammine, bisfenolo e tutto ciò che viene utilizzato per la sintesi del composito. La presenza di queste sostanze rappresenterebbe un indizio di scarsa qualità del materiale, e per questo si sta pensando di introdurre un marchio di qualità specifico per queste applicazioni.

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Interview

A future full of challenges

In November Assocompositi’s President Roberto Frassine was elected interim President of EuCIA, the Association of the European Composites Industry. We have traced with him an overview of the challenges our field is facing, from sustainability to the evolution of materials and processes and to the struggle against the aggressive competition from Chinese manufacturers.

■> The appointment as President of EuCIA is a recognition of the work done in Assocompositi as well as of the weight and the role played by the Italian industry...

The appointment came as a solution to an emergency situation arising in November as a result of the sudden resignation by Volker Fritz, who had held the position for the past nine years. Therefore, the Board had to elect an interim president who could lead the Association to the elections that will take place next March. The unanimous convergence on my name is indeed a recognition of the contribution that Assocompositi brought to the activities of EuCIA during the past years, a contribution ranging from the production of publications such as those about the topic of recycling, to the field of promotion and communication and to the active support given to all initiatives promoted by EuCIA, not least the anti-dumping action against the Chinese production of glass fibres that was started in 2009 and has been resumed now. Such attitude was crucial when it was necessary to choose someone who could manage the Association during this transition. It is also a recognition of the importance of our country, whose composites industry is among the top ones in the continent.

■> How would you rate the performance of the composites market in Europe?

The industry is going through a time of great expansion, with an excellent upward trend even reaching a double-digit growth in some countries. The German and United Kingdom markets are doing particularly well, the latter being a country that invested much in composites research and innovation in the recent years. There are also very good prospects for the Russian market – where

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the composites industry association, the Russian Union of Composites Manufacturers (UNCM), has recently joined EuCIA together with Turkey – both because of the size of investments and because Russia is another major player in the continent. And today Turkey is an important market, too.

Concerning Italy the growth is good, too, although rates are not as high as in other countries. This comes as a consequence of the difficult economic situation, which did not favour the full deployment of the potential for the development of our industry.

■> What are the main challenges the Association will face?

There are several challenges inside and outside the association. Concerning the former ones, EuCIA has grown a lot over the past few years in terms of activities, budget and members. The inclusion of sector groups, such as the European UP/VE Resin Association (the European association for unsaturated polyester and epoxy vinyl ester resins) or APFE (European Glass Fibre Producers Association) along with the various national associations of composite materials has induced conflicting pressures and interests on various topics that must be addressed at the European level. An example is the position to take with respect to the new anti-dumping measures concerning the import of glass fibres produced in China, which are supported by producers of raw materials but opposed by the processing industry.

This raises the problem of how to reconcile the different visions and goals of the various entities the association represents. However, these are difficulties related to the rapid growth of the association which we can look at in a positive way: if we can handle and overcome them, EuCIA

will really represent the European world of composite materials as a whole.

■> What about the challenges outside the association?

These are the big issues that also affect other industries, such as the environmental sustainability of manufacturing activities, the recycling possibilities of materials, safety concerns related to food contact and to the use of some components such as styrene, that are potentially dangerous to the health of workers. These issues will be subject to standardization by the national authorities and the European Commission in the next few years, and we can easily imagine that very restrictive limits and requirements will be set. EuCIA must be a central player in the definition of these regulations, especially in showing that composites are materials that provide huge benefits even in these respects.

■> Is there an awareness of the strategic role of the composites industry at the level of European institutions?

The role of EuCIA at the EU level, and therefore that of the European Commission, is very important. The association has played a positive lobbying activity concerning various issues, one of the latest being about the theme of recycling. Indeed the European Commission had initially formulated a very disadvantageous definition for these materials that was corrected along the way, so that in the last European directive composites were classified as recyclable materials. In short, we work for the recognition of the needs of this industry both at the level of European institutions and of the national authorities. Spreading the awareness about these materials and their extraordinary properties is essential to this aim and it

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>> is another milestone for EuCIA, also through the organization of events and meetings between our companies, politicians and officials. Also thanks to these activities, the awareness of the strategic impor tance that composite materials have acquired and their impact on the market has grown considerably in the European institutions.

■> One of the main threats to European operators is represented by competition from low-cost products, such as glass fibres produced in China. What is being done about this?

We have always had an eye on the import of products from China, because such productions are suspected to be subsidized by the state. This raises a potential problem of unfair competition against European manufacturers who cannot receive any kind of support. This is a problem especially for producers of glass fibres who have been affected for many years by the aggressive Chinese competition, so that their gross margin has suffered a 25% reduction in Europe and some operators have been forced to a partial use or closure of their manufacturing facilities. For this reason, through APFE the European manufacturers have asked the European Commission to reinforce the anti-dumping measures on a wider range of products than what is presently established. The Commission has launched an investigation in December last year to assess the actual impact that the implementation of these measures would have on the European market, inviting both the manufacturers of raw materials and those who are involved in material processing to participate. The Commission’s decision is expected by the end of this year, therefore the investigation will be performed in a relatively short period of time.

■> What is EuCIA’s position?

As I mentioned before, there are conflicting visions and interests. Raw materials producers want to defend the EU market to prevent the shutdown of factories, job cuts and the risk of wasting an extraordinary amount of knowledge and expertise developed over decades in the European territory. Converselu, anti-dumping measures represent a potential cost increase for the processing industry, as the import duties on raw materials may have an im-

pact as large as 30-40% on the value of the product.

However I believe that the Chinese trade policy should alarm the processing industry, too. Indeed the new five-year plan adopted by the People’s Republic of China identified in the composites a strategic field for the economic development of the country. This means that the government will not only intensify the production of glass fibres but will also support the creation of large companies dedicated to the manufacture of composite products. The same fierce competition that now affects the producers of the raw material is destined to be repeated in the processing sector. Therefore the time has come for all players in the industry and the European Union to agree on a common defense strategy. EuCIA will work on this issue in the coming months.

■> What is the range of products subject to import duties?

It started with glass fibres, but then the European Commission realized that the duties was applied only on a few products, notably open meshes aimed at applications in the building industry. Today, raw material producers would like these measures to be extended to other glass fibre products imported from China. However such difficulties do not exist concerning other raw materials, one reason being that in the European territory there is no significant production of carbon fibres, which remain an almost exclusive monopoly of the United States and Japan.

■> A crucial aspect for the advancement of the industry is research. What are EuCIA’s activities in this respect?

We participated in several European research projects funded under the 7th Framework Programme like BioStruct, WOODY and NATEX, focusing in particular on the issues of sustainability and of the use of natural fibres for the production of composites. Since we are an association our activity does not apply to specific research activities but focuses on the dissemination, technology transfer and application of research results among our associates, a task we perform very convincingly and thoroughly. We will continue on the same track also with the next European innovation programmes in Europe (the upcoming Horizon 2020) carrying out this es-

sential work for the technological advancement of our industry.

■> What is the evolution of the industry from a technological point of view?

The major topics we are working on are sustainability, integration of nanotechnologies in composites and reduction of manufacturing costs. Concerning the first issue, sustainability involves not only the recyclability of materials, which has been abundantly demonstrated, but also their impact during the entire life cycle, that is from raw materials to the recycling stage. This means that we must make sure that composites, which already have a far better environmental impact with respect to traditional materials, further increase such advantage through the use of renewable raw materials (hence the whole research line on natural fibres) and more environmentally friendly, energyefficient manufacturing processes. Furthermore, with regard to the development of materials we are witnessing the entrance into the field of nanotechnologies. The goal is to incorporate nanodevices or nanomaterials within the composites to obtain new properties and functionalities, such as electrical conductivity or the ability to transport signals in order to realize smart materials.

This is a line with an enormous potential that can open up new and surprising applications, also considering that due to their structure composites have a natural talent for this kind of processes.

■> What are the news about recycling?

The possibilities of recycling today are excellent, both through mechanical grinding and reuse in the building sector and by means of incineration and energy recovery.

Industries exist in both fields working at full capacity and with good profits, a sign of how composite recycling is already a profitable field. The ultimate goal is breaking up the composite material into its original components, i.e. fibre and matrix, and reusing them either separately or together thus creating a new material with properties similar to the original ones. Industrial technology has not reached this point yet but there is plenty of promising researches whose results have been assessed by the scientific community, indicating that this idea can be put into practice in the future.

EuCIA is directly involved in all of these activities as it incorporated the ECRC consortium (European Composite Recycling

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Interview

Concept), founded by the leading manufacturers of composite materials for the automotive industry (SMC and BMC) in order to promote the recycling technologies of composites. Now this know-how will be further developed and we are discussing the issue with EuPC, the European association of plastics converters, in order to proceed together since this is a common theme to both sectors.

prisingly one of the most promising paths is the development by producers of raw materials of prepregs requiring low pressures or even just atmospheric pressure to consolidate. The goal is saving material’s performances while reducing costs and processing times, in order to make composites more attractive for industries dedicated to the production of consumer goods such as the automotive sector, where high productivity is a must.

■> And what about manufacturing costs?

Production of high-performance composite materials using techniques that require lower investments and operating costs is another issue we are working a lot on. We should also add to this goal a reduction of production cycle times and therefore the development of high-productivity process technologies. To this aim a major revision of the traditional processing techniques is taking place, involving all players in the industry chain. Not sur-

■> What problems must be dealt with in terms of safety?

The safety issue has always been at the centre of attention of the industry and the main focus is the need to reduce the exposure of workers to potentially hazardous chemicals, e.g. styrene in particular. Two different but complementary strategies have been undertaken concerning this issue. On the one hand resin manufacturers are working on the development of ma-

A future full of challenges trices with low styrene content while on the other hand the processing industry is converging more and more on the use of closed-mold processing technologies instead of open-mold methods in order to limit emissions in the working environment.

However, concerning the use of composites there are no health risks. In this respect the composition of the material is crucial, especially the degree of cross-linking, that is the advancement of the reaction that leads to hardening of the resin.

For food applications it is indeed necessary to ensure that the hardened material does not contain residues of chemicals, such as styrene, amines, bisphenol or any chemical used for the synthesis of the composite. The presence of these substances would provide an indication of poor quality of the material, and for this reason we are thinking about the introduction of a specific certification mark for these applications.

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Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università degli Studi di Padova

di Enrico Bernardo e Mauro Marangoni

I compositi a matrice vetrosa Prosegue la panoramica sui compositi a matrice vetrosa. Dopo aver affrontato, nel numero precedente, i diversi meccanismi di tenacizzazione, proponiamo un’analisi delle tecniche di fabbricazione, dei vari sistemi e delle possibili applicazioni.

C

ome riportato in alcune ottime reviews [1-3], le tecniche di fabbricazione di materiali compositi a matrice vetrosa e vetroceramica possono essere approssimativamente suddivise in processi che prevedono l’applicazione simultanea di alte temperature e pressioni e in processi meramente termici.

La scelta del processo dipende dal particolare accoppiamento tra vetro e rinforzo; in particolare, i trattamenti non devono degradare il rinforzo e/o l’interfaccia vetro/rinforzo, di vitale importanza per i meccanismi di tenacizzazione.

TRATTAMENTI AD ELEVATE TEMPERATURE E PRESSIONI La maggior parte dei compositi a matrice vetrosa, utilizzati come componenti strutturali sottoposti a forti sollecitazioni, sono rinforzati con fibre e fabbricati secondo il processo di costruzione “uni-

tape” [1-3]. Come mostrato in fig.1, le fibre sono passate attraverso una sospensione acquosa di polveri fini di vetro, contenente anche un legante. Una volta impregnate, le fibre vengono avvolte su un mandrino prismatico in modo da formare dei nastri con fibre parallele, successivamente tagliati e impilati. Gli strati vengono sovrapposti seguendo diverse orientazioni, prima di essere sottoposti a pressatura a caldo per formare il composito finale (il legante viene eliminato per decomposizione termica).

Per favorire l’infiltrazione tra le fibre del vetro rammollito, al fine di ottenere una porosità residua inferiore al 2%, è necessario adottare un attento controllo del programma tempo-temperatura-pressione (tipicamente viene applicata una pressione di 10-20 MPa dopo che la temperatura ha raggiunto il punto di rammollimento del vetro).

Lo stampaggio a caldo può essere applicato anche in presenza di fibre in forma di tessuti; in questo caso i tessuti sono pressati a caldo dopo essere stati rivestiti con polveri di vetro. L’integrità della struttura bidimensionale dei tessuti facilita la realizzazione di componenti di forma complessa [3], rendendo possibile anche la fabbricazione “near net shape” [1]. La deposizione elettroforetica fornisce un metodo molto semplice ed efficace per infiltrare le fibre [1], soprattutto nel caso di tessuti di fibre metalliche [4,5]. I tessuti possono essere utilizzati anche dopo la deposizione preliminare di un film sottile, ottenuto via sol-gel, utile come strato di decoesione (volto a favorire debonding e pull-out), come riportato per tessuti in fibra di basalto rivestiti con TiO2 [6] ed incorporati in una matrice di vetro borosilicatico.

Fig.1: Rappresentazione schematica delle fasi del processo di costruzione “unitape”

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Fig.2: Rappresentazione schematica di: a) stampaggio per trasferimento di matrice; b) pultrusione di barre composite unidirezionali

Le tecnologie di stampaggio per trasferimento di matrice e per iniezione, in analogia con compositi a matrice polimerica, rappresentano valide alternative alla pressatura a caldo [1,3]. La prima tecnica è indicata per la fabbricazione di componenti cavi, come tubazioni: le fibre, come mostrato in fig.2a, sono avvolte attorno ad un mandrino, a sua volta inserito in una cavità; una certa quantità di vetro fuso viene forzata a riempire gli spazi tra il mandrino e le pareti della cavità. È evidente che, per poter penetrare negli spazi tra le fibre, il vetro deve avere una viscosità molto bassa: le temperature di processo sono superiori a quelle richieste per la pressatura a caldo, con il rischio di degrado delle fibre e/o dell’interfaccia [3]. Lo stampaggio per iniezione può essere applicato a moulding compounds (“impasti da stampaggio”), costituiti da polveri di vetro, mescolate con fibre corte, iniettati ad alta temperatura nella cavità di uno stampo. Compositi unidirezionali, in forma di barre, possono essere prodotti anche mediante estrusione o pultrusione [1] (le fibre vengono fatte passare attraverso l’ugello di un crogiolo di platino riempito di vetro fuso, fig.2b). La degradazione della fibra e l’interazione fibra/matrice sono sfavoriti dalla rapida solidificazione della matrice vetrosa intorno alle fibre.

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SINTERIZZAZIONE PER FLUSSO VISCOSO SENZA PRESSIONE APPLICATA La pressatura a freddo e la sinterizzazione per flusso viscoso sono processi molto meno costosi rispetto allo stampaggio a caldo e possono produrre compositi, rinforzati con particelle, ad alto grado di densificazione. Questo processo è consigliato soprattutto per matrici basate su vetri riciclati o su vetri derivanti da materiali di scarto [7]. È interessante notare come la sinterizzazione del vetro possa essere ottenuta a temperature molto inferiori rispetto a quelle applicate per i ceramici convenzionali. Infatti, la temperatura ottimale di sinterizzazione supera il punto di rammollimento dilatometrico di un vetro di circa 100-150 °C [8]. Per alcuni vetri riciclati, come i vetri dalla dismissione di tubi a raggi catodici, questa temperatura è dell’ordine di 600-650 °C [9], permettendo la realizzazione di compositi contenenti particelle di alluminio [10]. La temperatura di sinterizzazione è effettivamente sensibile alla quantità e alla morfologia dei rinforzi: infatti, inclusioni rigide forniscono un significativo aumento della viscosità apparente, con un notevole ritardo nella densificazione, soprattutto nel caso di particelle non equiassiche (monocristalli appiattiti, fibre corte) [11].

PROCESSO SOL-GEL Il processo sol-gel può essere utilizzato per produrre matrici da precursori metallorganici. Tali precursori, in forma di soluzioni colloidali, possono essere facilmente infiltrati tra le fibre e convertiti successivamente in una matrice vetrosa o vetroceramica mediante un trattamento a temperature relativamente basse [12]. Uno dei principali vantaggi del processo sol-gel è rappresentato dall’omogeneità su scala nanometrica nella miscelazione di matrice e rinforzi, come whiskers in SiC [13] e CNT (nanotubi di carbonio) [14]. I CNT sono noti per le difficoltà di omogeneizzazione all’interno di qualsiasi matrice; tuttavia, la flocculazione dei CNT può essere facilmente evitata, in precursori xerogel di vetro borosilicato, utilizzando additivi specifici [14].

OSSERVAZIONI SUI TRATTAMENTI TERMICI I trattamenti termici non sono finalizzati semplicemente a favorire la densificazione. Per composizioni specifiche, la matrice vetrosa può cristallizzare, determinando una matrice vetro-ceramica, con proprietà meccaniche nettamente migliorate.

Più precisamente, la maggior parte delle matrici vetro-ceramiche ha una composizione allumino-silicatica (Al2O3 e SiO2, accoppiate con Li2O, CaO, MgO, Y2O3, BaO,

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I compositi a matrice vetrosa >> in matrici spesso denominate LAS, CAS, MAS, YAS e BAS) [1,2]. In caso di formazione di fasi allumino-silicatiche altamente refrattarie, come mullite (3Al2O3.2SiO2) e celsiana (BaO.Al2O3.2SiO2), la massima temperatura di esercizio dei compositi può superare i 1500 °C (matrici di vetro ossinitruro sono in realtà più resistenti e più refrattarie, ma sono anche molto più costose [15]).

Per vetri soggetti a cristallizzazione, lo stampaggio a caldo viene eseguito sfruttando una “finestra” temperatura-tempo tra la densificazione e l’inizio della cristallizzazione [1]. Quando un vetro cristallizza durante la fase di stampaggio a caldo, il conseguente aumento della viscosità può comprometterne la compattazione. Al contrario, la cristallizzazione può essere accettata dopo la pressatura a caldo, come un trattamento secondario, tenendo in considerazione che può essere un processo molto lento, se agenti nuclean-

ti come ZrO2 e TiO2 non sono introdotti nella formulazione del vetro. Un “posttrattamento” di cristallizzazione può essere applicato anche a compositi a matrice vetrosa densificati mediante sinterizzazione per flusso viscoso [16].

Se un vetro presenta sinter-cristallizzazione, cioè può essere sinterizzato con contemporanea cristallizzazione (dovuta ad un meccanismo di nucleazione superficiale), è possibile ottenere compositi a matrice vetroceramica attraverso un rapido trattamento mono-stadio [17]. Ad esempio, platelets (monocristalli appiattiti) di Al2O3 sono stati incorporati con successo in una matrice vetroceramica a base di nefelina, a seguito di brevi trattamenti (1-3 h) di sinter-cristallizzazione di fritte di vetro a temperature inferiori a 950 °C [17]. Altri esempi di inserimento di rinforzi in matrici vetroceramiche derivate da fritte sono forniti da vetroceramiche a base di mica rinforzate con zirco-

nia [18,19], vetroceramiche a base di diopside (CaMgSi2O6) rinforzate con Al2TiO5 [20], o vetroceramiche appartenenti al sistema Li2O-ZrO2-SiO2-Al2O3 (LZSA) rinforzate con zircone [21].

Una seconda osservazione riguarda le possibilità di riscaldamento non convenzionale. Infatti, il riscaldamento a microonde può essere adottato per compositi con componenti che assorbono energia elettromagnetica, ad esempio compositi che incorporano fibre di SiC [22] o particelle metalliche [23]. In quest’ultimo caso, il calore trasferito dalle fasi disperse nella matrice vetrosa può essere persino eccessivo, causando la formazione di bolle nella matrice.

SISTEMI COMPOSITI E APPLICAZIONI ■ Compositi rinforzati con fibre I compositi rinforzati con fibre di carbonio sono interessanti per la preparazione

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di componenti strutturali leggeri (densità di 2-2,5 g/cm3) [1] con coefficiente di dilatazione termica quasi nullo; questi materiali trovano impiego nella realizzazione di specchi spaziali di grandi dimensioni [1,3] o in applicazioni di precisione che richiedono un’elevata stabilità dimensionale. Il basso coefficiente di attrito, accoppiato con una relativamente alta resistenza all’usura [24], può essere sfruttato per applicazioni automobilistiche.

I compositi rinforzati con fibre di SiC (Nicalon), più stabili contro l’ossidazione di quelli a base di fibre di carbonio e dotati di un’eccellente resistenza al creep (almeno fino a 1000 °C, per matrici vetroceramiche LAS, tab.1), sono stati proposti per componenti strutturali ad alta temperatura (ad esempio pale di turbine a gas) [1,3] o per la manipolazione di vetro e metalli caldi; per questo specifico settore la Schott Glass ha effettivamente attivato una produzione di vetri rinforzati con fibre (di C e SiC), con il nome commerciale di Fortadur® [1,2].

Rispetto alle fibre di C e di SiC, le fibre di ossidi presentano un stabilità ossidativa migliorata e sono elettricamente isolanti. Le fibre di allumina e di alluminosilicati (fibre monocristalline Saphikon® e fibre Nextel®) sono le più studiate [1], grazie ai significativi miglioramenti della tenacità a frattura ottenuti. Tuttavia, questo avviene solo se le fibre sono rivestite di SnO2 o BN (applicati via CVD – Chemical Vapor Deposition), ovvero con strati che favoriscono il debonding. L’ossido di stagno, SnO2, è ovviamente resi-

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stente all’ossidazione, ma può reagire con il vetro. I rivestimenti di nitruro di boro (BN) sono molto più efficaci, in quanto portano la resistenza a frattura oltre 3,3 MPa.m0,5 (tab.1) [25]. I rivestimenti in carbonio sarebbero ancora più efficaci, ma si ritornerebbe ad una grande sensibilità all’ossidazione [1].

Le fibre di vetro (da vetro con alte temperature caratteristiche) possono essere considerate una valida alternativa ad altre fibre di ossido. Leutbecher e Hülsenberg hanno introdotto con successo, mediante pressatura a caldo a 700 °C, fibre commerciali di vetro S, caratterizzate da una temperatura di transizione (Tg) di 816 °C, in un vetro borosilicato con Tg di 470 °C. La limitata differenza tra i moduli elastici tra fibra e matrice comporta uno scarso trasferimento di carico, ma si raggiunge una buona tenacizzazione (con un rivestimento in carbonio ottenuto per via CVD, tenacità a frattura di 4,8 MPa.m0,5, tab.1) [26].

Le fibre di ossidi possono essere utilizzate per compositi opto-meccanici [27], ovvero per compositi a matrice vetrosa con una trasmittanza ottica accettabile, proposti come alternativa a vetri armati, per parabrezza e vetri altamente resistenti all’impatto [1]. Tuttavia, la trasparenza delle fibre di ossidi si conserva solo applicando sottili rivestimenti di ossidi trasparenti o traslucidi, a base di titania, meno efficace del carbonio nel favorire il debonding [27].

I compositi opto-meccanici sono realizzabili anche evitando la costruzione

Fig.3: Schematizzazione ipotetica di un composito a matrice rinforzato con un tessuto di fibre a maglie larghe

“unitape” e la pressatura a caldo. Ad esempio, le fibre di allumina Saphikon possono essere inserite tra due lastre di vetro preformate, o tagliate e mescolate con polvere di vetro, prima della pressatura a freddo e della sinterizzazione [28]. Un’ulteriore variante è legata all’adozione di una nuova generazione di tessuti di fibre (ancora da ottimizzare), con ampie aper ture tra fibre intrecciate (fig.3), in modo da ottenere compositi visivamente simili ai vetri armati, caratterizzati dall’inserimento di reti metalliche.

Come già osservato per tessuti in fibra di basalto ricoperti con TiO2 e incorporati in vetri borosilicati, si possono verificare eventi di debonding e pull-out tra fibre adiacenti, unite mediante un rivestimento di ossido, depositato per via sol-gel [6] (fig. 4).

I sopra menzionati vetri armati rappresentano uno degli esempi più consolidati di vetri rinforzati; lo stesso concetto è ancora sfruttato per alcuni materiali compositi, come nel caso di matrici di biovetro rinforzate da fibre in acciaio inox AISI 316 L [29].

Un’ultima osservazione, nell’ambito dei vetri rinforzati con fibre, riguarda i nanotubi di carbonio. Se i CNT sono distribuiti omogeneamente, ad esempio introducendo additivi selezionati come nel documento di Thomas et al. [14], i compositi a matrice vetrosa mostrano significativi miglioramenti nella durezza, resistenza alla compressione e conducibilità termica anche per un contenuto molto modesto di nanotubi (2% in peso).

Fig.4: Mutuo scorrimento di fibre di basalto rivestite con TiO 2 immerse in una matrice di vetro boro silicatico [6]

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■ Compositi rinforzati per dispersione Vetri e vetroceramiche rinforzati per dispersione sono prodotti principalmente mediante semplice pressatura a freddo e un successivo trattamento termico [9,10,16,30-31]. Il rinforzo per dispersione è molto meno significativo rispetto ai compositi rinforzati con fibre, ad eccezione dei whiskers [30] o di particelle metalliche inglobate per pressatura a caldo [31], ma è apprezzabile soprattutMatrice Matrix Vetro borosilicato Borosilicate glass Vetro alluminosilicato Aluminosilicate glass

to operando con vetri riciclati. Infatti, questo tipo di compositi (elaborati al di sotto di 1000 °C) generalmente presentano proprietà meccaniche paragonabili a quelle di monoliti vetroceramici e di ceramici tradizionali (ottenuti operando oltre i 1000 °C), utilizzati per applicazioni in edilizia [9,30-31]. Tali compositi potrebbero essere ancor più interessanti nel prossimo futuro, in quanto maggiormente sostenibili a livello ambientale, considerando il recupero di materiali di Rinforzo Reinforcement

riciclo, il risparmio energetico e di materie prime naturali.

Grazie al lavoro pioneristico di Boccaccini e altri [30], la realizzazione di compositi risulta di grande interesse anche per il trattamento di materiali di scarto. Rifiuti inorganici possono essere sinterizzati con polveri di vetro o incorporati nella formulazione di matrici vetrose [7,17].

I rinforzi particellari sono importanti per modificare proprietà termiche quali la diffusività e la conducibilità termica.

σ = sforzo strength Rif. KC = tenacità a frattura fracture toughness Ref. T = temperatura di esercizio Service temperature σ=840 MPa (T≤530°C); KC=25 MPa m0.5

SiC Nicalon σ=1200 MPa (T≤700°C); KC=36 MPa m0.5

Vetro borosilicato Borosilicate glass

Carbonio Carbon

σ=800-1000 MPa (T≤400°C); KC=35 MPa m0.5

Vetro borosilicato Borosilicate glass

Carbonio Carbon

σ=800 MPa (T≤600°C, in argon)

Vetroceramica MAS MAS glass-ceramic

SiC Monofilaments

σ=600 MPa (T≤1000°C)

Vetroceramica LAS LAS glass-ceramic

SiC Nicalon

σ=900 MPa (T≤800°C, in aria in air) σ>900 MPa (T≤1100°C, in argon)

Vetro SiAlON SiAlON glass

Carbonio Carbon

σ=320 MPa KC=12 MPa m0.5

1

3

15

σ=66 MPa; KC=1.1 MPa m0.5 (no coating) Vetro borosilicato Borosilicate glass

Nextel 480

σ=76 MPa; KC=2.1 MPa m0.5 (BN coating) σ=86 MPa; KC=0.9 MPa m

0.5

Vetro borosilicato Borosilicate glass

Vetro S S-type glass

Vetro alluminosilicato Aluminosilicate glass Vetroceramica BAS BAS glass-ceramic

25

(SnO2 coating)

σ=45 MPa (no coating) σ=155 MPa; KC=4.8 MPa m0.5 (C coating)

26

σ=340 MPa; KC=3.4 MPa m0.5 SiC whiskers

Vetroceramica MAS MAS glass-ceramic

σ=400 MPa; KC=4.5 MPa m0.5

32

σ=360 MPa; KC=4.5 MPa m0.5 SiC particelle SiC particles

σ=280 MPa; KC=2.7 MPa m0.5

TiC particelle TiC particles

σ=260 MPa; KC=2.4 MPa m0.5

Vetro borosilicato Borosilicate glass

Al2O3 platelets

σ=150 MPa; KC=3.6 MPa m0.5

16

Vetro Li-Na alluminosilicato Li-Na aluminosilicate glass

Al particelle Al particles

KC=6.2 MPa m0.5

33

Vetroceramica fosfatica bioattiva Bioactive phosphate glass-ceramic

Fibre acciaio inox 316L 316L stainless steel fibres

σ=50 MPa; KC=2.3 MPa m0.5

29

Vetroceramica 'Silceram' Glass-ceramic

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Tab.1: Esempi di compositi a matrice vetrosa e vetroceramica con le più significative proprietà meccaniche

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I compositi a matrice vetrosa Queste proprietà, con valori generalmente bassi nei vetri borosilicatici, possono essere migliorate includendo particelle di Al2O3 [34]. Analogamente, vetroceramiche a base di cordierite possono essere migliorate con l’aggiunta di AlN (nitruro di alluminio). Chen e Liu [35] hanno incorporato con successo questo nitruro, fino al 50% in volume, mediante pressatura a caldo a 1000 °C, ottenendo compositi a matrice vetroceramica con una conducibilità termica di 6,5 W/mK, con miglioramenti anche di resistenza e tenacità. Infine, particelle di carburo (SiC e TiC) [36], titanato di alluminio (Al2TiO5) [20] e allumino-silicato di bario (celsiana) [37] sono state selezionate per la capacità di migliorare la resistenza allo shock termico in matrici vetroceramiche, con effetti positivi in termini di aumento del modulo elastico, della resistenza a flessione e della resistenza all’abrasione.

L’approccio dei compositi è particolarmente valido anche per la realizzazione di componenti per applicazioni funzionali non comuni, come la termoluminescenza allo stato solido (fornita da particelle di topazio disperse in un vetro da lastre riciclato [38], sinterizzato a 700 ° C per 1 h), utile nella dosimetria di radiazioni ad alta energia, o la conducibilità elettrica attivata meccanicamente. Incorporando polveri conduttive di RuO2 in un vetro allumino-boro-silicato al piombo, rinforzato con fibre di Al2O3, è stato dimostrato un significativo aumento della resistenza elettrica con la deformazione, per applicazione di una sollecitazione di trazione [39].

CONCLUSIONI I compositi a matrice vetrosa e vetroceramica non possono essere trattati semplicemente come una curiosità accademica o come materiali adatti solo

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

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a condizioni estreme, come temperature o sollecitazioni elevate. Infatti, le idee più recenti, come l’introduzione di fibre di ossido e lo sviluppo di materiali compositi per applicazioni optomeccaniche, creano le condizioni per dare un nuovo futuro all’applicazione di vetri e vetroceramiche rinforzate con fibre, aper to ad applicazioni a bassa temperatura o a bassa sollecitazione meccanica.

I compositi rinforzati per dispersione, realizzati mediante pressatura a freddo e sinterizzati per flusso viscoso, sono indubbiamente poco costosi e costituiscono valide applicazioni principalmente per il riciclo del vetro, in forma di piastrelle a basso costo. Anche in questo caso, i più recenti studi hanno contribuito allo sviluppo di materiali con complesse combinazioni di funzionalità, non strettamente destinati ad applicazioni in edilizia.

■ 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.

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Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università degli Studi di Padova

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by Enrico Bernardo and Mauro Marangoni

Glass matrix composites The distinctive toughening mechanisms in glass matrix composites were discussed in the previous issue.

The present paper aims at presenting the manufacturing techniques, as well as an up-to-date overview of composite systems and applications.

T

he manufacturing techniques for glass and glass–ceramic matrix composites can be roughly divided into processes with simultaneous application of high temperatures and pressure, and merely thermal processes, as reported by some excellent review papers [1-3].

The adoption of any process depends on the particular coupling between glass and reinforcement; in particular, the treatments should not degrade the reinforcement and/or the glass/reinforcement interface, of vital importance for the toughening mechanisms.

TREATMENTS AT HIGH TEMPERATURES AND PRESSURE Most of fibre reinforced glass matrix composites, suitable for highly stressed structural components, are fabricated according to the “unitape construction” process [1-3]. As shown by fig.1, fibre tows or yarns are passed through an aqueous slurry of fine glass powders, containing also a binder. Slurry-impregnated fibres are then wound onto a prismatic mandrel to form monolayer tapes, layer cut up to make plies. Stacked plies, with different lay-ups are then hot-pressed to form the final composite, after the burn-out of the binder. A careful control of the time-temperaturepressure schedule allows for a good infiltration of softened glass between adjacent fibres, with residual porosity below 2% (the pressure, of about 10-20 MPa, is typically applied after the temperature has reached the softening point of the glass).

Hot pressing may be applied also to fibre fabrics; in this case, fabrics are hotpressed after a coating with glass slurries. The two-dimensional structural integrity of fabrics facilitates the manufacturing of components with complex shape [3] and there are possibilities for near net shape fabrication [1]. Electrophoretic dep-

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Compositi

osition provides a very simple and effective method to infiltrate the fibre preform [1], especially in the case of metallic fibre mats [4,5]. Fabrics can be even used after preliminary deposition of a thin film, obtained by sol-gel, that could act as decohesion layer (aimed at favouring debonding and pull-out), as shown for basalt fibre fabrics coated with TiO2 [6] and embedded in a borosilicate glass matrix.

Matrix transfer moulding and injection moulding, in analogy with polymer matrix composites, represent valid alternatives to hot pressing [1,3]. The first technology is suitable for the production of hollow parts, e.g. tubes: fibres, as shown by fig.2a, are wound on a mandrel, which is inserted in cavity; molten glass is forced to fill the spaces between the mandrel and the cavity walls. It is evident that the glass viscosity should be very low to penetrate the interfibre spaces: the processing temperatures are higher than those required by hot pressing, with the risks of fibre and/or interface degradation [3]. Injection moulding can be applied to “moulding compounds”, consisting of glass powders mixed with chopped fibres, injected at high temperature into a mould cavity.

Unidirectional composites, in the form of rods, may be manufactured even by extrusion or pultrusion [1] (fibres are passed through the nozzle of a platinum crucible, filled with molten glass, see fig.2b): fibre degradation and fibre/matrix interaction are prevented, due to the rapid solidification of the glass matrix around the fibres.

pecially for matrices based on recycled glasses, or on waste-derived glasses [7].

Interestingly, the sintering of glass may be achieved at much lower temperatures than those applied for conventional ceramics. The optimum sintering temperature is 100-150°C above the dilatometric softening point of a glass [8]; for some recycled glasses, such as glasses from dismantled cathode ray tubes, this temperature is in the order of 600-650°C [9], so that even Al-containing composites are feasible [10]. The sintering temperature is actually sensitive to the amount and morphology of reinforcements: in fact, rigid inclusions provide a significant increase of apparent viscosity, that greatly delays the densification, especially for non-equiaxed particulates (platelets, short fibres) [11].

SOL-GEL PROCESSING The sol-gel processing may yield matrices from metallorganic precursors. Such precursors, in form of solutions or colloidal sols, may be easily infiltrated between fibres and then converted into a glass or glass-ceramic matrix by treatment at relatively low [12]. A key advantage of sol-gel processing is represented by the nanoscale homogeneity in the mixing of matrix and reinforcements, such as SiC whiskers [13] and CNTs [14]. CNTs are known to present some difficulties in the homogenisation with any matrix; however, the flocculation of the CNTs in xerogel precursors of borosilicate glass may be easily prevented by using specific additives [14].

VISCOUS FLOW PRESSURELESS SINTERING

REMARKS ON THERMAL TREATMENTS

Cold pressing and viscous flow pressureless sintering of the glass matrix are far less expensive than hot pressing and may yield very dense particle-reinforced composites. The process is recommended es-

The thermal treatments are not aimed simply at densification. For specific compositions, the glass matrix may crystallize, yielding a glass-ceramic matrix composite, with improved mechanical proper ties.

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More precisely, most glass-ceramic matrices have an alumino-silicate composition (Al2O3 and SiO2, coupled with Li2O, CaO, MgO, Y2O3, BaO, often referred to as LAS, CAS, MAS, YAS, BAS matrices) [1,2]. If highly refractory alumino-silicate phases, such as mullite (3Al2O3.2SiO2) and celsian (BaO .Al 2O 3.2SiO 2), are formed, the maximum service temperature of composites may exceed 1500°C (oxynitride glass matrices are actually stronger and more heat resistant, but they are far more expensive [15]).

For glasses prone to crystallization, hot pressing is performed exploiting a timetemperature “window” between densification and the onset of crystallization [1]: if a glass crystallizes during the hot pressing stage, the consequent increase of viscosity would compromise the densification; on the contrary, crystallization may be accepted after the hot pressing, as a secondary treatment (very slow, if nucleating agents, such as ZrO2 and TiO2, are not comprised in the glass formulation). A crystallization “post-treatment” may be applied even to glass matrix composites densified by viscous flow sintering [16].

If a glass is subjected to sinter-crystallization, i.e. sintering with concurrent crystallization (owing to a surface mechanism of nucleation), composites with a glass-ceramic matrix are feasible with a rapid, single-step treatment [17]. As an example, Al2O3 platelets were successfully incorporated into a sinter-crystallized nepheline glass-ceramic matrix, starting from mixtures of glass frit and platelets, after short treatments (1-3 h) at temperatures below 950°C [17]. Other examples of frit derived glass-ceramics embedding reinforcing phases are provided by zirconia-reinforced mica-based glass-ceramics [18,19], diopside (CaMgSi2O6) glass-ceramics reinforced by Al2TiO5 [20], or Li2OZrO2-SiO2-Al2O3 (LZSA) glass–ceramic reinforced by zircon [21].

A second remark concerns unconventional heating. In fact, microwave heating is feasible for composites with components that absorb electro-magnetic energy, e.g. composites embedding SiC fibres [22] or metallic particulates [23]. In the latter case, the heat transferred to the glass by the dispersed phases may be even excessive, causing the formation of bubble in the matrix.

24

Compositi

COMPOSITE SYSTEMS AND APPLICATIONS ■ Fibre-reinforced composites Carbon fibre reinforced composites are interesting for the preparation of light structural components (density of 2-2.5 g/cm3) [1], with a nearly zero coefficient of thermal expansion, useful in large spacebased mirrors [1,3], or in precision applications requiring high dimensional stability. The low coefficient of friction, coupled with relatively high wear resistance [24], could be exploited for automotive applications.

SiC fibre (Nicalon) reinforced composites, more stable against oxidation than those based on carbon fibres and exhibiting an excellent resistance to creep (at least up to 1000°C, for a LAS glass-ceramic matrix, see Tab.1), have been proposed for high temperature structural components (e.g. gas turbine blades) [1,3], or for hot glass and metal handling; in this specific field a commercial production of (C and SiC) fibre reinforced glasses has been established

by Schott Glass (Fortadur®) [1,2].

Oxide fibres generally feature an enhanced oxidative stability, and are electrically insulating, compared to C and SiC fibres. Alumina and alumino-silicate fibres (Saphikon® monocrystals, and Nextel® fibres) are the most investigated [1]; the improvement in fracture toughness are significant, however, only if the fibres are coated with SnO2 or BN coatings (applied

by CVD), providing some debonding. SnO2, being an oxide, is obviously oxidation resistant, but it may react with the glass. BN coatings are far more effective, leading to fracture toughness above 3.3 MPa.m0.5 (see Tab.1) [25]. Carbon coatings would be even more effective, but also highly sensitive to oxidation [1].

Glass fibres (from a glass with high characteristic temperatures), may be considered as an alternative to other oxide fibres. Leutbecher and Hülsenberg successfully introduced commercial S-glass fibres, featuring a transition temperature Tg of 816°C, into a borosilicate sealing glass, with Tg of 470°C, by hot-pressing at 700°C. The limited differences in the elastic modulus between fibre and matrix caused a poor load transfer, but there was a good toughening (toughness of 4.8 MPa.m0.5 with a CVD carbon coating, see Tab.1) [26].

Oxide fibre reinforced composites may represent “opto-mechanical composites” [27], i.e. glass matrix composites with an acceptable optical transmittance, proposed for armour windows, windshields and high-impact resistance monitoring windows [1]. The transparency of oxide fibres, however, is preserved only by application of thin transparent or translucent oxide coatings, e.g. based on TiO2, less effective as decohesive layer than carbon [27].

Optomechanical composites are feasible even avoiding unitape construction and hot-pressing: as an example, Saphikon alumina fibres were sandwiched between pre-formed glass plates, or chopped and mixed with glass powder, subsequently cold pressed and sintered [28]. Another modification could come from the adoption of a new generation of fibre mats (still to be optimized), with large openings between woven fibres (see fig.3); the optical appearance of composites would be similar to that of wired glass, with metal meshes. Debond and pull-out events may occur between adjacent fibres, joined by means of an oxide (solgel derived) coating, as already observed for basalt fibre mats, coated with TiO2, and embedded in borosilicate glass [6] (see fig.4).

Wired glass represents one the oldest types of fibre-reinforced glass, but the concept is still exploited for some composite materials, e.g. biomaterials from stainless steel AISI 316 L fibres embedded in a bioglass matrix [29].

A final remark about fibre-reinforced glasses concerns carbon nano-tubes (CNTs). If CNTs are homogeneously distributed (e.g. by introducing selected additives, as above mentioned), like in the paper by Thomas et al. [14], glass matrix composites show significant improvements in hardness, compression strength and thermal conductivity even for a very modest content of CNTs (2 wt%).

■ Dispersion-reinforced composites Dispersion reinforced glass and glass-ceramics are mainly produced by simple cold pressing and subsequent thermal treatment [9,10,16,30-31]. The reinforcement, much less substantial than in fibrereinforced composites, except in the case of whiskers [30] or metal particles (embedded by hot-pressing [31]), is apprecia-

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Glass matrix composites ble mainly operating with recycled glasses; in fact, the composites (fired below 1000°C) generally exhibit mechanical properties comparable to those of monolithic glass-ceramics and traditional ceramics (fired above 1000°C), used for building applications [9,30-31]. Such “environmentally friendly” composites (providing recovery of recycled materials, savings of natural raw materials and energy) could be more and more interesting in the near future.

The composite approach was found to be interesting also for waste-derived materials, after the pioneering work by Boccaccini et al. [30]. Inorganic waste may be sintered with glass powders, or incorporated in a glass [7,17].

Particulate reinforcements are actually important for thermal properties, such as thermal diffusivity and thermal conductivity. These properties, low in borosilicate glass, were early found to increase by inclusion of Al2O3 particles [34]. Analogously, cordierite glass-ceramics can be improved by addition of AlN (Chen and Liu [35] successfully embedded this nitride - up to 50 vol% - by hot pressing at 1000°C, obtaining glass-ceramic matrix composites with a thermal conductivity of 6.5 W/m K, with improvements also in strength and toughness). Finally, carbide (SiC and TiC) [36], aluminium titanate (Al2TiO5) [20] and Ba-aluminosilicate (celsian) [37] particles are reported to improve the thermal shock resistance of glass-ceramics, with positive effects also on elastic modulus, flexural strength and abrasion resistance.

The composite approach is useful also for other unusual functional applications, such as solid state thermo-luminence (provided by topaz particles in recycled window glass [38] sintered at 700°C for 1 h) useful in high-energy radiation dosimetry, or strain-sensitive electric conductivity (a lead alumino-boro-silicate glass, reinforced with Al2O3 fibres and embedding also conductive RuO2 powder, exhibited a significant increase of electrical resistance with increasing strain, upon tensile loading) [39].

CONCLUDING REMARKS Glass and glass-ceramic matrix composites cannot be treated simply as an academic curiosity, or as materials suitable only for extreme conditions, at very high

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temperatures and under high stress. In fact, the most recent ideas, such as the introduction of oxide fibres and the development of “opto-mechanical composites”, have the potential to give a new future to fibre-reinforced glasses and glass-ceramics, open to low temperature and low stress structural applications.

Dispersion reinforced composites, being manufactured by cold-pressing and viscous flow sintering, are undoubtedly inexpensive, and constitutes valid applications mainly for the recycling of recycled glasses, in form of low-cost tiles. Also in this case, the most recent investigations have contributed to the development of materials with complex combinations of different functionalities, not strictly intended for building applications.

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All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Schematic view of operations in “unitape construction” process Fig.2: Schematic views of: a) matrix transfer moulding; b) pultrusion of unidirectional composite rods Fig.3: Hypothetic scheme of glass matrix composite, reinforced by fabric with large openings Fig.4: Mutual sliding of TiO2 coated basalt fibres in borosilicate matrix [6] Tab.1: Examples of glass and glass-ceramic matrix composites, with the most significant mechanical properties

Compositi

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Fornendo un prototipo virtuale dell’oggetto, i sistemi di Computer Aided Engineering trovano grande impiego nelle fasi di sperimentazione. L’ultima frontiera consiste nell’integrare il mondo della produzione a quello della simulazione, descrivendo attraverso modelli numerici gli effetti generati dalle tecnologie di processo.

L

a simulazione numerica è una tecnologia di supporto avanzata, primaria e ben consolidata all’interno delle principali realtà industriali a livello mondiale. Nonostante il contesto economico globale limiti l’intraprendenza delle imprese, gli investimenti in tecnologie CAE (Computer Aided Engineering) sono in costante crescita, a conferma del valore aggiunto fornito in termini di studio, pianificazione, gestione ed ottimizzazione dei sistemi produttivi.

L’integrazione delle tecnologie di simulazione all’interno dei processi produttivi costituisce un supporto per la competitività delle imprese. Tale concetto è ricco di sfaccettature e denotazioni a seconda dello specifico campo di applicazione, ma è un’espressione chiave che sintetizza alcuni tra i più comuni obiettivi, quali il mantenimento della leadership nel proprio settore di competenza, razionalizzazione dei processi di produzione, riduzione di costi e tempi, introduzione di prodotti sempre migliori per di prestazioni ed efficienza.

UN RAPPORTO IN CRESCITA Nell’ambito del settore aerospaziale il CAE è una tecnologia matura, ampiamente utilizzata a supporto delle fasi di sperimentazione. In questo settore, in ambito sia militare che civile, dove l’alleggerimento dei pesi è un requisito fondamentale, si sta investendo sempre di più nella ricerca e nell’utilizzo di materiali compositi di nuova generazione. L’impiego dei compositi, rispetto ai metalli,

permette di migliorare il rapporto prestazioni-peso e, di conseguenza, di ridurre il consumo di carburante e le emissioni dannose con un miglioramento delle efficienze aerodinamiche ed una diminuzione dei costi di produzione. Un’altra caratteristica fondamentale è la resistenza alla corrosione. Non a caso, il settore aerospaziale, insieme a quello delle energie rinnovabili, investe fortemente nel mercato dei compositi; con la percentuale di componenti realizzati in questi materiali all’interno delle strutture primarie di velivoli per uso civile passata dal 5% al 50%.

Sui velivoli i compositi vengono utilizzati principalmente per le superfici di controllo, i componenti degli interni, ali, fusoliere, palette delle turbine ed eliche.

In ambito aerospaziale il materiale più utilizzato, in particolare per le strutture portanti, è la fibra di carbonio incorporata in una matrice epossidica dalle altissime prestazioni strutturali. Ultimamente sono molto utilizzate anche le fibre di vetro e boro.

Per le applicazioni aeronautiche i compositi in carbonio vengono solitamente forniti sotto forma di lamine unidirezionali o tessuti bidirezionali impregnati di resina, immagazzinati in appositi frigoriferi per evitare un indurimento precoce della matrice.

Gli ingegneri che si occupano di compositi devono avere una conoscenza approfondita di svariati processi ed attributi, quali: pratiche di progettazione, conoscenza dell’aerodinamica, delle

strutture e dell’aeroelasticità, approfonditi test ed analisi, tecniche per l’ottimizzazione delle prestazioni, modelli di failure per prevedere i danni da impatto, utilizzo di nuovi materiali, sistemi di monitoraggio ed individuazione dei danni in strutture in ser vizio, prevenzione dei danni causati dai fulmini, procedure di ispezione. Per la progettazione e la fabbricazione di attrezzature per par ti strutturali e componenti meccanici in carbonio, i principali fattori da considerare sono: • il controllo della tolleranza dimensionale e la stabilità di configurazione • il posizionamento delle parti in un assieme strutturalmente affidabile per dare il minor costo possibile • il contorno e le dimensioni del pezzo • l’orientamento delle fibre.

Altri fattori significativi sono il costo, la durata dell’utensile ed i costi di produzione dei relativi impianti.

Dato il crescente utilizzo in applicazioni aerospaziali, gli ingegneri hanno iniziato a valutare la riparabilità dei componenti compositi strutturali e secondari già durante la fase di progettazione iniziale.

Uno dei principali problemi è il tempo necessario alle lavorazioni, poiché le riparazioni manuali richiedono molto tempo e denaro. Negli ultimi dieci anni si è assistito ad un incremento delle tecnologie di riparazione automatizzate, con l’obiettivo di ridurre, oltre a tempi e costi, anche il rischio di errori.

I compositi, quindi, vanno considerati come materiali unici nel processo di

Compositi

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progettazione e di fabbricazione, perché apparecchiature di fabbricazione, utensili, materiali ed processi di controllo hanno un effetto marcato sul design. La multidisciplinarità, i principi di Concurrent Engineering e l’accurata scelta dei materiali e dei processi di fabbricazione vanno applicati costantemente per ottenere proprietà ottimali per le applicazioni aerospaziali.

IL CONCURRENT ENGINEERING

(Material Design) assume un’importanza strategica e concreta. Questo primo approccio consente di studiare e confrontare, mediante idonei strumenti di calcolo, le proprietà dei materiali costituenti, delle lamine e dei laminati in funzione del layup assegnato, individuando sin dall’inizio le possibili problematicità o le potenziali performance delle soluzioni candidate. La fase di Material Design diventa una tappa imprescindibile nel mo-

La tecnologia CAE... >>

mento in cui, per migliorare le prestazioni di un prodotto già esistenze, si pensa di convertirlo dal metallo al composito.

Per sfruttare gli ampi margini di personalizzazione offerti da tale tecnologia, è necessario reingegnerizzare il prodotto non solo in termini di materiali ma anche di struttura, in modo da sfruttare a pieno le caratteristiche ortotrope delle lamine fibrorinforzate o l’utilizzo dei core material nelle strutture sandwich.

Dalla progettazione di un componente elementare fino ad un sistema complesso in composito, come un profilo alare piuttosto che la sezione di una fusoliera, è indispensabile un’approfondita conoscenza delle problematiche di progettazione tipiche di questi materiali. Rispetto ad una struttura metallica i requisiti ed i parametri in gioco variano e si moltiplicano, rendendo necessaria la gestione oppor tuna e simultanea di una considerevole mole di dati, requisiti funzionali e vincoli progettuali. Non è possibile agire per variabili separate, ma si opera in un’ottica di Concurrent Engineering per governare la problematica in tutte le sue specificità, in par ticolare affrontando direttamente tutti gli aspetti legati al prodotto ed al relativo processo produttivo.

IL PRIMO PASSO: MATERIAL DESIGN A differenza di ciò che avviene in presenza di strutture in acciaio, alluminio o altri materiali isotropi, nel caso dei compositi la fase di studio preliminare concettuale

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Possible where is impossible

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Gli strumenti di progettazione numerica sviluppati per le analisi preliminari sui compositi operano principalmente a due livelli: micro-meccanico e meso-meccanico. A livello micro è possibile studiare le proprietà di una lamina fibrorinforzata a partire dalle formulazioni di accoppiamento tra fibra e matrice, verificando il grado di influenza dovuto al tipo di rinforzo (ad es. unidirezionale, fabric plain, fabric twill) o alla percentuale di resina rispetto alle fibre. A livello meso si parte dalla singola lamina rinforzata, piuttosto che dal core material, con proprietà meccaniche note; le caratteristiche del materiale in termini di rigidezza (Engineering Constants) e resistenza (First Ply Failure) sono tratte da dati raccolti durante campagne sperimentali o da datasheet industriali disponibili in libreria e letteratura.

In questa prima fase di studio l’analista viene guidato nella scelta dei materiali e della sequenza di laminazione in funzione delle condizioni ambientali e dei carichi dimensionanti applicati. Tramite specifici strumenti di analisi è possibile comprendere il comportamento del laminato nel piano e fuori dal piano, studiando il comportamento strutturale al variare dei principali parametri progettuali (ad es. spessori, tipo di materiale, angoli di stesura). Le analisi preliminari puntano ad indagare la risposta del laminato in maniera quasi del tutto indipendente dalla forma. Per tale motivo le soluzioni candidate vengono confrontate su geometrie semplificate, ma alquanto rappresentative dal punto di vista ingegneristico. Il successivo passaggio al codice FEM (Finite Element Method), complementare alla fase di material design, avviene una volta individuate le potenziali soluzioni che garantiscono buone performance, leggerezza e flessibilità; i laminati possono essere esportati direttamente al fine di verificare l’idoneità e le prestazioni degli stessi su sistemi geometricamente più complessi.

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In ambito aerospaziale intraprendere un percorso di riconversione o reingegnerizzazione dei prodotti non è un iter del tutto ordinario: le procedure di validazione e certificazione dei prodotti richiedono il supporto dei calcoli ed evidenze sperimentali robuste. Gli strumenti di simulazione CAE e di ottimizzazione multiobiettivo offrono un valido supporto in questa fase, poiché consentono di riprodurre l’intero sistema oggetto di analisi ed ogni sua parte mediante un prototipo virtuale completamente parametrizzato. La ricerca della migliore configurazione è affidata alla combinazione di questi parametri che possono soddisfare i vincoli progettuali ed i requisiti funzionali/prestazionali definiti dall’analista. Le successive attività di sperimentazione su mock-up o sistemi complessi possono essere effettuate su configurazioni già studiate mediante i codici di calcolo ed ottimizzazione che hanno indicato le potenziali soluzioni candidate.

L’approccio descritto, oltre a ridurre tempi e costi di sviluppo dei prototipi, dei componenti e dell’intero sistema, aiuta a conoscere la problematica con la quale ci si misura poiché si acquisisce una maggiore sensibilità nei confronti di ognuna delle variabili in gioco: l’utilizzo di un materiale più o meno rigido, la variazione dell’angolo di stesura delle fibre, l’inserimento di un rinforzo o la modifica di un parametro geometrico, sono modifiche valutabili tutte contemporaneamente o in maniera

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La tecnologia CAE: dal progetto all’oggetto ficazione della sollecitazione critica, del layer più sollecitato e del meccanismo di rottura più probabile.

SIMULAZIONI DI PRODOTTO E PROCESSO

separata, per comprendere quale sia il peso di ognuna sulle funzionalità o sulle performance locali e globali del sistema.

Il concetto di progettazione integrata diventa più consistente non solo quando si gestiscono più parametri nello stesso problema, ma quando si è in grado di affrontare più problemi all’interno di un unico flusso logico. La capacità di mettere in relazione fenomeni fisici differenti e studiare il mutuo effetto dell’uno sull’altro è un potente mezzo reso disponibile dalle moderne tecnologie di simulazione CAE; effetti elettromagnetici, termici, fluidodinamici e strutturali possono essere studiati in modo accoppiato

ed essere inseriti nel processo di parametrizzazione ed ottimizzazione del sistema globale.

L’evoluzione software e hardware (HPC High Performance Computing) compiuta in questi anni ed in esponenziale crescita, garantisce un grado di accuratezza numerica sui prototipi virtuali estremamente elevato. In particolare, le tecniche di sottomodellazione e di transizione SHELL-to-SOLID per le strutture in materiale composito rendono i sistemi analizzati accurati e vicini a quello reale, le metodologie di verifica basate sulla valutazione dell’inviluppo di criteri di resistenza specifici agevolano l’identi-

Sin dalla scelta del materiale è necessario considerare quello che potrebbe essere il processo produttivo più indicato per produrre il componente finale. La scelta della tecnologia costruttiva è funzione della qualità del prodotto che si vuole ottenere (ad es. rigidezza, resistenza, finitura superficiale), ma anche del volume di produzione. Difatti, tra i processi open molding e closed molding ve ne sono alcuni che garantiscono un’elevata ripetitività (generalmente più veloci e costosi) a fronte di altri che possono essere considerati più lenti ed economici, ma talvolta non meno performanti. La scelta di un determinato processo produttivo in primo luogo può limitare il ventaglio di materiali utilizzabili o più idonei, in secondo luogo può generare sul componente reale degli effetti di discontinuità locali (ad es. distorsioni, grinze, overlapping) dovuti alle procedure di produzione.

L’attuale sfida scientifica e tecnologica è integrare il mondo della produzione a quello della simulazione, descrivendo mediante modelli numerici gli effetti generati dalle tecnologie produttive (ad es. hand layup, filament winding) o, viceversa, di guidare queste ultime attraverso la simulazione. A tal proposito gli strumenti CAE più all’avanguardia consentono di riprodurre a livello numerico tali effetti, riorientando le fibre in funzione della logica costruttiva e considerandone gli inspessimenti locali. Nel settore aerospaziale gran parte dei componenti in composito vengono prodotti mediante vacuum bag in autoclave a seguito della deposizione delle lamine rinforzate sugli stampi; la tecnologia numerica descritta permette di simulare le fasi di stesura delle patch sugli stampi, introducendo nel modello numerico gli effetti del drappeggio dovuti alla presenza di doppie curvature.

La progettazione integrata del prodotto e del processo mediante specifici codici di calcolo FEM può costituire un valido supporto in varie fasi del processo di progettazione, tale da permettere una drastica riduzione dei tempi e dei costi di sviluppo, e una maggiore flessibilità, economicità e qualità del prodotto finale.

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by Erika Manis* and Fabio Rossetti**

CAE technology: from the design to the product

Computer Aided Engineering systems are widely used in the experimental design stage as the provide a virtual prototype of the final object. The most recent frontier lies in the implementation of manufacturing features into the simulation environment in order to describe the effects generated by process technologies by means of numerical models.

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umerical simulations represent an advanced support tool of primary importance and well established within the main industries worldwide. Despite the global economic situation limits the initiative of private companies, investments in CAE (Computer Aided Engineering) technologies are steadily increasing, which confirms the added value they provide in terms of study, planning, management and optimization of production systems.

The integration of simulation technologies within production processes is an aid to the company’s competitiveness. Although this concept can have different aspects and meanings depending on the specific field of application, yet it is a keyword that summarizes some of the most common goals, such as maintaining leadership in one’s field of expertise, streamlining of production processes, cost and time reduction, introduction of products with improved performance and efficiency.

A GROWING PARTNERSHIP Within the aerospace industry CAE is a mature technology and it is widely used as an aid to the experimental stages. Both military and civilian aerospace, where weight reduction is a key requirement, are investing more and more in research and in the use of newgeneration composite materials. With respect to metals the use of composites improves the performance-to-weight ratio and consequently allows for a reduction of fuel consumption and harmful emissions with an improved aerodynamic efficiency and a reduction of production costs. Another key feature is corrosion resistance. Not surprisingly the aerospace industry, along with that of renewable energies, has been investing heavily in the composites market, and the percentage of components made out of these materials in the aircraft primary structures used in civil aviation has grown from 5% to

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50%. Composites are mainly used in aircrafts for control surfaces, interior components, wings, fuselages, turbine blades and propellers. In the aerospace field the most common material, especially for structural components, is carbon fiber embedded in an epoxy matrix with extremely high structural performance. Lately glass and boron fibers have been frequently used, too.

Carbon composites for aeronautical applications are usually supplied in the form of unidirectional laminates or resin-impregnated bidirectional fabrics, stored in suitable refrigerators to avoid a premature curing of the matrix.

When dealing with composites engineers must have a thorough knowledge of various processes and properties, such as design practices, aerodynamics, structural engineering and aeroelasticity, advanced testing and analysis methods, performance optimization techniques, failure models predicting impact damage, use of new materials, systems for monitoring and detection of inservice damage of structures, prevention of damage caused by lightning, inspection procedures. The main factors one must consider when designing and manufacturing the equipment employed for carbon structural parts and mechanical components in carbon are: • control of dimensional tolerance and configuration stability • positioning of components in a structurally reliable assembly in order to obtain the lowest possible cost • shape and size of the component • fiber orientation.

Other significant factors are cost, service life of tools and manufacturing costs of the production line.

Given the increasing use in aerospace applications, engineers have begun to evaluate the repair options of structural and nonstructural composite components already

during the initial design stage. One of the main problems is the time needed for such operations, as manual repairs require a lot of time and money. In the last ten years we have seen an increase of automated repair technologies with the aim of reducing the risk of errors in addition to time and cost. In conclusion, composites must be considered as unique materials in terms of design and manufacturing process because manufacturing equipment, tools, materials, and control processes significantly affect the design. A multidisciplinary approach, the principles of Concurrent Engineering and the careful selection of materials and manufacturing processes must be applied consistently in order to achieve optimal properties for aerospace applications.

CONCURRENT ENGINEERING A thorough understanding of the typical design problems associated with the use composite materials is essential, be it when dealing with the design of an elementary component or that of a complex system, such as an airfoil or a fuselage section. Requirements and parameters vary and increase in number compared to metallic structures and demand a proper and simultaneous handling of a considerable amount of data, functional requirements and design constraints. Separation of variables is no longer possible and a Concurrent Engineering approach is exploited to tackle the problem in its full complexity, directly addressing all aspects of the product and of its manufacturing process.

THE FIRST STEP: MATERIAL DESIGN Unlike the case of structures manufactured in steel, aluminium or other isotropic materials, in the case of the composite materials the preliminary conceptual study (Material Design) plays a strategic and practical role. By means of suitable computational

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*Centro Estero per l’Internazionalizzazione (Ceipiemonte) - **Enginsoft tools the properties of constituent materials, layers and laminates can be studied and compared at this stage as a function of a predefined layup, identifying from the beginning possible problems or the potential performance of candidate solutions. Material Design represents a fundamental step when the conversion of an existing object from metal to composite is evaluated with the aim of improving its performance. To take advantage of the wide customization options offered by this technology it is necessary to re-engineer the product not only in terms of materials, but also in its structure, so that the orthotropic characteristics of fiber-reinforced laminate layers or the use of core materials in sandwich structures are fully exploited.

The design tools developed for the numerical preliminary analysis on the composite mainly operate at two levels: micromechanical and mesomechanical. The properties of a fiber-reinforced layer can be studied at the microscopic level starting from the fiber-matrix coupling formulations, verifying the influence of the reinforcement type (e.g. unidirectional, plain fabric, twill fabric) or of the resin percentage with respect to the fiber fraction. At the mesoscopic level the starting point is a single reinforced layer (instead of the core material) with known mechanical properties. Stiffness (Engineering Constants) and strength (First Ply Failure) properties of the material are extracted from the data collected during the experimental campaigns or from industrial datasheets available in libraries and in the literature. In this early stage of the study the analyst is guided in the choice of materials and lamination sequence by environmental conditions and dimensioning loads. By means of specific analysis tools one can understand the inplane and out-of-plane behaviour of the laminate layer studying the behaviour of structural modifications as a function of the main design parameters (e.g. thickness, material type, layup angles). Preliminary analyses aim to investigate the response of the laminate almost regardless of the shape. For this reason, the candidate solutions are compared on simplified geometries that are nonetheless fairly representative from the engineering point of view. The following FEM (Finite Element Method) code analysis, which is complementary to the material design stage, takes place once potential solutions are identified that ensure good performance, light weight and flexibility; lami-

nates can be exported directly to verify their suitability and performance when applied to more complex geometries.

THE SUPPORT OF CAE A conversion or re-engineering process is by no means a common practice in the aerospace industry: validation and certification procedures of products require the support of thorough calculations and experimental evidence. CAE simulation and multi-objective optimization tools offer a valuable support at this stage as they allow one to reproduce the whole system under analysis and all of its components by means of a fully parameterized virtual prototype. The best configuration is found for a combination of these parameters that satisfies the design constraints and the functional and performance requirements defined by the analyst. Subsequent experimental tests on mock-ups or complex systems can be performed on configurations which studies by means of computational and optimization codes have shown to be potential candidate solutions.

Besides time and cost reduction in the development of prototypes, components their components and the whole system, the described approach favours a deeper knowledge of the problem under analysis as it enhances the understanding of the influence of significant variables: changes like the value of the material’s stiffness, the variation of the angle in the fiber layup, the insertion of a reinforcement or the modification of a geometric parameter can be evaluated simultaneously or separately in order to assess the impact of each feature on the local and global functionality and performance of the system. The concept of integrated design becomes more self-consistent not only when dealing with multiple parameters in the same problem, but when it is possible to deal with different problems within a single logical scheme. The ability to connect different physical phenomena and to study their mutual effects is a powerful tool made available by modern CAE simulation technologies: electromagnetic, thermal, fluid dynamics and structural effects can be coupled and included in the parameterization and optimization process of the overall system.

The evolution of software and hardware (HPC - High Performance Computing) accomplished in recent years and in exponential growth provides an extremely high level of numerical accuracy in virtual prototypes. In particular, the results of analysis performed

by means of submodelling and SOLID-toSHELL transition techniques for composite structures are accurate and close to the real system, while the verification methods based on the evaluation of the envelope of specific strength criteria facilitates the identification of the critical stress, of the layer with the highest load and of the most likely failure mechanism.

PRODUCT AND PROCESS SIMULATION It is necessary to consider what might be the most suitable manufacturing process to produce the final component starting from the choice of materials. The choice of the manufacturing technology depends on the desired quality of the product (e.g. stiffness, strength, surface finish), as well as on the production volume. Indeed within the range of open and closed mold processes there are some that guarantee high repeatability (and are typically the fastest and most expensive) compared to others who may be considered slower and cheaper, but sometimes not less efficient. First of all, the choice of a specific production process can limit the range of usable or most suitable materials. In the second place it can generate local discontinuities (e.g. twists, wrinkles, overlapping) in the real product due to manufacturing procedures. The current scientific and technological challenge is matching the real-world features of production to simulations by means of numerical models describing the effects generated by the production technology (e.g. hand layup, filament winding) or conversely to guide the latter through simulation. In this regard the most advanced CAE tools allow one to reproduce numerically these effects, reorienting the fibers as a function of the manufacturing logic and considering local thickening. In the aerospace industry a large fraction of composite components is produced by vacuum bagging and autoclave techniques after the layup of reinforced laminates in the molds. The described numerical technique allows one to simulate the steps of patch layup in the mold, introducing in the numerical model the draping effects due to the presence of a double curvature. The integrated design of the product and the process by means of specific FEM codes can represent a valid support in various stages of the design process, allowing for a dramatic reduction of time and development costs as well as greater flexibility, inexpensiveness and quality of final product. â–

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

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di Mario Pierobon* e Camilla Carraro**

Tolleranza al danno in strutture aerospaziali Lamine e laminati intatti vengono in genere utilizzati per progettare strutture con fattori knockdown applicati alla resistenza ammissibile per il laminato integro per considerare la tolleranza al danno. In molti casi, invece, la caratterizzazione dei materiali per lo sviluppo di tolleranze di resistenza potrebbe partire da test eseguiti su laminati danneggiati, risparmiando costi e tempo.

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a maggior parte delle strutture aerospaziali realizzate con materiali compositi laminati deve rispondere a determinati requisiti di tolleranza al danno, determinate dalle deputate agenzie di regolamentazione. Negli Stati Uniti gli standard di riferimento sono riportati nella US Federal Aviation Administration (FAA) Advisory Circular (AC) 20-107B “Composite Aircraft Structure”.

L’AC afferma che la valutazione di strutture composite “deve dimostrare che il fallimento catastrofico a causa di effetti ambientali, stress, difetti di fabbricazione o danni accidentali sarà evitato per tutta la vita operativa dell’aeromobile. La natura e la portata delle analisi o prove su strutture complete e/o porzioni della struttura primaria dipenderanno da disegni, costruzioni e prove precedenti che siano tolleranti alla fatica e al danno, e dall’esperienza di servizio in strutture simili. In assenza di esperienze con disegni simili, devono essere eseguiti test, approvati dalla FAA, di sviluppo strutturale dei componenti, sottocomponenti ed elementi”.

L’AC afferma anche che “al momento di stabilire i dettagli per la valutazione della tolleranza a danno e stress, l’attenzione dovrebbe essere posta sulla valutazione approfondita della minaccia di danno, sulla geometria, ispezionabilità, buona pratica di progettazione, non-

ché sui tipi di danno/degrado della struttura in esame”.

L’AC elenca alcune considerazioni peculiari all’uso dei sistemi di materiali compositi, che forniscono una guida per il metodo di verifica della fondatezza della tolleranza al danno scelta dal richiedente della certificazione di aeronavigabilità di strutture composite di aeromobili: • la tolleranza al danno di un composito e le prestazioni a fatica sono dipendenti dai dettagli di progettazione strutturale (ad esempio, sequenza di accatastamento del rivestimento in laminato, spaziatura delle venature o del telaio, rinforzo di elementi particolari di attacco, caratteristiche di arresto del danno, ridondanza strutturale).

• La tolleranza al danno di un composito e le valutazioni dello stress richiedono test dei componenti, a meno che esperienze con disegni simili, sistemi di materiali e carico siano disponibili per dimostrare l’adeguatezza delle analisi supportate da tagliandi, elementi e prove dei sottocomponenti.

• La resistenza statica finale, l’affaticamento e la dimostrazione della tolleranza al danno possono essere acquisite in fase di test di un unico articolo di prova, se esiste una sufficiente serie di prove di costruzione per garantire che la sequenza selezionata di caricato statico reiterato produca ri-

sultati rappresentativi di servizio o fornisca una valutazione conservativa.

• Carichi di picco ripetuti sono necessari per dimostrare l’affaticamento e la tolleranza al danno della struttura di velivolo in composito in un numero limitato di prove di componenti. Come risultato, strutture metalliche presenti nell’articolo di prova generalmente richiedono ulteriori considerazioni e test.

“In generale - riferisce Alan Nettles del NASA Marshall Space Flight Center, Visiting Scholar presso l’Università di Stanford - strutture composite portanti devono essere progettate considerando la tolleranza al danno (per esempio si deve presumere esista nella struttura composita un certo livello di danno) e dunque per tali strutture la maggior parte dei test sarebbe su provini, sottoelementi, o strutture contenenti danni.

Tuttavia, lamine e laminati intatti vengono in genere utilizzati per progettare strutture con fattori di atterramento applicati alla forza del laminato integro per considerare la tolleranza al danno” [1].

Secondo Nettles progettare per la tolleranza al danno e testare laminati non danneggiati comporta due svantaggi: • testare laminati non danneggiati è lungo e costoso. Inoltre certi livelli di forza non saranno forse mai utilizzati, dal momento che il danno deve considerarsi implicito nel laminato.

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• Il prodotto finale avrà un ottimo lay-up in base alle proprietà non danneggiate che potrebbe però non risultare ottimo per la tolleranza al danno. Questo può portare a progettare tolleranze o troppo elevate (guasto prematuro della struttura) o troppo basse (peso in eccesso) rispetto a quelle utilizzate [2].

Con riferimento al primo punto, Nettles ha compreso che, durante la progettazione dell’interstadio di composito dell’ARES I, vettore dedicato al lancio dell’equipaggio nell’ambito del Programma Constellation, vengono eseguite molte prove a livello di tagliando non necessarie. Per questo programma, che ha coinvolto una struttura con pesante carico di compressione, la matrice complessiva di prova del materiale è divenuta proibitiva per via del costo. Inoltre, il driver di progettazione della forza (forza di compressione dopo l’impatto) era già stato stabilito in strutture sandwich a nido d’ape (foglio esterno di carbonio/resina epossidica con interno in nido d’ape e alluminio) che rappresentano un piccolo sub-elemento della struttura finale.

“Se il programma generale di caratterizzazione dei materiali fosse stato attuato, una quantità esorbitante di denaro (e tempo) sarebbe stata dedicata ad ottenere tolleranze di forza a livello di lamina e a tentare di applicare tali valori di resistenza (alle proprietà di resistenza) a livello di laminato. Inoltre, si era progettato di sviluppare tolleranze alla forza a livello di laminato per verificare quanto predetto dal test sulla lamina. I valori di resistenza del laminato dovevano poi essere ridotti (eseguendo un altro giro di test) per ottenere le tolleranze alla forza a livello del sandwich, dal momento che i fogli esterni erano stati trattati assieme: il che crea in genere un’eccessiva ondulazione delle fibre nel laminato vicino al nucleo a nido d’ape. Le tolleranze alla forza a livello del sandwich, a loro volta, dovevano essere ulteriormente ridotte a tolleranze alla forza con un certo livello di danno.

Poiché la struttura sotto progettazione ha sperimentato carichi compressivi di un ordine di grandezza maggiore rispetto a qualsiasi altra forma di carico, il solo dato di interesse è risultata la tol-

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Fig.1: Due metodi per generare tolleranze alla resistenza per la progettazione di compositi con tolleranza al danno (fonte: Nettles)

leranza alla forza di compressione dopo l’impatto della struttura a sandwich di cui l’interstadio era composto. Il team aveva sviluppato questi dati all’inizio del programma” [3].

METODO DI PROVA PIÙ SNELLO Seguendo il metodo proposto da Nettles, molti dei passi intermedi del metodo tradizionale per la determinazione delle tolleranze alla resistenza potrebbero essere eliminati. Il flusso generale di questo scenario è mostrato in figura 1, dove “Piano A” indica il piano originale e “Piano B” quello della squadra di Nettles. Questa figura è basata sulla metodologia del composito interstadio del programma ARES I ed è molto generale.

Nettles evidenzia alcuni punti dalla figura 1, in particolare: entrambi i piani finiscono con gli stessi dati, il piano A ri-

chiede più tempo e spesa (inoltre, i dati del piano B sono necessari per completare il piano A). Il piano A risulta in un laminato ottimizzato per le proprietà incontaminate. Per strutture tolleranti ai danni, i laminati incontaminati non sono nello spazio di progetto. Il piano B risulta in un laminato ottimizzato per la tolleranza ai danni [4].

Riguardo al secondo elemento menzionato come un inconveniente dell’approccio tradizionale alla progettazione e collaudo, utilizzando un fattore di atterramento a coperta (blanket knockdown factor) una parte può essere sotto-progettata (under-designed). Supponiamo che un laminato quasi-isotropo venga utilizzato per stabilire tolleranze di compressione dopo l’impatto per un dato sistema di materiale e per stabilire fattori di atterramento. Supponiamo che il lay-up venga modificato per ottenere più

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forza e rigidità nella direzione 0° sostituendo i veli -45° con veli a 0° [5]. Dati effettivi del materiale generato sono presentati in figura 2.

Secondo il test di tolleranza al danno sul lay-up quasi isotropo, il fattore di atterramento a causa del livello di impatto prescritto è del 52%. Così, attraverso

Tolleranza al danno in strutture aerospaziali >>

il programma, un fattore di atterramento del 52% verrebbe imposto sui valori di resistenza alla compressione dei materiali incontaminati per tenere conto del danno da impatto. L’aggiunta di una percentuale più alta agli strati a 0° aumenta la resistenza a compressione (non contaminata) da 684 MPa a 846

Fig.2: Pristine and compression after impact data for two lay-ups of T40-800/5276-1

Fig.3: Theoretical open-hole strength values as predicted by Park [9]

MPa, con un incremento del 24%. Applicando l’atterramento di tolleranza al danno si produce un valore di resistenza alla compressione alla tolleranza al danno di 406 MPa. “Tuttavia, la maggiore rigidità nella direzione 0° porta ad un fattore di concentrazione di tensione superiore e, in realtà, la forza di compressione dopo l’impatto del laminato con il 50% a strati a 0° è leggermente inferiore (323 MPa) di quello del laminato quasi isotropo - spiega Nettles -. L’aumento del 24% nella resistenza del laminato danneggiato, come dettato applicando un fattore di atterramento ai dati di resistenza dei campioni incontaminati, non è più valido. Quindi utilizzando una tolleranza di compressione dopo l’impatto di 406 MPa per il laminato con il 50% a strati a 0°, come stabilito utilizzando un atterramento a coperta (blanket knockdown factor), risulterebbe un valore di resistenza a compressione che è in realtà del 26% troppo alto. Questo indicherebbe una struttura sottoprogettata” [6].

Nella figura 2 si nota la quantità più bassa di dispersione nei dati per gli esemplari danneggiati. “Questo è tipico di laminati dentellati in quanto il guasto è costretto a verificarsi nella zona di danno piuttosto che in modo casuale spiega Nettles -. Quando i valori di base A o B sono calcolati da campioni intaccati piuttosto che esemplari incontaminati, un valore più elevato della resistenza danneggiata consentita può essere previsto. Inoltre, la sperimentazione di laminati dentellati o sub-elementi è molto più facile da eseguire, in quanto l’aderenza si interrompe (per tensione) e il fenomeno di end brooming (per compressione) in genere non è un problema” [8].

Viceversa, al fine di non sovra-progettare una struttura composita, se non si è vincolati alla famiglia convenzionale di laminati π/4, potrebbe essere possibile avere un lay-up che ottimizza il valore di resistenza di interesse con considerazioni ai danni. In un articolo Nettles si riferisce ai dati ottenuti da Park [7] in cui un laminato con buco aperto ha una resistenza a compressione ottimale con un lay-up [0/90/25/-25] piuttosto che un più tradizionale lay-up [0/90/45/ -45]. L’aumento nella resistenza alla

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Ricerca

trazione con intaglio è ancora più impressionante. Progettando a punti di forza dentellati, la forza di un laminato che deve soddisfare un requisito di tolleranza può essere ottimizzata.

“La figura 3 suggerisce che un valore di resistenza del materiale superiore può essere utilizzato nella direzione 0°, se gli strati a ± 45° vengono sostituiti da strati a ± 25° (finché il laminato ha margini di resistenza positivi in tutte le altre direzioni in cui esso verrà caricato nella struttura). Il laminato può essere reso più leggero, soddisfacendo il requisito di resistenza con il valore di carico di progetto dato” [10].

CONCLUSIONI “Se una struttura composita non venisse mai danneggiata, è appropriato eseguire una moltitudine di test su laminati incontaminati e applicare le appro-

Tolleranza al danno in strutture aerospaziali

priate statistiche con base A o B e il fattore di sicurezza richiesto - riporta Nettles -. Tuttavia, siccome una struttura composita può essere danneggiata (cosa assunta per quasi tutte le strutture critiche di forza), la maggior parte del tempo e spese di collaudo per testare lamine e laminati incontaminati possono eventualmente essere risparmiati.

L’utilizzo di una matrice di prova a ridotta caratterizzazione di materiale dipende dall’applicazione e non sarebbe appropriata per programmi di grandi dimensioni in cui le strutture composite sono dello stesso sistema di fibra/resina e sperimentano una moltitudine di scenari di carico. Tuttavia, in molti casi fare tests con laminati danneggiati potrebbe essere il punto di partenza di un programma di caratterizzazione dei materiali per sviluppare tolleranze di resistenza“ [11].

■

>>

BIBLIOGRAFIA REFERENCES

[1] The Importance of Damage Tolerance in Aerospace Structures, Nettles Alan, JEC Composites Magazine, April-May 2012 [2] Ibid [3] Ibid [4] Ibid [5] Ibid [6] Ibid [7] Ibid [8] Park, J.W., “Mic-Mac/Finite Element Analysis” In: Strength and Life of Composites, Stephen W. Tsai, Ed., JEC Composites, 2008 [9] Ibid [10] The Importance of Damage Tolerance in Aerospace Structures, Nettles Alan, JEC Composites Magazine, April-May [11] Ibid

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Research

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

by Mario Pierobon* and Camilla Carraro**

Damage tolerance in aerospace structures

Intact foils and laminates are typically used to design structures with knockdown factors applied to the allowable strength for the intact laminate to consider damage tolerance. In many cases, however, the characterization of the materials for the development of resistance tolerances could start from tests carried out on damaged laminates, thus saving costs and time.

T

he majority of aerospace structures made of laminated composites must meet cer tain damage tolerance requirements as determined by regulator y agencies. In the United States the standards of reference as to composite damage tolerance requirements are repor ted in the US Federal Aviation Administration’s (FAA) Advisory Circular (AC) 20-107B “Composite Aircraft Structure”.

The AC states that the evaluation of composite structures “must show that catastrophic failure due to fatigue, environmental effects, manufacturing defects, or accidental damage will be avoided throughout the operational life of the aircraft. The nature and extent of analysis or tests on complete structures and/or portions of the primary structure will depend upon applicable previous fatigue/damage tolerant designs, construction, tests, and service experience on similar structures. In the absence of experience with similar designs, FAA-approved structural development tests of components, subcomponents, and elements should be performed”.

The AC also states that “when establishing details for the damage tolerance and fatigue evaluation, attention should be given to a thorough damage threat assessment, geometr y, inspectability, good design practice, and the types of damage/degradation of the structure under consideration”.

The AC lists some considerations which are unique to the use of composite ma-

terial systems and provide guidance for the method of damage tolerance substantiation selected by the applicant to the airworthiness type certification for composite aircraft structures: • composite damage tolerance and fatigue performance is strongly dependent on structural design details (e.g., skin laminate stacking sequence, stringer or frame spacing, stiffening element attachment details, damage arrestment features, and structural redundancy).

• Composite damage tolerance and fatigue evaluations require substantiation in component tests unless experience with similar designs, material systems, and loading is available to demonstrate the adequacy of the analysis suppor ted by coupons, elements, and subcomponent tests.

• Final static strength, fatigue, and damage tolerance substantiation may be gained in testing a single component test article if sufficient building block test’s evidence exists to ensure that the selected sequence of repeated and static loading yield results representative of service or provide a conservative evaluation.

• Peak repeated loads are needed to practically demonstrate the fatigue and damage tolerance of composite aircraft structure in a limited number of component tests. As a result, metal structures present in the test article generally require additional consideration and testing.

>>

“In general - reports Alan Nettles of the NASA Marshall Space Flight Centre (who is also a Visiting Scholar at Stanford University) - load bearing composite structures must have their design driven by damage tolerance considerations (i.e. some level of damage must be assumed to exist in the composite structure) and thus it would appear that for such structures, the majority of testing would be on specimens, sub-elements, or structures that contain damage. However, undamaged laminas and laminates are typically used to design a structure with knockdown factors applied to the undamaged laminate strength allowable to account for damage tolerance considerations” [1].

According to Nettles designing for damage tolerance while testing undamaged laminas implies two main disadvantages: • undamaged laminate testing is time consuming and costly. This is hard to justify as these strength numbers will probably never be used since damage must be assumed to exist in the laminate.

• The final product will have an optimum lay-up based on undamaged properties that may not result in an optimum lay-up for damage tolerance considerations. This may contribute to design allowables that are either too high (premature failure of structure) or too low (excess weight) being used [2].

With reference to the first disadvantage of traditional designing and testing, Nettles first realized that many unnecessary coupon level tests can occur within a program during the design of the ARES I composite inter-stage, the crew launch vehicle that was being developed by NASA as part of the Constellation Program.

For this particular program, which involved a heavily compression loaded structure, the overall material test matrix became cost prohibitive yet the strength design driver (Compression After Impact - CAI - strength) had already been established on honeycomb sandwich structures (carbon/epoxy face sheet with aluminum honeycomb core) representing a small sub-element of the final structure.

“If the overall materials characterization program had been implemented, an exorbitant amount of money (and time) would have been dedicated to

Compositi

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Research

obtaining lamina level strength allowables and attempting to apply these lamina strength values to laminate level strength proper ties. In addition, it was planned to develop laminate level strength allowables to verify what was predicted from lamina level tests.

These laminate level strength values would then have to be reduced (by performing another round of testing) to obtain sandwich level strength allowables since the face sheets were co-cured: which typically creates excessive fiber waviness in the laminate near the honeycomb core. These sandwich level strength allowables would then have to be fur ther reduced to strength allowables with a cer tain level of damage.

Since the structure being designed experienced compressive loads an order of magnitude greater than any other form of loading, this made the only data of interest the CAI strength allowable of the sandwich structure that the interstage was comprised of. The Damage Tolerance team developed these data early in the program” [3].

FASTER TEST METHOD By following the method proposed by Nettles, many of the intermediate steps in the more traditional method of determining strength allowables could be eliminated. The general flow of this scenario is shown in figure 1 with Plan A indicating the original plan and Plan B indicating the work of the damage tolerance team. It should be noted that this figure is based on the methodology of the ARES I composite inter-stage program and is very general in nature.

Nettles highlights some points from figure 1 and in particular that both plans end with the same data, that Plan A will take more time and expense (further, data from Plan B is needed to complete Plan A). Plan A results in a laminate optimized for pristine properties. For damage tolerant structures, pristine laminates are not in the design space. Plan B results in a laminate optimized for damage tolerance [4].

With reference to the second item mentioned above as a drawback to the traditional designing and testing approach, by using a blanket knockdown factor a part can be under-designed. “Suppose a quasi-isotropic laminate is used to estab-

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Compositi

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Damage tolerance in aerospace structures

lish CAI allowables for a given material system and establish knockdown factors. Now suppose the lay-up is changed to obtain more strength and stiffness in the 0° direction by replacing the -45° plies with 0° plies” [5]. Actual material data generated is presented in figure 2.

“According to the damage tolerance testing on the quasi-isotropic lay-up, the knockdown factor due to the prescribed level of impact is 52%. Thus, throughout the program, a 52% knockdown factor would be imposed upon the pristine material compression strength values to account for impact damage. Adding a higher percentage of 0° plies will increase the pristine compression strength from 684 MPa to 846 MPa, an increase of 24%. Applying the damage tolerance knockdown gives a damage tolerance compression strength value of 406 MPa. However, the higher stiffness in the 0° direction leads to a higher stress concentration factor and in actuality, the CAI strength of the laminate with 50% 0° plies is slightly lower (323 MPa) than that of the quasiisotropic laminate. The 24% increase in damaged laminate strength as dictated by applying a knockdown factor to the pristine specimen strength data is no longer valid. Thus using a CAI allowable of 406 MPa for the laminate with 50% 0° plies as established using a blanket knockdown would result in using a compression strength value that is actually 26% too high. This would indicate an under-designed structure” [6].

Nettles notes in figure 2 the lower amount of scatter in the data for the damaged specimens. “This is typical of notched laminates since the failure is being forced to occur at the damage zone rather than occurring randomly.

When the A or B basis values are calculated from notched specimens rather than pristine specimens, a higher value of the damaged strength allowable can be expected. In addition, testing of notched laminates or sub-elements is much easier to per form since grip breaks (tension) or end brooming (compression) is typically not an issue” [7].

Conversely, in order not to over-design a composite structure, if one is not bound by the conventional π/4 family of laminates, it may be possible to obtain a layup that optimizes the strength value of interest with considerations for damage.

In his article Nettles refers to data by Park [8] in which an open hole laminate has optimum compression strength with a [0/90/+25/-25] layup rather than a more traditional [0/90/+45/-45] lay-up.

The increase in notched tensile strength is even more impressive. By designing to notched strengths, the strength of a laminate that must satisfy a damage tolerance requirement has the potential to be optimized.

“Figure 3 suggests that a higher material strength value can be used in the 0° direction if the ±45° plies are replaced by ±25° plies (as long as the laminate has positive strength margins in all of the other directions that it will be loaded in the structure). Weight can be saved since the laminate can be made thinner and still meet the strength value requirement with the given design load” [10].

CONCLUSION “If a composite structure can never be damaged, then performing a multitude of tests on pristine laminates and applying the appropriate A or B basis statistics and required factor of safety is appropriate - reports Nettles -. However, if a composite structure might be damaged (which is typically assumed for nearly all strength critical structures), much of the time and expense of testing pristine lamina and laminates can possibly be eliminated. The use of a reduced materials characterization test matrix is application dependent and would not be appropriate for large programs in which the composite structures are of the same fiber/resin system and will experience a multitude of loading scenarios. However, in many cases testing with damaged laminates could be the starting point of a material characterization program to develop strength allowables” [11].

■

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Two methods to generate strength allowables for damage tolerant composite design (source: Nettles) Fig.2: Pristine and compression after impact data for two lay-ups of T40-800/5276-1 Fig.3: Theoretical open-hole strength values as predicted by Park [9]

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di Francesca Felline, Riccardo Gennaro, Silvio Pappadà, Alessandra Passaro e Michele Arganese

Pannelli in composito con resina bio-based Uno studio realizzato dal Cetma dimostra che i bio-compositi realizzati con fibre naturali hanno prestazioni tali da poter sostituire i compositi tradizionali con fibre di vetro in applicazioni navali, civili e nel settore automotive.

A

ttualmente il mondo dei compositi polimerici si basa quasi esclusivamente su materiali di derivazione fossile. Lo sfruttamento delle risorse petrolifere mondiali non rinnovabili rappresenta, però, sempre più un problema, anche in virtù della sempre crescente domanda di materiali plastici ad elevate prestazioni.

I crescenti volumi di materiali da costruzione nel settore dell’edilizia aggravano il problema. Una possibile risposta è rappresentata dallo sfruttamento delle risorse rinnovabili, a condizione che assicurino materiali dotati di standard qualitativi comparabili con quelli attualmente in uso.

Lo sviluppo di nuovi compositi bio-based rappresenta una risposta alla richiesta crescente di materiali cosiddetti environmentally friendly. Compositi polimerici rinforzati con fibre naturali, o biocompositi, costituiscono una possibile alternativa ai tradizionali compositi FRP, sia per l’origine rinnovabile sia per i costi, confrontabili rispetto ai compositi realizzati con fibre tradizionali (carbonio, vetro, aramidiche). Nonostante l’interesse suscitato, l’utilizzo di biocompositi è limitato a strutture non primarie o non portanti, per via della loro minore resistenza e rigidità rispetto ai compositi sintetici FRP [1]. Tuttavia recenti sviluppi hanno dimostrato che alcune proprietà fisico-meccaniche dei biocompositi sono confrontabili con quelle dei compositi tradizionali a minori prestazione, gli FRP in vetro. Recentemente numerosi studi hanno riportato i vantaggi derivanti dall’impiego di fibre naturali (lino, cellulosa, juta, canapa, cocco e bamboo) e la possibilità di ottenere elevate proprietà specifiche [2].

Fig.1: Schema del processo RTM Fabric reinforcement (Nr of plies) Matrix resin

Glass Fiber

Flax

Epoxy resin (Elan-tech®, EC 157/W 152 LMR 100:30)

8 plies Thickness 1,28 mm

5 plies Thickness 3,95 mm

Bio-based epoxy resin (SUPER SAP® CLR INS 100:33)

8 plies Thickness 1,28 mm

5 plies Thickness 3,95 mm

Tab.1: Laminati e realizzati con tecnologia RTM

Da queste considerazioni ha preso il via uno studio, realizzato presso il Cetma, che ha visto l’impiego del processo RTM per la produzione di laminati innovativi in biocomposito utilizzando una resina epossidica bio-based e rinforzi naturali (lino e cellulosa). Le proprietà meccaniche a flessione e impatto dei pannelli così realizzati sono stati confrontati con pannelli in composito fibra di vetro/resina epossidica bio-based e composito fibra di lino/resina epossidica standard.

MATERIALI E METODI In questo studio è stato utilizzato un sistema epossidico a bassa viscosità (SUPERSAP® INS system fornito da Entropy Resins Inc) composto da resina epossidica Super Sap® CLR ottenuta da materie prime rinnovabili (olii di pino e olii vegetali) e risorse derivanti da rifiuti dei processi industriali (quali la polpa di legno e la produzione di biocarburanti) con un induritore Super Sap® INS, con rapporto di miscelazione

Compositi

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RTM ■■ Proprietà meccaniche Test di trazione e flessione su tre punti sono stati eseguiti su provini estratti dai laminati in composito, mediante dinamometro MTS Insigth 100, in accordo con le norme ASTM D638-77a e ASTM D 7264. I laminati in composito sono stati caratterizzati ad impatto Izod mediante CEAST Fractovis Plus, in accordo con la norma ISO 180.

E [Gpa]

RISULTATI

E[Gpa]

Dev St.

glass-Ec157

31,41

31,41

glass-EPOXBIO

25,33

25,33

resina/induritore 100:3 in peso. Inoltre, è stato utilizzato un sistema epossidico a bassa viscosità EC 157/W 152 MR fornito da Elantas Italia.

I laminati compositi sono stati realizzati mediante processo RTM (Resin Trasnfer Moulding), che prevede l’inserimento di rinforzi secchi (preforme) all’interno della cavità tra stampo e controstampo metallico, la chiusura del sistema e l’applicazione del vuoto. Successivamente, mediante MVP-Hypaject MK III, è stata iniettata la resina a bassa viscosità, alla pressione di

Fig.2: Confronto del modulo di Young tra i compositi vetro/resina bio-based e vetro/epossidica EC157

2 bar, con lo scopo di impregnare la preforma. L’applicazione del vuoto durante la fase di iniezione in pressione ha facilitato la fase di impregnazione del rinforzo secco.

La resina è curata a temperatura ambiente per 24h, gelifica dopo circa 2-3 ore e subisce post-cura a 60°C. Mediante questa tecnologia sono stati ottenuti pannelli in composito di dimensioni 30 x 30,5 x 0,50. In dettaglio, sono stati realizzati quattro differenti laminati con due differenti sistemi di resina epossidica e rinforzo (tabella 1).

Flexure strength (Mpa)

In primo luogo si è effettuata una valutazione del sistema di resina epossidica bio-based, confrontando le performance meccaniche dei laminati vetro/resina bio-based e vetro/epossidica EC157.

Nella figura 2 è mostrato il confronto, in termini di modulo di Young, tra i compositi vetro/resina bio-based e vetro/epossidica EC157.

Nella figura 3 è presentato il confronto, in termini di proprietà a flessione, tra i compositi vetro/resina bio-based e vetro/epossidica EC157.

Analizzando i risultati, si osserva che sia le proprietà a trazione che a flessione dei laminati contenenti resina bio-based sono circa il 20% inferiori rispetto ai laminati con resina epossidica standard.

Nella figura 4 è proposto il confronto relativo alla resistenza all’impatto e al taglio interlaminare (ILLS) tra i compositi vetro/resina bio-based e vetro/epossidica EC157. I risultati dei test meccanici eseguiti sui due laminati in fibra di

Flexure Modulus

Flexural strenght (Mpa)

Dev.St

Flexural Modulus (Gpa)

Dev.st

Maximum strain

EpoxBio-glass

673,23

22,26

24,37

2,32

3,61%

EC157-glass

865,49

40,38

31,2

0,94

3,93%

Fig.3: Confronto delle proprietà a flessione (resistenza e modulo) tra i compositi vetro/resina bio-based e vetro/epossidica EC157

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COMPOSITE MATERIALS Pannelli in composito con resina bio-based >>

PRESSES

Energy (J/kJ/mq)

Charpy

glass+biobased resin

glass+EC157 resin

ILSS [Mpa]

ILSS

Progettazione e produzione di impianti di pressatura per la produzione di > Pannelli compositi con nido d’ape > Pezzi in fibra di carbonio > Fibra di vetro > Accoppiamento di fibre tessili > Compositi in RTM e SMC > Compositi in compressione a stampo

Vetro-EpoBiox

Vetro-EpoxEC157

Fig.4: Confronto della resistenza all’impatto e al taglio interlaminare (ILLS) tra i compositi vetro/resina bio-based e vetro/epossidica EC157

vetro realizzati per RTM mostrano che le performance nel caso di impiego di resina bio-based si riducono di circa il 20% rispetto al caso in cui si utilizza resina standard.

Successivamente, test di caratterizzazione statica e dinamica sono stati eseguiti su laminati compositi bio-based al 100% (fully bio-based) realizzati con: • cellulosa/ resina epossidica bio-based • lino/resina epossidica bio-based.

In entrambi i casi il rinforzo è stato impiegato sotto forma di tessuto bilanciato.

In particolare, i laminati sono stati sottoposti ai seguenti test di caratterizzazione: • ASTM D3039 - Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials • ASTM D790 - Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics • ISO 179-1 Determining the Charpy Pendulum Impact Resistance of Plastics • ASTM D D2344 - Short-Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates.

Nella tabella 2 e nella figura 5 è riportato il confronto delle proprietà a trazione dei laminati compositi fully bio-based realizzati mediante processo RTM. Nella tabella 3 e nella figura 6 si riporta il confronto delle proprietà a flessione dei laminati compositi realizzati mediante processo RTM.

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RTM

Pannelli in composito con resina bio-based >> σmax [MPa]

E (Gpa)

cell-epoxBio

Flax-epoxBio

cell-epoxBio

Flax-epoxBio

Fig.5: Confronto della resistenza a trazione e del modulo a trazione dei laminati fully bio-based realizzati cmediante processo RTM

Flexural strength

Flexural Modulus

Fig.6: Confronto della resistenza e del modulo a flessione dei laminati fully bio-based realizzati mediante processo RTM Laminates ID

σmax [MPa]

E [GPa]

Bio-Epox/flax

68,98±6,66

6,49±0,29

Bio-Epox/cellulose

92,43±5,03

9,26±0,63

Charpy

Tab.2: Proprietà a trazione misurata in test sui laminati fully bio-based realizzati mediante processo RTM Laminates ID Bio-Epox/flax Bio-Epox/cellulose

σmax [MPa]

E [GPa]

ε [%]

113,10±6,63

5,66±0,28

3,83±0.002

727,03±26,80

27,38±2,17

3,47±0.003

Tab.3: Proprietà a flessione misurati dei laminati fully bio-based realizzati mediante processo RTM

Dai risultati emersi dai test a flessione e a trazione (figure 5 e 6) è possibile osservare che i compositi con rinforzo in cellulosa hanno proprietà superiori di circa l’80% rispetto ai laminati in lino. Infatti, i compositi rinforzati con cellulosa presentano un valore di resistenza a flessione di 727,03 MPa contro i 113,10 MPa dei compositi in lino, e un valore di modulo a

Fig.7: Confronto della resistenza a impatto di compositi interamente bio

flessione pari a 27,38 Ga contro 5,66 GPa. Le figure 7 e 8 mostrano un confronto relativo alla resistenza all’impatto e al taglio interlaminare (ILLS). Dall’analisi dei risultati si osserva che i laminati con resina bio-based e rinforzati con celluosa e lino mostrano un comportamento all’impatto e al taglio interlaminare tra loro confrontabile. Infatti il laminato rinforzato

con lino ha un valore di resistenza all’impatto pari a 27,78 MPa ed un ILLS pari a 15,67 MPa, mentre il laminato in cellulosa resistenza ad impatto di 26,65 MPa e ILLS di 18,56 MPa. Infine è stata effettuta una comparazione tra i compositi ottenuti con resina bio-based (cellulosa e lino) e i compositi ottenuti con resina bio e fibra di vetro.

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Pannelli in composito con resina bio-based

CONCLUSIONI

ILSS

Il processo RTM si è dimostrato valido per la realizzazione di biocompositi lino/resina bio e cellulose/resina bio. I laminati ottenuti hanno mostrato proprietà a flessione comparabili con quelle di compositi in fibra di vetro e resina epossidica bio. In particolare, a parità di resina i laminati rinforzati con cellulosa hanno mostrato proprietà a flessione superiore ai laminati con vetro. Dal con-

fronto dei biocompositi è risultato che, nel caso della cellulosa si hanno proprietà statiche e a impatto superiori rispetto a quanto misurato nel caso del rinforzo in lino.

In definitiva i risultati ottenuti suggeriscono che i compositi con rinforzo naturale presentano delle potenzialità per sostituire le tradizionali fibre in vetro in applicazioni navali, civili e del settore automobilistico.

■

Fig.9 a, b: Confronto della resistenza e del modulo a flessione tra i biocompositi ottenuti con resina bio-based e, rispettivamente, cellulose e lino e il composito vetro/resina bio-based

Fig.8: ILLS misurato in composite interamente bio

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Flexural Modulus

b

ILSS

Flexural strength

Ringraziamenti Si ringrazia l’Ing. Marco Busi di ELANTAS Italia per la fornitura gratuita della resina epossidica EC 157/W 152 MR.

>>

Fig.10: Confronto in termini di ILLS tra i biocompositi ottenuti con resina bio-based e, rispettivamente, cellulose e lino e il composito vetro/resina bio-based

50

Compositi

BIBLIOGRAFIA REFERENCES

[1] Biswas S, Srikanth G, Nangia S. Development of natural fibre composites in India. In: Proceedings of the Composites Fabricators Association’s Conference, Tampa, FL; 2001.

[2] Bledzki AK, Gassan J. Composites reinforced with cellulose based fibres.

Prog Polym Sci 1999;24:221–74

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Consorzio CETMA, Departments of Materials and Structures Engineering, Technologies and Processes Area

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by Francesca Felline, Riccardo Gennaro, Silvio Pappadà, Alessandra Passaro and Michele Arganese

Composite panels with bio-based resins

One of the challenge of composite materials concerns the replacement of synthetic raw materials with renewable ones. A study of CETMA shows that performances of bio-composites based on natural fibers are suitable to replace the traditional glass fibers composites for naval, civil and automotive sectors.

C

urrently the world of polymeric composite materials is almost exclusively based on fossil derived components. This fact represents a strong issue, as the nonrenewable global oil resources are being exploited year after year, also as a consequence of the ever growing demand for plastics engineering materials. As a concrete answer to the increasing volumes of building and construction materials processed and transformed by industry in almost all sectors, renewable resources need to be exploited in order to reduce the depletion of oil reservoirs, and the associated ecological issues deriving, provided they can grant quality standards comparable with the currently available materials. So, in order to answer to the increasing demand for environmentally friendly materials and the desire to reduce the cost of traditional fibers (i.e., carbon, glass and aramid) reinforced petroleum-based composites, new bio-based composites have been developed. Natural-fiber-reinforced polymer composites, or biocomposites, have emerged as a potential environmentally friendly and cost-effective option to synthetic FRP composites. Despite the interest and environmental appeal of biocomposites, their use has been limited to non-primary, or non-loadbearing applications due to their lower strength and stiffness compared with synthetic FRP composites [1].

Recent developments, however, have shown that certain physical-mechanical properties of ‘engineered’ biocomposites are comparable with those of lower performance structural synthetic fiber composites, namely glass-FRP. Natural fibers exhibit many advantageous properties, they are a low-density material yielding relatively lightweight composites

with high specific properties. Recent advances in the use of natural fibers (e.g., flax, cellulose, jute, hemp, straw, switch grass, kenaf, coir and bamboo) in composites have been reviewed by several authors [2].

From these considerations a study realized by Cetma was started, which used the RTM process to manufacture novel fully bio-composites laminates based on bio-based epoxy resin and natural continuous fibers (flax and cellulose). Static mechanical flexural and tests and dynamic Izod tests were carried out on the biobased panels, and the results were compared with similar composite laminates based on the same bio-based eposxy resin/continous glass fibers and petrochemical standard epoxy resin/flax fibers.

MATERIALS AND METHODS A low viscosity bio-based epoxy system (SUPERSAP® INS system supplied Entropy Resins Inc), was used in this study. It composed of Super Sap® CLR Epoxy resin based on renewable feedstocks (pine and vegetable oils) sourced as co-products or from waste streams of other industrial processes (such as wood pulp and bio-fuels production) and the hardner Super Sap® INS with a mix ratio of 100:33 (by weight). Moreover, a traditional general purpose low viscosity Epoxy resin system Elan-tech®, EC 157/W 152 MR supplied by Elantas Italia was used.

Dry fibers are laid up into the mold cavity, between mould and counter mould and impregnated with a low viscosity resin, injected by a pressure into the mouldComposite panels were manufactured using the RTM process with RTM equipment MVP - Hypaject MK III. The composite panel samples were manu-

factured with the dimensions 30 x 30.5 x 0.50 cm. The dry fibers are laid up into the mold cavity, between mould and counter mould; after clamping, vacuum is made inside the mould. The resin is injected into the mould at 2bar of pressure and so thanks to the contemporary application of pressure and the vacuum inside the mould it can impregnate the perform. The resin is cured at room temperature and gels after approximately 23 h and after 24h under vacuum, a post cure at 60°C was performed.

Four laminates has been manufactured with the 2 different epoxy resins and reinforcements (table 1).

MECHANICAL PROPERTIES Tensile and three point flexural test was performed on specimen cut from composite laminates, with MTS Insigth 100 dynamometer, according the ASTM D638-77a and ASTM D 7264 standards.

Impact Izod tests were performed on CEAST Fractovis Plus testing machine according to ISO 180.

RESULTS Firstly, an evaluation of the bio-based epoxy resin has been performed, comparing the mechanical performances of glass

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english text

RTM

reinforced laminates based either on biobased resin and either traditional one.

The figure 2 shows the comparison between the glass/bio-based epoxy resin and glass/EC-157resin in terms of Tensile Young Modulus.

The figure 3 shows the comparison between the glass/bio-based epoxy resin and glass/EC-157resin in terms of flexural properties.

Analyzing the previous results, it can be observed that the tensile and flexural properties of bio-based epoxy laminates are 20% lower than the not-bio-based one.

The figure 4 shows the comparison between the glass/bio-based epoxy resin and glass/EC-157resin in terms of Charpy inpact energy and ILSS (interlaminar shear strength).

The mechanical test results on the two laminates based on bio-based epoxy resin and not-bio-based epoxy resin reinforced with glass fabrics manufactured with RTM showed that the mechanical performances of the bio-based resin are comparable with the traditional one (about 20% lower).

Afterwards, an evaluation of the fully bio-based epoxy resin has been performed, comparing the results of Static and Dynamical tests has been performed on the following laminates • cellulose balanced fabric / bio-based epoxy resin • flax balanced fabric / bio-based epoxy resin.

In details specimens of these laminates has been tested in accordance with the following standard: • ASTM D3039 - Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials • ASTM D790 - Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics • ISO 179-1 Determining the Charpy Pendulum Impact Resistance of Plastics • ASTM D D2344 - Short-Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates.

Table 2 and figure 5 show a comparison of the tensile properties results of fully bio-based samples manufacture with RTM process.

Table 3 and figure 6 show a comparison of the flexural properties results of fully bio-based samples manufacture with RTM process.

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Composite panels with bio-based resins

Analyzing the results about tensile and flexural tests (figures 5 and 6) it can be noticed that cellulose based laminates are higher (80%) than the flax laminates.

In fact the cellulose based laminate show a value of flexural strength of 727,03 MPa and the flax based laminate of 113.10 Mpa; moreover values of Flexural modulus are 5,66 GPa for flax laminate and 27,38 for the cellulose laminate.

The graphics below show a comparison of the Charpy impact properties and Interlaminar shear strength of fully biobased samples manufacture with RTM process.

Analyzing the results about the ILSS and the impact properties (figures 7 and 8) it can be noticed that the values of cellulose and flax laminates are comparable. In fact the flax laminate exhibits a value of Charpy impact energy 27,78 MPa and the cellulose laminate of 26,25 MPa. Moreover the values of ILSS are 15,67MPa and 18,56 MPa for the for Flax and the cellulose laminates respectively.

Finally a comparison between fully biobased epoxy resin (cellulose and flax) laminates and the glass/bio-based epoxy resin has been performed.

CONCLUSIONS Fully bio-based composite laminate materials based on bio-based epoxy resin and flax and cellulose fibers were successfully manufactured with RTM process, achieving flexural properties comparable with the corresponding proper ties of glass/bio-based epoxy laminates. Particularly the cellulose reinforced laminates has showed flexural properties higher that the glass ones.

Comparing the fully bio-based laminates, it has noticed that the cellulose reinforced laminates exhibits higher static and dynamic mechanical properties than the flax reinforced laminates.

Finally, all this suggests that natural fiber composites have a potential to replace glass in many applications such as naval, civil and automotive.

■ Acknowledgements Special thanks to Ing. Marco Busi of ELANTAS Italia for supplying the Epoxy resin free of charge.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: RTM process scheme Tab.1: Laminates manufactured with RTM Fig.2: Tensile Young modulus comparison between bio-based and traditonal epoxy resin reinforced with glass glass fabric Fig.3: Flexural properties (strength and modulus) comparison between bio-based and traditional epoxy resin reinforced with glass glass fabric Fig.4: Charpy and interlaminar shear strength (ILSS) comparison between bio-based and traditional epoxy resin reinforced with glass glass fabric Tab.2: Tensile properties of fully bio-based laminates manufactured with RTM Fig.5: Comparison about tensile strength (σmax) and modulus of RTM laminates Tab.3: Flexural properties of fully bio-based laminates manufactured with RTM Fig.6: Comparison about flexural strength and modulus of fully bio-based RTM laminates Fig.7: Comparison about charpy impact properties of fully bio-based laminates Fig.8: Comparison about ILSS properties of fully bio-based laminates Fig.9 a, b: Comparison about flexural properties (Modulus - a and Strength - b) of fully bio-based epoxy laminates (flax and cellulose) with the glass/bio-based epoxy laminate Fig.10: Comparison about ILSS (Interlaminar Shear Stength) properties of fully bio-based epoxy laminates (flax and cellulose) with the glass/bio-based epoxy laminate

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di Max Taverna* e Maurizio Corti**

Riutilizzo di fibre di carbonio riciclate Una parabola satellitare per usi civili ed industriali. È il primo risultato del progetto CRESIM (Carbon fiber REcycling through Special IMpregnation), portato avanti dal Gruppo Cannon, che ha come obiettivo lo sviluppo di un processo industriale RTM per l’impiego di fibre riciclate per la produzione di compositi con proprietà uguali a quelle ottenute con materiali vergini.

I

l consumo mondiale di fibre di carbonio (FdC) sta crescendo a ritmi costanti, grazie alle loro eccellenti caratteristiche meccaniche che ne fanno una materia prima ideale per produrre parti strutturali caratterizzate da estrema leggerezza, alto modulo elastico e un elevatissimo rapporto fra le proprietà meccaniche e la loro massa. Risparmi in peso nell’ordine del 40% rispetto a materiali metallici tradizionali, anche leggerissimi, e un tasso di riduzione della CO2 emessa durante il processo produttivo calcolabile attorno al 20% hanno presto convinto chiunque sull’efficacia energetica di questi materiali.

Le FdC sono ormai entrate a far parte di ogni progetto innovativo, dal settore au-

tomobilistico a quello aerospaziale, dal motociclo all’articolo per sport estremi.

I nuovi Boeing 787 e l’Airbus A350 sono costituiti da materiali compositi a base di FdC (CFRP - Carbon Fibre Reinforced Parts) per almeno il 50% del loro peso finale, e i velivoli militari moderni mostrano un trend simile.

I principali operatori del settore automobilistico, BMW ne è un esempio eclatante, hanno investito ingenti risorse, umane e finanziarie, per sviluppare progetti di vetture completamente nuove basate su questi materiali, giungendo al punto di integrare la produzione di FdC all’interno della propria organizzazione industriale.

Il consumo globale di FdC, stimato in

Fibre di Carbonio: un Mercato in Crescita 200 180

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Fig.1

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Fig.2

35.000 t nel 2008, raddoppierà entro quest’anno, con un ritmo di crescita annuo del 12%. La capacità produttiva si sta adattando alla domanda, con ampi margini di crescita (fig.1).

IL PROBLEMA DEGLI SCARTI Il crescente uso di FdC ha aumentato il quantitativo di scarti e rifiuti industriali.

Le fonti più comuni di questi scarti si trovano nelle linee di produzione delle fibre vergini, nei reparti produttivi di materiali compositi (nella fase di preformatura, in quella di impregnazione e nella fase di rifilatura) e nelle aree di stoccaggio di pezzi giunti al termine del loro impiego utile.

Centinaia di tonnellate di questi prodotti vengono conferite ogni anno in discariche autorizzate, sprecando così sia il loro rilevante costo originario che il costo per lo smaltimento (fig.2).

Solo per quantificare alcuni degli esempi più vistosi, ricordiamo che da circa tre anni i primi aeroplani costruiti con materiali compositi hanno iniziato ad essere smantellati: nei prossimi trent’anni sarà la volta dei velivoli più moderni, quelli co-

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*Cannon SpA - **Afros SpA

Fig.3

struiti in gran parte utilizzando FdC. Dal 2008 al 2025 si smantelleranno circa 8.500 grandi aeroplani, ciascuno contenente almeno 20 t di FdC. Nello stesso periodo si presenterà il problema degli scarti derivanti dall’industria dei generatori eolici. E il settore dell’automobile, solo nel Regno Unito, manda in discarica oltre 100 T all’anno di scarti di produzione e di prodotti “end-of-life” a base di FdC. Questi sprechi vengono conteggiati nel costo industriale e ribaltati sul consumatore finale e, nel caso di veicoli militari, sul contribuente.

La maggior parte degli scarti di CFRP negli USA viene mandata in discarica o agli inceneritori. Le carcasse dei grandi aerei vengono parcheggiate per sempre in ampi “cimiteri” nel deserto, o smantellate e seppellite. Nonostante quest’ultimo metodo rappresenti l’alternativa più economica, dal 2004 la maggior parte dei paesi membri dell’Unione Europea ha approvato leggi che vietano il conferimento in discarica di materiali compositi.

RECUPERO DI CFRP Il processo di riciclaggio della FdC da materiali compositi, a causa della complessità tecnologica dell’operazione di separazione della fibra dalla matrice resinosa, presenta diverse difficoltà, dovute principalmente a: • una composizione complessa (fibre, matrice resinosa e fillers usati per ridurne il prezzo) • la natura reticolata delle resine termoindurenti impiegate (che una volta induriti non si possono riplastificare e stampare, come si fa con i termoplastici)

Fig.4

• la combinazione con altri materiali (inser ti metallici, materiali alveolari, compositi ibridi).

Al momento attuale non c’è un metodo preferito per riciclare le FdC dai CFRP di scarto. Molte esperienze sono state fatte in diversi paesi per dimostrare la fattibilità e l’economicità del processo di recupero mediante la separazione dalla resina impregnante. La disponibilità di energia a basso costo in alcuni paesi spinge verso l’uso di sistemi di pirolisi della matrice resinosa, mentre altrove si preferisce il metodo di estrazione chimica.

In ogni caso, il risultato finale consiste in una massa disordinata di fibre che, per essere riutilizzate industrialmente, vanno “riordinate” tridimensionalmente con processi di cardatura e successivo ottenimento di “materassini” regolari maneggiabili anche da robot e manipolatori.

Le FdC riciclate sono oggi commercialmente disponibili presso diversi fornitori specializzati, sia in Italia che in Germania, Regno Unito e Francia. Il costo del prodotto riciclato si avvicina al 50% del costo delle FdC vergini, riducendosi ulteriormente per quantitativi medio-grandi: questo fattore, da solo, lo rende estremamente interessante per i produttori di articoli in materiali compositi.

Il problema è ottenere da queste FdC un prodotto ad elevate caratteristiche fisico-meccaniche ed estetiche, per non essere costretti ad utilizzarle per applicazioni secondarie, a basso valore aggiunto. E questo è esattamente l’oggetto del progetto di ricerca e sviluppo intrapreso da Cannon, finanziato dall’Unione Europea nell’ambito del Programma LIFE+, lo

strumento finanziario della Comunità Europea che supporta il miglioramento e la difesa dell’ambiente.

IL PROGETTO CRESIM Cannon ha iniziato nel 2012 il progetto CRESIM (Carbon Recycling by Epoxy Special Impregnation), che ha per obiettivo finale lo sviluppo di un processo per la produzione di CFRP di elevata qualità partendo da FdC riciclate. Il progetto si prefigge di risolvere il problema del riutilizzo degli scarti di FdC dimostrando la possibilità di un loro recupero fino al 100%: un problema ambientale molto dispendioso potrebbe conver tirsi in un’opportunità per rendere queste lavorazioni più compatibili con l’ambiente, facendo risparmiare molto denaro a tutti. Un intenso programma di ricerca e sviluppo è stato pianificato per il 2013 e il 2014, comprendente: • la caratterizzazione di diversi tipi di FdC riciclata già disponibili sul mercato • lo sviluppo di almeno due processi adatti all’impregnazione dei diversi tipi di rinforzo ottenuti con le FdC riciclate • la caratterizzazione delle campionature di prova ottenute • lo sviluppo di nuove applicazioni, giustificabili economicamente per il nuovo processo • la produzione di pezzi prototipali secondo richieste e specifiche messe a punto con utilizzatori di parti in CFRP • la messa a punto dell’utilizzo di resine ad alta reattività che permettono un demoulding dei pezzi impregnati dopo 200-300 secondi dall’impregnazione.

Un importante investimento - in aree di laboratorio, nuove attrezzature e giorni/uomo di personale specializzato - è

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Apulia

Regional Desk for International Business Promotion

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Industria Fig.5

stato deciso dal management della Cannon per il progetto CRESIM, coinvolgendo due aziende del Gruppo: Afros SpA e Cannon Ergos SpA. Si è iniziato mettendo a disposizione di queste tecnologie un’ampia par te del rinnovato R&D Center for Composites in Caronno Per tusella, a nord di Milano, dove è ormai prossima l’installazione di una pressa con piani riscaldabili ad alta temperatura ed elevata forza di chiusura. La nuova pressa permetterà l’utilizzo di stampi di campionatura di ampie dimensioni, così come il montaggio di stampi di produzione forniti dai potenziali clienti interessati a sviluppare insieme nuove applicazioni.

In questa area verranno anche installati due robot antropomor fi a 6 assi, per la manipolazione dei rinforzi in FdC riciclata e la movimentazione delle teste di miscelazione, necessarie per le operazioni di iniezione in stampo chiuso o di deposizione in stampo aper to della formulazione reattiva. I prodotti chimici necessari per le diverse prove di impregnazione ad alta reattività (formulazioni a base di poliuretano o di resine epossidiche) vengono dosati con assoluta precisione da due diverse unità dosatrici Cannon ad alta pressione e bassa por tata istantanea, (fig.3) capaci di operare in modalità completamente autoregolata e controllo elettronico in closed-loop.

Lo staff di specialisti che ha sviluppato nel recente passato una linea completa di attrezzature per lo stampaggio rapido con tecnologia RTM (Resin Transfer

Fig.6

Moulding) è stato assegnato a questo progetto, con un elevato grado di priorità.

L’impianto pilota descritto sarà capace di produrre prototipi e parti in CFRP da FdC riciclate - industrialmente utilizzabili molto più ampi delle campionature di prova prodotte fino ad oggi nello stesso laboratorio.

IL PROCESSO ESTRIM Le attività di sviluppo intraprese recentemente da Cannon nel settore dello stampaggio ad alta produttività di manufatti in materiali compositi a base epossidica hanno generato una serie completa di attrezzature e metodi per rispondere ad una vasta gamma di esigenze tecnologiche.

Un nuovo processo, chiamato ESTRIM (Epoxy Structural Reaction Injection Moulding), sta permettendo l’utilizzo di nuove formulazioni epossidiche a rapida estrazione, sviluppate per soddisfare le richieste di alta produttività espresse dall’industria per un numero crescente di prodotti in materiali compositi a base di FdC. Usufruendo di una gamma completa di soluzioni - preformatori per FdC e fibre di vetro, unità dosatrici ad alta pressione, teste di miscelazione, presse per RTM a controllo attivo di parallelismo, stampi, robotica di handling e rifilatura, controlli elettronici di processo, ecc - Cannon si è proposta all’industria come partner altamente specializzato per la messa a punto di impianti completi ad alta produttività di materiali compositi (in epossidica o poliuretano) per applicazioni automobilistiche, aeronautiche, dello sport

e del tempo libero.

Diversi impianti sono stati venduti in Europa, USA e Far East sia per utilizzo di produzione che per i centri di sviluppo applicativo di primari produttori di automobili (fig.4).

L’esperienza maturata da Cannon nel campo delle presse a corsa corta e di quelle per inietto-compressione ha consentito la messa a punto di almeno tre diverse tecniche di applicazione per la tecnologia di impregnazione ESTRIM in stampo chiuso, e di due metodi per l’impregnazione in stampo aperto di “materassini” di FdC riciclato: • ESTRIM SLD (Spray Laydown) - la formulazione epossidica viene spruzzata con sistema airless, applicandola con un pattern piatto e triangolare direttamente sulla superfice del rinforzo in FdC, coprendo precisamente ogni centimetro quadrato dello stampo (fig.5) e utilizzando solo il quantitativo di liquido richiesto dalle diverse parti del pezzo finito.

• ESTRIM LLD (Liquid Laydown) - la formulazione epossidica viene applicata sul “materassino” di FdC sottoforma di un film continuo di liquido, di larghezza variabile fra 40 e 120 mm (fig.6).

Questo procedimento evita qualsiasi inclusione di aria nel pezzo durante l’impregnazione, e consente di produrre parti molto ampie. Il rinforzo di FdC viene preformato in precedenza per adattarlo alla forma - generalmente a lamina tridimensionale in bassorilievo - di grandi parti automobilistiche come tettucci, cofani motore, protezioni sottoscocca, parafanghi e porte. La reattività del sistema chimico è adattabile alla dimensione delle singole parti, di conseguenza questo metodo è applicabile anche ai par ticolari di dimensioni più ampie.

Anche per questa tecnologia l’utilizzo di “materassini” di FdC riciclata consente di ottenere significativi risparmi in materia prima ed un’efficace impregnazione.

I PRIMI RISULTATI INDUSTRIALI I primi risultati pratici del progetto CRESIM si sono materializzati nella definizione di un progetto congiunto di sviluppo con la società LOSON di Rescaldina (MI), situata molto vicino alla Afros. La società opera nel campo dei materiali compositi, fornendo par ti

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Industria Fig.7

stampate in CFRP per utilizzi civili e per la difesa.

Utilizzando FdC riciclate fornite dalla società Ferrari Carbon di Milano e uno stampo realizzato appositamente da un fornitore specializzato, la DMC di Carate Brianza, (fig.7) è stato messo a punto il progetto per una parabola componibile sul campo per trasmissioni satellitari, utilizzabile per impieghi civili o militari.

Costituita da sette spicchi uguali, la parabola del diametro di 130 cm può es-

Fig.8

sere trasportata comodamente in un grosso zaino e assemblata in pochi minuti una volta giunti sul luogo delle operazioni (fig.8).

Il disegno arrotondato degli spicchi è stato scelto per ottimizzare la ricezione dei segnali digitali e minimizzare i potenziali problemi derivanti da forti venti o da vibrazioni derivanti dagli automezzi su cui potrebbe essere installata (fig.9).

Questo modello di antenna parabolica (piccola, leggera, mobile, modulare e facile da montare anche in ambienti tatticamente ostili) sta riscontrando una domanda crescente da parte del mercato specialistico a cui si rivolge. Rappresenta un’ottima applicazione finale per le FdC riciclate, in quanto, essendo sia composta che verniciata con materiale riflettente, non richiede nemmeno un elevatissimo grado di finitura superficiale.

VANTAGGI

Fig.9

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Compositi

I principali vantaggi derivanti dall’utilizzo della tecnologia CRESIM si possono riassumere in: • significativi risparmi in materia prima: la FdC riciclata è oggi disponibile a circa metà del costo di quella vergine, da diverse fonti europee.

• Significativi risparmi in costi di smaltimento: mandare in discarica le FdC significa buttar via una materia prima costosa e pagare anche caro per l’operazione. Conferire i propri scarti a un riciclatore permette di convertire un costo in un ricavo.

• Significativa riduzione dell’impatto energetico ed ambientale della propria produzione: l’elevata quantità di energia consumata durante la produzione della FdC originale può essere riutilizzata durante la sua “seconda vita”, evitando così che una uguale quantità di energia venga sprecata ad ogni ciclo di vita di un prodotto simile realizzato con FdC. • Ottimizzazione della struttura combinando, in un “materassino” di rinforzo, uno strato esterno sottile di FdC vergine ed uno strato interno più spesso di FdC riciclata, per ottenere contemporaneamente parti strutturali robuste ed esteticamente piacevoli.

• Significativa riduzione del tempo di ritorno sull’investimento in presse e unità dosatrici: la possibilità di accelerare i tempi di estrazione (dai tradizionali 30 minuti del processo RTM ai 3 minuti ottenibili con processo ESTRIM) consente di ammortizzare le attrezzature produttive molto più velocemente.

• Significativi risparmi in energia nelle fasi di preformatura dei rinforzi, di impregnazione e di polimerizzazione: - i preformatori utilizzati per dar forma ai rinforzi in FdC sono macchine semplici e poco impegnative dal punto di vista energetico - il processo di impregnazione non richiede una messa a punto complessa o l’utilizzo di vuoto.

• Quando si usano le tecniche a stampo aperto ESTRIM LLD e SLD si hanno ulteriori vantaggi: - la tecnologia utilizza basse pressioni durante la chiusura dello stampo in pressa, per cui si possono utilizzare motori meno potenti - le unità dosatrici operanti a temperatura vicina a quella ambiente non richiedono elevate potenze elettriche installate per scaldare i materiali - si possono usare stampi in resina o in alluminio, molto meno costosi dei classici stampi in acciaio.

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di Marco Regi e Francesco Sintoni

Scenari, opportunità e pericoli Lo scambio di conoscenze è uno strumento chiave per accrescere la competitività delle imprese, ma presenta diversi rischi, tra i quali trasformare il proprio partner in un competitor. Ecco un’analisi dei principali aspetti e delle criticità legate a questi processi e delle strategie che permettono di evitarli.

BACKGROUND INFORMATION

FOREGROUND INFORMATION COMMERCIALIZZAZIONE

I

l trasferimento tecnologico (TT) è un elemento chiave nelle attività tecnico/commerciali domestiche, europee e internazionali. I Paesi dell’Unione Europea (UE) offrono conoscenza, esperienza e af fidabilità consolidate, mentre quelli a for te crescita economica (es. Cina, India, Brasile) capitali e risorse finanziarie. La combinazione di questi due fattori si esplicita attraverso accordi e contratti nei quali i primi trasmettono le proprie conoscenze (il TT), i secondi i fondi economici difficilmente reperibili all’interno del contesto europeo e americano in modo sinergico.

Ser ve ovviamente una normativa di riferimento che sia di suppor to e tutela di questo processo per un TT a livello europeo, ma soprattutto in ambito extracomunitario. Alla normativa deve corrispondere un edificio giuridico che preveda oppor tune sanzioni da applicare in caso di mancato rispetto e violazione delle norme.

Il beneficiario finale (end user) del TT di fatto è il soggetto che rende disponibili i fondi necessari per sviluppare/implementare/produrre le idee ed i prodotti innovativi ideati dal soggetto che non è in grado di autofinanziare l’iniziativa. Si trasferiscono direttamente tecnologie, processi e prodotti, ma anche beni intangibili. Ad esempio, fornire un componente in materiale composito equivale a fornire anche la natura dei materiali (matrice e fibre, percentuali, composizioni, sequenze di laminazione) e dei processi desumibili con strumenti di analisi facilmente acquisibili: di fatto si trasferisce indirettamente tutto il contenuto tecnologico intrinseco del

BACKGROUND INFORMATION

Fig.1

prodotto. Stesso concetto vale anche in ambito software.

Esiste anche un altro meccanismo di TT, forse più nascosto e pericoloso, quello “non voluto”, nel quale le modalità di scambio e di invio delle informazioni sono la semplice telefonata o e-mail, fino ad arrivare all’accesso a data-base e ad archivi informatici.

Lo strumento più usato per creare TT a livello internazionale è la Joint-Venture (JV), dove una parte mette a disposizione tecnologie e know-how, l’altra i fondi economici per lo sviluppo congiunto di un prodotto il cui sfruttamento sarà definitivo sia in fase pre- (background infomation) che post-produzione (foreground information). In questo tipo di approccio diventano critici gli aspetti contrattuali relativi all’off-set: nel contesto della JV il nuovo prodotto sviluppato a chi appar-

tiene? Come e da chi deve essere commercializzato? Il tutto va regolato e normato (fig.1).

DA PARTNER A COMPETITOR In assenza di una struttura contrattuale adeguata il soggetto che rende disponibile il know-how di fatto vedrà trasformarsi il partner finanziario - industriale in un futuro competitor. Pertanto, le tecnologie sensibili o disruptive non vanno messe a fattor comune nella JV (o in generale nel TT), o devono essere adeguatamente protette e tutelate.

Esistono enti governativi il cui compito è il rilascio delle autorizzazioni alle trattative commerciali, alle esportazioni di prodotti e tecnologie e al TT. Tutti gli attori dovranno avere le opportune certificazioni, un adeguato strumento di gestione dei controlli di tutto il processo TT

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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: â&#x20AC;˘ Automotive â&#x20AC;˘ Nautico â&#x20AC;˘ Aeronautico/Aerospaziale â&#x20AC;˘ Militare â&#x20AC;˘ Medicale â&#x20AC;˘ Industrie Varie â&#x20AC;˘ Edilizia Inoltre: Studi di progettazione Liberi professionisti, Docenti e studenti di UniversitĂ e Corsi di specializzazione.

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Nata nel 2006, come organo ufficiale di Assocompositi, ha lo scopo di diffondere gli studi, gli aggiornamenti e le notizie riguardanti i materiali compositi e le loro possibili applicazioni, fino ad oggi note solo ad un numero ristretto di tecnici del settore.

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PRESENTAZIONE

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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.

La presenza di unâ&#x20AC;&#x2122;agenda degli appuntamenti, a cura di Assocompositi, assicura il puntuale aggiornamento dei professionisti del settore TECNEDIT s.r.l. via delle Foppette, 6 20144 Milano tel +39 02 36517115 fax +39 02 36517116 www.tecneditedizioni.it

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Transfer technologies

LIVELLI AUTORIZZATIVI È utile definire vari livelli autorizzativi che vanno così suddivisi: • individuali: specificare quantità e relativi valori economici • globali: lista generica senza quantità e valore economico • generali: categorie di materiali e processi. È possibile prevedere livelli autorizzativi preventivi che valgano secondo il cri-

Scenari... >>

PRODOTTO DI PARTENZA

TT diretto

NE

e un alto livello di affidabilità, oltre che l’esperienza nel gestire gli aspetti tecnici, commerciali e legali.

I punti cardine in ogni fase delle attività sono: • documentazione completa, sia di carattere tecnico sia di natura contrattuale; a questo riguardo bisogna: - verificarne la reperibilità ed accessibilità (data base condivisi) - verificare che vengano utilizzate sempre le ultime revisioni approvate - esplicitare la configurazione del prodotto/bene trasferito - definirne il livello di classifica (anche i materiali/prodotti e il personale devono averlo), ovvero i company confidential • tracciabilità di ogni informazione, attività, comunicazione • definizione della catena gerarchica e delle responsabilità • formazione del personale con particolare attenzione verso gli aspetti più critici del progetto di TT • tutela della sicurezza fisica del personale • definizione e delimitazione delle proprietà intellettuali • definizione di eventuali deroghe alla normativa sul TT e le JV • definizione delle regole alla base delle trattative commerciali e contrattualizzazione delle attività • flussi finanziari: tracciamento e controllo, oneri, sanzioni amministrative • definizione del time schedule del programma • struttura delle parti contrattuali: - attiva (diretto tra i soggetti) nel caso di Raggruppamenti Temporanei d’Impresa (RTI) - passiva qualora veda il ricorso a subfornitori, purché non contenuti nelle black list dell’end user finale.

COM PETI ZIO

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REVERSE ENGINEERING

Fig.2

TT diretto

TT indiretto

TT indiretto

Fig.3

terio del “silenzio/assenso” nell’accettazione di specifiche condizioni. Questo criterio implica pericoli intrinseci subdoli in quanto difficili da prendere in considerazione preventivamente (e, quindi, normati) e che poi nel corso delle attività potrebbero risultare critici.

Lo scopo del TT è creare business, ovvero redditività economica per l’impresa e non “regalare” conoscenze e tecnologie a un terzo facendolo diventare un competitor (fig.2).

LE CRITICITÀ Nel mondo del TT la Security (soprattutto la Cyber) è un aspetto importante, soprattutto quando i soggetti coinvolti operano a livello internazionale; in questo ambito è necessario che i dati trasmes-

si non vengano “catturati” da terzi e/o alterati nel corso della trasmissione.

Altro aspetto da evidenziare sono le modalità operative del trasferimento tecnologico: può avvenire in modo diretto tra due soggetti (A e B), oppure attraverso un intermediario (C) (fig.3).

In quest’ultimo caso i principi base sono: • A e C devono essere autorizzati all’intermediazione • C non deve trasferire alcunché a un soggetto D non coinvolto e autorizzato al TT • i trasferimenti possono essere unidirezionali (one way) e/o bidirezionali (two way).

La figura 4 riassume un possibile schema complessivo di TT.

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SCAMBI TRA SETTORI

Nell’ambito dei mercati domestici, un processo di TT può essere favorito e finanziato anche da organi ed enti governativi per creare una “rete” di contatti e conoscenze tra le varie realtà, anche appar tenenti a differenti settori, interessate ad una specifica tematica. Proprio l’assenza di contatti spesso non consente ad un operatore di un settore di conoscere altre realtà in grado di fornirgli soluzioni ai problemi tecnologici e manifatturieri. Un esempio è il settore aerospaziale che, operando in ambienti estremamente complessi, sviluppa soluzioni altamente per formanti che possono essere implementati anche, ad esempio, in quello medico che di fatto poco “dialoga” con il primo. Questo può essere declinato nelle parole chiave dual – use e multipurpose.

La struttura tipica di un processo interno di TT è semplice: • creare schede di prodotto e tecnologie • costruire un data base di aziende potenzialmente interessate • organizzare eventi dedicati di presentazione dei prodotti e visite presso gli stabilimenti • avere un approccio B2B • creare un sito internet dedicato • estendere il TT al potenziale mercato export.

Ad esempio, il mondo dell’edilizia e della ristrutturazione degli edifici ha introdotto da alcuni anni l’uso dei compositi polimerici per il recupero delle strutture. I professionisti coinvolti, a causa del loro tradizionale percorso formativo, non

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OFFSHORE ENERGIES HYBRID STRUCTURES

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Fig.4

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hanno una conoscenza approfondita del composito che spazi dalla teoria di base ai processi di deposizione, passando per quelli tecnologici di produzione. Pertanto, utilizzano il “prodotto” come da data sheet fornito dal produttore, non sfruttandone tutte le potenzialità. In questi casi, invece, il TT cognitivo dal settore aerospaziale e della ricerca industriale a quello edile porta i seguenti vantaggi: • maggiore conoscenza della tematica e del prodotto • possibilità di ottimizzarne l’uso e le prestazioni • maggiore affidabilità dell’opera e riduzione dei rischi correlati • ottimizzazione di costi e tempi • accrescimento delle proprie competenze e professionalità con incremento del business potenziale.

Infatti, le applicazioni nei trasporti e nell’edilizia sono un ambiente pienamente recettivo per il trasferimento della tecnologia dei compositi polimerici dal settore aerospaziale e della ricerca, anche se la sua giustificazione dal punto di vista dell’impresa e del mercato deve rispondere ai seguenti pre-requisiti: • analisi costi-benefici per definire la voce del costo finale di produzione • capacità a produrre il componente innovativo integrato più leggero ad un tasso vantaggioso, risolvendo i problemi di qualità e pervenendo all’accettazione del cliente • analisi del ciclo totale di vita che permetta di determinare il contenuto energetico finale del prodotto, durabilità, riciclabilità e sostenibilità.

Railways

FRP Gear-Case for Railway Locomotive, Jute-Coir Composite Boards for Coach Interiors, FRP Pultruded Profiles, Jute-Glass Composites for Coaches, FRP Sleepers for Railway Girder Bridges, FRP Modular Toilet Units for Railway, Coaches Composite Main Door for Passenger & EMU Coaches,Radiator Cooling FRP Fan for Diesel Locomotives

Automobiles

Composite CNG Cylinders for Automobiles, Jute-Coir Composite Boards for Bus Interiors

Bio-Medical

Carbon Fibre External Ring Fixators for Orthopaedics,, Endoskeleton Type Tomposite Artificial Limbs for Physically Handicapped

Industrial Applications

Energy Efficient Axial Flow FRP Fans for various applications, Vacuum Forming Press for CompositesFabrication, FRP Armoured Optical Fibre Cables, FRP Pultruded Profiles, Double-Walled FRP Vessels for Chemical Storage

Building&Co nstruction

Jute-Coir Composite Boards for wardrobes, furniture, paneling, doors, FRP Doors & Window, FRP Pultruded Profiles

Tab. 1

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•Networking • Market intervention • Awareness promotor • Finantial support

•Design support •Raw materials •Selection • Fabrication process • Product development •Testing

TIFAC

Knowledge Partner

(Facilitating Agency)

Industry Partners (Technology Incubation)

End-Users

•Design approval •Field trials •Orders

Certifying ertifying and Acceptance

•Design & Product approval

Fig.5

L’ESEMPIO DELL’INDIA Per parte delle strutture di aeromobili militari e di mezzi navali e per le pale eoliche, l’uso di compositi polimerici è già accettato, mentre in molte altre applicazioni, compreso il settore dei trasporti, il loro utilizzo deve essere esaminato con cura. Il Dipartimento di Scienza e Tecnologia del Governo dell’India nel 1993 ha avviato 26 progetti volti a dimostrare la trasferibilità dei compositi in fibra sintetica e naturale in vari settori come i trasporti, quello industriale, bio- medicale, edile, ecc. L’ iniziativa mirava a ridurre il divario con l’Europa occidentale, gli USA ed il Giappone, paesi che godono della maggiore quota del mercato mondiale dei compositi (in USA e Cina il consumo pro-capite di compositi è pari a 5,6 kg. e 1,5 Kg, mentre in India è pari a 35 g) ed

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Compositi

è stata assegnata al Technology Information, Forecasting & Assessment Council (TIFAC) in virtù delle sue precedenti iniziative in questo settore tecnologico. I settori industriali chiave sono menzionati nella tabella 1.

Il progetto di trasferimento tecnologico promosso dal governo indiano può essere suddiviso in due fasi successive. Il primo è stato centrato a livello nazionale con finanziamenti pubblici a laboratori di R&S o a istituzioni accademiche, supportati da risorse finanziarie di partner industriali esterni al settore dei compositi. Nel secondo sia i partner del settore che gli end-users sono stati coinvolti direttamente nel processo di sviluppo fino alla fase di realizzazione del prototipo e di testing del prodotto, portando le loro capacità, competenze e disponibili-

Scenari...

tà di laboratorio (fig.5).

Un approccio efficace come dimostrato dall’uso applicativo dei risultati del programma, di due dei quali sono dati alcuni dettagli: • scatole-ingranaggi in FRP per locomotive: sessanta scatole-ingranaggi in FRP per diesel e locomotive elettriche sviluppate nell’ambito del progetto sono state montate sulle locomotive diesel delle ferrovie indiane e sono pienamente operative, consentendo un risparmio di peso di 430 kg per pezzo (fig.6).

• Fan a flusso assiale energeticamente efficienti in FRP: cinque diversi tipi di ventilatori in FRP sono stati sviluppati per applicazioni relative a torri di raffreddamento, ventilazione ed umidificazione, miniere e tessile, raffreddamento dei radiatori per locomotive diesel e scambiatori di calore ad aria.

L’introduzione del composito ha permesso un guadagno di efficienza del 20-30% rispetto ai ventilatori in leghe di alluminio. Fan in FRP sono stati montati su locomotive diesel dalla società delle Ferrovie indiane e su torri di raffreddamento ed altre applicazioni di primarie industrie indiane, aprendo interessanti prospettive sui mercati esteri.

Il progetto sponsorizzato dal governo indiano si è di rivelato un modello di trasferimento tecnologico vincente, dimostrando le potenzialità di questo strumento come base per la competitività nei vari settori industriali.

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Fig.6

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by Marco Regi and Francesco Sintoni

Scenarios, opportunities and dangers

The exchange of knowledge is a key instrument for enhancing the competitiveness of enterprises, but it presents several risks, including turn your partner into a competitor. Here is a breakdown of the main aspects and issues related to these processes and the strategies that allow you to avoid them.

T

echnology Transfer (TT) is a key activity in the current technical and commercial domestic, European and international market. The countries of the EU have and offer knowledge, experience and reliability consolidated, while those with a high economic growth (ex. China, India, Brazil) capital and financial resources. The combination of these two factors is expressed through agreements and contracts in which the formers put their knowledge at disposal (TT), the latter the economic funds which in these days are not easy to be found within the context of European countries and in the U.S.A..

It is obviously needed a legislature and a reference set of norms that is both supportive and works to protect all this for a sustainable TT at the European level, but, above all, in the field of nonEU countries the rules must match a building legislation imposing appropriate sanctions to be applied in case of noncompliance and violation of the rules.

There will be a final beneficiary (enduser) of TT, which is in fact the Part who makes available the necessary funds to develop/implement/produce ideas and innovative products designed by the part who is not able to finance the initiative.

They directly move technologies, processes and products, but there is also a transfer of intangible assets.

For example, to provide a component in composite material is equivalent to also provide the nature of the materials (matrix and fibers, percentages, compositions, sequences of lamination) and the manufacturing process as obtained with tools of analysis today easily acquirable: it is a matter of fact that all the technology associated with the composite device is indirectly moved by TT. Such consideration also applies, to

software packages, if appropriate “protections” are not adopted.

There is also another mechanism TT, perhaps more hidden, and therefore very dangerous, which is “the not-wanted TT” in which the exchange and transmission modes of information are those based on the simple phone call or e-mail which can make accessable data bases and archives.

The most widely used tool to create TT at the international level is that based on the Joint- Venture (JV) where one part provides technologies and know-how, while the other the economic funds. The purpose of this form of cooperation is the development of a product whose exploitation will extends from the beginning up to the final phase, that is, both in pre- (background information) and in post -production (foreground information). In this type of approach to the TT the contractual aspects relating to “off-set” become critical and, therefore, of great importance: in the context of JV the new product developed who does own it? How and by whom is to be marketed? Everything should be adjusted and regulated (fig.1).

FROM PARTNER TO COMPETITORS It is immediately obvious that in the absence of the appropriate contractual framework the part who makes available the know-how will realize later that the financial-industrial partner will become a future competitor. Therefore, the disruptive technologies or all those which are par ticularly sensitive should not be shared in the JV (or in general in the TT), or are to be adequately protected and safeguarded.

There are in this sense government entities whose primary task is the release of permissions to trade negotiations and

export of products and technologies , as well as the TT. All actors (physical and legal) must have the appropriate certifications, adequate management tool controls of the whole TT process and a very high level of reliability in the most general term.

It must also obvious their proven experience in managing the technical, commercial and legal, as well. The key points at every stage of activity are: • creation of a complete and exclusive documentation, whether of a technical or contractual in nature. With respect of that it must be guaranteed the possibility of: - verifying its availability and accessibility (shared database) - verifying that the latest approved revision is used - explaining the configuration of the product/proper ty transferred in the TT - defining the classification levels (they must be inclusive of the materials, products and of the staff involved in the TT project), or the company “confidential” • traceability of any information, activities, communication • definition of the chain of command and responsibilities • training of staff with a focus toward a strong awareness of the most critical aspects and “weakness” of the entire project of TT • protection of the physical security of all personnel • definition and demarcation of intellectual property (patents and royalties) • definition of possible exceptions to the rule that defines the TT and the JV • definition of “rules” that must be the basis of commercial negotiations and contracting out activities

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• cash flows: - tracking and control - charges - administrative sanctions • definition of the program time schedule • definition of the structure of the contracting parties: - active (direct among the parties) in the case of “temporar y par tnerships” - passive if it takes into consideration the involvement of sub-contractors and supplier, provided they are not in the black list of end-users.

LEVELS OF AUTHORIZATION It is useful to define various levels of authorization, which should be divided according to the following organizational scheme: • individuals: to specify amount and relative economic values • global: generic list without quantity and economic value • general: categories of materials and processes.

It is possible to provide estimate authorization levels that apply according to the criterion of “silence/consent” in the acceptance of specific conditions. This criterion implies inherent dangers which are extremely subtle and difficult to take into consideration in advance (and, therefore, normed) and that can turn into extremely critical issues during the business.

The purpose of the TT is to create business or economic viability for the company and not to “give” knowledge and technology to a part thus supporting it in becoming a competitor (fig.2).

CRITICALITY In the world of TT the Security (especially the Cyber security) is a very important concern especially when the involved parties operate at international level; in this specific field of TT it is necessary that the data submitted are not “captured” by third parties and/or altered during their transmission.

Another aspect to be highlighted is that related to the operating modes according to which it is conducted the technology transfer: it can directly concern two parties (A and B), or indirectly a third one which acts as a mediator C (fig.3).

The basic principles that should be applied in this case are:

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• A and C must be authorized • C should not transfer any information to an additional D involved or not authorized at the TT • transfers can be unidirectional (one way) and/or bi-directional (two way).

Figure 4 summarizes a possible overall scheme of TT.

RELATIONSHIP BETWEEN DIFFERENT ENTITIES At domestic level, a process of TT planned can be encouraged and funded also by national bodies and government agencies in order to create a “network” of contacts and knowledge between the different entities interested in a specific theme also in a context of sectors very different among themselves.

Precisely, It often happens that without an active governamental support it is not easy to a generic industrial operator to know other realities which are in the position to provide solutions to its technological problems in manufacturing.

An example of this that of the Aerospace Sector that, as it operates in highly complex environments, needs to develop high performing solutions that can also be implemented and transferred, for example, in the Physician sector which does not strongly little communicates with it. This fact can be declined in the two keywords “dual-use” and “multipurpose” applications.

The typical structure of an internal process of TT is very simple: • define product technologies and their product formats • build a database of potentially interested companies • organize events dedicated to the product presentation and to the visits to the factory • have a B2B approach • create a dedicated website • extend the TT to the potential export market.

For example, the world of buildings construction and refurbishing has already introduced the use of polymer composites for the recovery of the structures.

When using the “product” composite, because of their traditional training and a not thorough knowledge of the composite which ranges from the basic theory up to the deposition processes, the professionals involved in this process handle

the composite just referring to its data sheet provided by the manufacturer.

Thus, not knowing more “intimate” the material (its constituents, its theoretical modeling of behavior and resistance, its disposal at the end of life and so on) limits the operator to exploit the full potential of it.

When the aerospace and industrial research transmit their know-how on the topic of composites to all those who are interested in buildings structural design, strengthening and refurbishing, the advantages are: • greater knowledge of the topic and the product • the cognitive tool for the material optimized design and use • increased material performance, work reliability and reduced related risks (e.g., post consolidation sagging) • optimization of costs and time • enhancement of their skills and professionalism, and consequent increase in business potential.

The transport and related sectors is a convincing environment suit for the technological transfer of polymeric composites technology even if its business justification and penetration must include some other additional pre-requisites: • an overall cost-benefit analysis directing the analyst to the definition of the item manufacture final cost • the capability in manufacturing the lighter innovative integrated component at the profitable rate, quality issues, and customer acceptance • a total life-cycle analysis allowing the determination of the inherent energy content of the final product form along with the durability, recyclability, and sustainability in terms of environmental impact.

INDIA EXPERIENCE A par t from militar y aircraft structures, marine crafts and wind turbine blades, where the use of polymeric composites is already perceived as accepted, in many other applications the extension in using them is to be examined with care.

The Department of Science & Technology of the India Government in 1993 launched 26 projects aimed at widely demonstrating the transferability of the synthetic & natural fiber composites into

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Scenarios, opportunities and dangers various sectors such as transportation, industrial, bio-medical, building & construction etc.

The implementation of this initiative, which aimed to reduce the gap with the Western Europe, USA & Japan countries which enjoy major share of the world market of composites (at the times USA & China pro capita consumption of composites standed at 5.6 Kgs. & 1.5 Kgs, while in India respectively amounted vis-à-vis that of 35 gms), was assigned to the Technology Information, Forecasting & Assessment Council (TIFAC) because of earlier initiatives it already accomplished in this technological field.

The key industrial sectors and the launched projects covered by the TIFAC-managed program are mentioned in the table 1.

This technology transfer project sponsored by the Government of India can be divided into two successive stages.

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The former had been centered on national level publicly funded R&D labs or academic institutions suppor ted by the outside suppor t of industr y par tners, while in the latter both the industr y par tners and the end-users ones were involved directly in the development process up to the prototype fabrication and the product testing, thus bringing their exper tise ability and capability into the projects (fig.5).

This approach has proved successful as demonstrated by the applicative use of the developments conducted in the program, only two of which are summarized below: • FRP Gear-Case for Railway Locomotives Sixty FRP gear-cases for diesel & electric locomotives successfully developed under the project have been fitted in the diesel locomotives of the Indian Railways and are now fully operational. This FRP application in gear-

cases has allowed a weight saving of 430 kgs. per piece.

• Energy Efficient Axial Flow FRP Fans Five different types of FRP fans has been developed at such applications as those related to cooling towers, mine ventilation, textile humidification, radiator cooling for diesel locomotives & air heat-exchangers. The introduction of the composite has demonstrated successful, having it allowed a 20-30% efficiency gain over conventional fans made by aluminium alloys. On the basis of these advantageous results FRP fans has been fitted in diesel locomotives by the Indian Railways company and the application has been successively exploited on cooling tower, mine ventilation and other applications and this led Indian industries to very interesting perspectives in foreign countries markets.

Project sponsored by the Indian government has proved successful.

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3A COMPOSITES - PAD. 7.3 STAND M32

The innovative electric taxi Responding to the demand for environmentally friendly transport in tropical megacities, Singapore’s Nanyang Technological University (NTU) and the Technische Universität München (TUM) teamed up to form the TUM CREATE research program aimed at developing a specialized electric taxi for the needs of tropical megacities. At TUM CREATE over 120 researchers and engineers are working on cutting-edge research that covers topics ranging from the molecule to the megacity including areas such as: electrochemistry, electric vehicle batteries, embedded systems, air conditioning, simulation and modeling as well as infrastructure. The team proudly presented their electric taxi EVA at the Tokyo Motor Show 2013,

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It benefits are: • excellent release from all common resin systems for multiple releases • good adhesion to metal, composite, tooling block and rubber tooling, • high elongation allows for easier covering of complex contour surfaces • non-silicone adhesive for sensitive applications.

It has a new and improved reformulation, is reformulated to provide excellent tack, firm feel, good clean-up and long shelf life. It is a sealant tape for room and medium temperature applications, but can also be used for higher temperature envelope bag applications. Airseal 2 Tacky is a softer version with better tack in colder environments.

NEW BETA LM105 BENZOXAZINE INFUSION RESIN Its benefits include: no autoclave, minimal shipping costs and freezer space,

• • • • •

surfacing release films, resulting in a longer life tools Airpad HTX bonds to itself aggressively, making it easier to repair heat aging studies show longer life in high temperature applications higher shore hardness for better pressure intensification better resistance to solvents, so tools are more durable will work with standard release agents, allowing for more complex shape caul sheets and intensifiers. Airtech recommends testing of Airpad HTX in any particular application prior to use.

TOOLWRIGHT 3

AIRFLEX

It is an extruded fluoropolymer film coated with silicone pressure sensitive adhesive. It has a thinner film than Toolwright 5 version and can be more easily applied over complex contour surfaces. It has high elongation, good tear strength, high temperature resistance and excellent clean up after removal. Its benefits are:

It is an uncured silicone rubber which has been specially formulated for use as a pressure intensifier on complex shapes parts during vacuum bagging. It can also be used to provide vacuum bag protection from puncture due to bolt heads. Its benefits are: • improve part quality and reduce rework • eliminate bridging and reduce scrap • protect bags from puncture avoiding scrap parts • makes vacuum bagging complex parts easier • cures out quickly for fast pre-moulding or can be used uncured on top of prepregs and will cure out before prepregs then apply even pressure.

easy layup fabrication with traditional bagging process and excellent surface toughness & ease of machining.

AIRPAD HTX It is a non-silicone rubber that can be made into caul sheets and flexible mandrels. It has been formulated to provide enhanced performance in comparison to other rubber caul sheet materials. Its benefits are: • low shrinkage, provides dimensional accuracy for better part quality • better bonding to reinforcing layers and

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Anteprima JEC 2014 BRETON - PAD. 7.2 STAND S53

Più configurazioni per diversi utilizzi Eagle è un centro di lavoro a portale di Breton con trave mobile a 5 assi interpolati per operazioni di fresatura ad alta velocità su alluminio e materiali compositi. La macchina è particolarmente indicata per la lavorazione di elementi aventi forma tridimensionale complessa quali quelli nel settore aeronautico.

Le sue varie configurazioni consentono di eseguire anche le lavorazioni più impegnative con la massima flessibilità ed efficienza operativa con campi di lavoro che vanno da 2.500x2.000x1.000 mm fino a 20.000x5.000x2.500 mm ed oltre, con doppia traversa e doppio cannotto, permettendo la lavorazione in pendolare. Le peculiari caratteristiche di rigidezza e dinamica consentono di affrontare le varie tipologie di particolari con la massima velocità di lavorazione e capacità di asportazione. Eagle, grazie alle velocità degli assi lineari che arrivano fino a 85m/min e alla testa simmetrica e rototiltante con rotazione continua dell’asse C e rotazione dell’asse “A” da 0° a +115°, mostra capacità di lavorazione non comuni proprio nell’esecuzione di profili complessi a cinque assi continui con la massima precisione e dinamica anche in sottosquadra.

La testa birotativa, posizionabile in qualsiasi angolazione del suo campo operativo, permette di utilizzare un mandrino fino a 40 kW di potenza e 28.000 rpm conferendo alla macchina una notevole capacità di asportazione.

La struttura completamente chiusa ed i cinematismi posti tutti nella parte superiore della macchina conferiscono il massimo grado di sicurezza per l’operatore e la massima affidabilità e precisione durante la lavorazione.

CHEM TREND - PAD. 7.3 STAND M8

Distaccanti semi-permanenti

I distaccanti semi-permanenti sono progettati per legarsi alla superficie dello stampo, originando uno strato polimerico, resistente all’attacco chimico e meccanico. Spesso una combinazione di un sigillante ed un agente di distacco viene utilizzata nella preparazione di uno stampo, o viene usato più di uno strato di distaccante, in generale si parla allora di “sistema di distacco”.

Il sistema di distacco Chemlease® semi-permanente si compone di cleaner, primer, sealer e distaccante (top coat). È stato sviluppato per essere flessibile a seconda della situazione specifica di distacco richiesta. Non tutti i componenti sono sempre necessari a differenza del distaccante perché sono le proprietà speciali del top coat che impartiscono parte delle caratteristiche superficiali al particolare stampato. I prodotti semi-permanenti tradizionali sono stati progettati per essere applicati su una superficie dello stampo e poi lucidati per mantenerne la finitura superficiale. Varietà di questo tipo di prodotto con maggiore lubricità sono disponibili per l’uso su stampi con profili profondi o angoli di sformatura difficili per facilitare l’operazione di sformatura. Questi prodotti sono adatti per i lati “B” di stampi RTM dove il laminato spesso è soggetto a ritiro.

Esistono anche prodotti che non necessitano di essere lucidati dopo l’applicazione. Il prodotto si asciuga per una finitura lucida e senza aloni. Questi possono essere anche applicati a spruzzo. Se si vuole avere la sicurezza visiva di sapere esattamente dove è stato applicato il top-coat (la maggior parte dei semi-permanenti sono formulazioni trasparenti) è possibile selezionare un semi-permanente contenente una bassa percentuale di cera; questo tipo di prodotto è visibile sullo stampo e successivamente può essere lucidato. Dal momento che lo stampaggio dei compositi è di solito un

processo “a stampo freddo”, le opzioni di cui sopra sono tradizionalmente a base di solventi. Tuttavia, Chem-Trend è stata precursore nello sviluppo di prodotti a base acqua.

I sistemi di distacco semi-permanente garantiscono allo stampatore: • copia fedele della finitura superficiale: uno stampo ad alto gloss darà origine ad un pezzo ad alta lucentezza e viceversa. Un trattamento ottimale dello stampo permetterà di mantenere il gloss costante nel tempo, previa ri-applicazione di un top coat del distaccante al giusto momento.

• Possibilità di variazione del livello di gloss: speciali primers offrono la possibilità di modificare il grado di gloss dello stampo. Questi possono essere considerati come degli “ottimizzatori di superficie”: in alcuni casi in cui lo stesso stampo esige una brillantezza variabile questi sono ideali. Formano un film molto duro e sono compatibili con il distaccante successivamente applicato, il sistema di distacco garantirà un’elevata permanenza (più cicli di distacco a seguito del ripristino del top coat).

• Riduzione dei pre-distacchi: il distaccante deve tenere il pezzo in posizione fino a completa reticolazione per evitare distorsioni del pezzo. I prodotti Chemlease ® di Chem -Trend risolvono questo problema.

• Basso trasferimento del film sul pezzo ed alta durevolezza del film superficiale: dal momento che il sistema semi-permanente reticola completamente sulla super ficie dello stampo, il trasferimento sull’articolo stampato è ridottissimo. Ciò riduce al minimo problemi su trattamenti successivi (verniciatura o incollaggio).

Poiché solo una quantità esigua si trasferisce sul pezzo stampato, si possono fare molte stampate prima di riapplicare il top coat.

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Anteprima JEC 2014 DASSAULT SYSTÈMES - PAD. 7.3 STAND Q48

Migliorare le prestazioni delle turbine eoliche Le turbine eoliche devono funzionare con la massima efficienza nelle condizioni più svariate. È fondamentale prevedere con precisione gli effetti che il vento, l’acqua, gli smottamenti e i carichi di lavoro possono generare sulle turbine e sui loro componenti. Come si può evitare di costruire costosi prototipi fisici? Sustainable Wind Turbines di Dassault Systèmes consente di prevedere con precisione il comportamento delle strutture in condizioni reali per ottimizzarne la progettazione. La soluzione analizza vibrazioni, deformazioni non lineari e sollecitazioni, fratture e cedimenti, scenari di usura ed effetti multifisici come le interazioni fra fluidi e strutture. Inoltre, può essere utilizzata per ridurre il peso delle pale diminuendo il numero di strati necessari. Effettuando queste analisi virtualmente si possono ridurre drasticamente i costi e i tempi di sviluppo.

La produzione di pale in composito implica numero-

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Compositi

se variabili di controllo e richiede di comprenderne la correlazione. Evitare difetti di produzione dovuti a tasche, grinze, delaminazione e altre imperfezioni è difficile. Un piccolo miglioramento della percentuale di scarto può far risparmiare parecchi milioni di dollari ogni anno. Sustainable Wind Turbines di Dassault Systèmes offre una metodologia di miglioramento con un processo continuo basato su dati e regole per la fabbricazione di pale. L’analisi dei dati di impianto consente di scoprire le cause originali dei difetti. Formalizzando le best practice in regole scritte con un linguaggio naturale si può sfruttare e riutilizzare la conoscenza acquisita.

Monitorando i dati di fabbrica, è possibile quantificare il rischio di difetti e sviluppare un “controllo di processo agevole”, consentendo agli esperti di ricavare, ottimizzare e validare un insieme robusto di best-practice operative facilmente comprensibili.

DOW - PAD. 7.3 STAND K19

Soluzioni cutting-edge Al JEC Europe 2014 DOW esibirà i più recenti sviluppi di sistemi compositi per applicazioni nell’ambito transportation, industrial, infrastructure e wind. Fondate sul know-how di DOW nella scienza dei materiali e con la combinazione unica di chimica poliuretanica ed epossidica di DOW con la joint venture Dow Aksa per la fibra di carbonio e derivati, queste soluzioni permettono la produzione efficiente di compositi dalle proprietà elevate, leggeri e più durevoli. Dow e Dow Aksa invitano i visitatori a vedere e apprendere di più sui compositi in nuove applicazioni ottimizzando processi di fabbricazione come il filament winding, la pultrusion, la long fiber injection, il resin transfer molding, l’infusione e altri.

Un nuovo componente del portfolio di soluzioni composite Dow sarà introdotto con la serie VoraforceTM TW 1100 di sistemi poliuretanici per filament winding (che verrà presentata anche al JEC Technical Sales Forum). Esplorando il mondo delle infrastrutture con il filament winding, “questa nuova serie permette il rinforzo continuo e la produzione di strutture tubolari come quelle usate nei pali dell’infrastruttura elettrica” spiega Francesca Pignagnoli, Market Manager per i compositi industriali di Dow, “dimostrando la possibilità di usare il poliuretano in questo processo e permettendo così di utilizzarne le speciali caratteristiche di toughness”. Fatta per performare in condizioni ambientali critiche, la nuova serie a base di poliuretano completa la famiglia esistente di Dow Voraforce TWTM 100 a base di sistemi epossidici per il filament winding di serbatoi in pressione, tubi e rulli compositi. Come special highlight, la divisione Dow Automotive dimostrerà il concetto di “mass reduction for mass production” con il lancio del nuovo sistema a matrice epossidica Dow VoraforceTM 5300 per high-pressure Resin Transfer Molding (RTM). Dow presenterà anche un ulteriore evoluzione della sua famiglia di sistemi epossidici AirstoneTM per i clienti del settore eolico.

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HP COMPOSITES - PAD. 7. 2 STAND D68

Un partner per l’automotive Il core business di HP Composites è legato al mondo automotive. Tutti i suoi tecnici esprimono il proprio know-how tecnologico su attività di prototipazione, sviluppo prodotto, ingegneria di prodotto, industrializzazione, sviluppo di tecnologie e processi, produzioni industriali racing e speciali. HPC, la cui struttura è situata nella “Carbon Valley’’ del Piceno nelle Marche, è partner ideale nella trasformazione dei materiali compositi avanzati attraverso la gestione dell’intero processo produttivo e l’utilizzo delle tecnologie più avanzate per tutti i campi di applicazione.

HPC coniuga semplificazione, integrazione e tempi record di realizzazione, mantenendo un livello eccellente nel peso, proprietà strutturali e qualità. Un esempio di applicazione delle sue capacità è la produzione del nuovo telaio Tatuus FR2.0 che ha consentito di risparmiare il 30% di peso incrementando notevolmente la rigidezza rispetto alla versione precedente.

L’approccio è stato seguire due filosofie di scuola giapponese: quella del “Kaizen”, ovvero del miglioramento continuo, dell’effi-

PRO-SYSTEMS - PAD. 7.3 STAND B26

Innovazione nei tessuti di carbonio Pro-Systems SpA, società affermata a livello internazionale per la grande gamma di tessuti e prodotti per la protezione balistica e anti coltello multi-hit, offre una vasta gamma di tessuti e pre-pregs per il segmento dei compositi avanzati. Il range di prodotti per compositi comprende tessuti in fibre di carbonio e fibre aramidiche, tessuti ibridi, tessuti unidirezionali, tessuti in fibre di vetro, polietilene e polipropilene ad alto modulo. Tutti i tessuti possono essere forniti impregnati con sistemi di resine polimeriche termoindurenti (epossidiche, fenoliche, melamminiche) e termoplastiche. Vengono inoltre proposti tessuti in fibre di carbonio accoppiati con film speciali ad alta resistenza, sviluppati dal suo team R&D, tra i quali spicca la linea CarbonVel™.

I tessuti CarbonVel™, oltre ad esaltare l’aspetto visivo caratteristico del tessuto in fibra di carbonio, offrono una grande morbidezza e sono gradevoli al tatto, garantendo un’alta resistenza all’abrasione ed ai raggi ultravioletti. Sono destinati alle applicazioni di alto livello nel segmento del rivestimento di interni nei settori automotive e nautica, nel settore dell’arredamento per la realizzazione di pezzi di alto design nonché nel segmento della pelletteria.

La società è certificata ISO 9001 e offre attraverso i propri laboratori di ricerca e controllo assistenza tecnica qualificata.

cienza raffinata quotidianamente fino ai minimi dettagli della stratificazione, della precisione dei layer e la standardizzazione dei tempi di deposizione e lavorazione meccanica; quella del “Kaikaku” ovvero lo stravolgimento radicale della sezione tooling per permettere una migliore industrializzazione e razionalizzazione visti la cadenza produttiva richiesta. Basti pensare che le centine sono realizzate in tecnologia RTM, una vera mosca bianca nelle applicazioni racing. Seguendo questa linea di percorso, HPC si è presentata ogni anno al JEC Composites con una famiglia di prodotti che spaziano dal racing high-end alle innovative soluzioni con RTM nella variante proprietaria ad alte prestazioni.

NETZSCH PAD. 7.3 STAND R23

Risultati DSC più riproducibili, facili e veloci Uno strumento di facile uso, che garantisca risultati rapidi e riproducibili, è il punto di partenza per lo sviluppo del nuovo Netzsch DSC 214 Polyma, uno strumento ottimizzato per il settore dei polimeri, completo di nuovi accessori per la preparazione dei campioni e di un software flessibile e di facile uso. Il cuore del nuovo DSC 214 Polyma comprende la nuova fornace Arena, per alte velocità di riscaldamento e di raffreddamento, il nuovo sensore Corona e i crogioli Concavus, unici nel loro genere. Questo trio di elementi perfettamente combinati consente analisi veloci e riproducibili.

La preparazione dei campioni è resa ancora più facile grazie al nuovo SampleCutter, esclusiva di Netzsch, e alla nuova “3in1 Box”, la confezione antistatica che facilita il prelievo, l’uso e l’archiviazione dei 96 crogioli Concavus inclusi. La vera ottimizzazione del tempo è ottenuta grazie alla nuova funzionalità SmartMode del software di misura.

Metodi predefiniti e calibrazioni automatiche permettono di far partire un’analisi premendo semplicemente un bottone.

Inoltre, la nuova funzione AutoEvaluation stabilisce un vero standard nella valutazione dei risultati delle analisi. Per la prima volta è possibile determinare automaticamente gli effetti termici riportati nelle curve analitiche.

Un ulteriore nuovo sviluppo software è Identify. Questo algoritmo consente l’identificazione di polimeri ignoti. In aggiunta, Identify compara i risultati provenienti dalle routine di controllo-qualità con i dati salvati per condizioni standard di materie prime, permettendo così la veloce valutazione della qualità del materiale in entrata.

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Anteprima JEC 2014 ORMAMACCHINE - PAD. 7.3 STAND P70

Presse per la produzione di parti in carbonio Una delle principali tecnologie di lavorazione dei materiali compositi è l’utilizzo della pressa per stampaggio a iniezione di resina (RTM - Resin Transfer Moulding). Un sistema che consente di ridurre procedure e tempi di produzione, migliorando la qualità del prodotto finito, soprattutto per quanto riguarda le superfici, e risultando competitivo e flessibile rispetto alle tecnologie tradizionali con preimpregnati o in autoclave. La tecnologia RTM è impiegata per la produzione in serie di compositi con dimensioni diverse in un’unica pressa. Il ciclo di lavoro prevede il posizionamento di più strati di fibre (fibra di vetro o carbonio, sandwich o inserti) all’interno di uno stampo in pressa. Gli stampi sono generalmente in metallo per mantenere il calore durante la lavorazione. La resina liquida viene iniettata nello stampo impregnando le

fibre, per essere poi indurita in modo controllato. L’indurimento del materiale necessita di pochi minuti in pressione e il tempo dipende dallo spessore del materiale e dalla quantità di resina. Una volta che la resina è sufficientemente indurita, lo stampo può essere aperto e il pezzo rimosso.

Ormamacchine ha sviluppato esperienza nel processo RTM costruendo in particolare presse per la produzione di parti in carbonio. Le presse, con piano mobile inferiore o superiore, possono avere tutte le dimensioni desiderate dal cliente e pressioni da pochi chilogrammi a migliaia di tonnellate. Poiché l’estrazione del prodotto finito dallo stampo, la pulizia dello stampo e il caricamento del materiale nuovo richiede tempo, può essere utile eseguire queste operazioni fuori pressa e a tal fine la pressa può avere carrelli

shuttle per introdurre ed estrarre gli stampi, diminuendo in maniera consistente i tempi di ciclo. I piani pressa sono in acciaio massiccio con superfici lavorate a macchina utensile e garantiscono una tolleranza minima per la precisione delle lavorazioni. Gli stessi piani, riscaldati con olio diatermico o con resistenze elettriche, garantiscono temperatura precise e uniformità di trasmissione del calore. Da ultimo, le presse hanno tempi di chiusura e apertura veloci, con rallentamento in fase di chiusura e velocità regolabili in fase di andata in pressione, il tutto gestito da opportuno software.

XENIA - PAD. 7.2 STAND C27

Compositi termoplastici prestazionali per il metal replacement Xenia ingegnerizza e produce compositi a matrice termoplastica rinforzati, fibre e additivi funzionali per applicazioni che vanno dall’aerospazio al settore industriale passando attraverso il mondo dello sport. L’azienda al proprio interno dispone di un centro di ricerca e sviluppo a supporto delle proprie necessità, di un impianto pilota per lo sviluppo di compound a livello laboratorio nonché di impianti industriali per la produzione di serie. Inoltre, a completamento, dispone di un laboratorio di caratterizzazione in grado di effettuare test meccanici, termici e chimici.

Xenia, per rispondere alle esigenze dei suoi clienti, ha declinato due famiglie di prodotti dalle caratteristiche per formanti.

La prima famiglia, dalla denominazione

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Xecarb™, prevede una gamma di compound caricati con fibra carbonio. Rappresenta tutti i termoplastici più significativi, dai poliuretani sino ad arrivare al PEKK passando attraverso diversi tipi di poliammide (66-6/12-11-12) PEI e PPS. Per ogni singolo prodotto della famiglia è possibile trovare il rinforzato 30% fibra carbonio, mentre per alcuni si è giunti sino ad un rinforzo pari al 50%. Inoltre per alcune specialità, oltre ad aggiungere il carbonio, si è deciso di funzionalizzarle con l’aggiunta di PTFE per migliorare, oltre le caratteristiche meccaniche, anche quelle tribologiche.

La seconda famiglia di compound è invece contraddistinta dalla denominazione Xearam™. Si è deciso, per alcuni polimeri base, di migliorare le loro caratteristiche tribologiche modificandoli con

l’aggiunta di fibra aramidica sia nella versione standard che nella versione ad alto modulo qualora si volesse anche aumentarne le relative prestazioni meccaniche.

I compositi termoplastici Xecarb™ e Xearam™ trovano il loro principale impiego nel campo del metal replacement laddove la riduzione dei pesi diventa un elemento chiave per il processo dell’innovazione: minor peso equivale minor impatto ambientale, migliori prestazioni sportive, maggior autonomia.

A supporto dei propri clienti e dei loro sviluppi l’azienda dispone di un proprio centro di engineering che prevede, oltre ad una parte di analisi e simulazione FEM, la possibilità di realizzare dei prototipi funzionanti e che possono essere testati nei diversi ambienti.

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Anteprima JEC 2014 SAATI - PAD. 7.3 STAND D19

Rivoluzionario sistema da stampi SAATI ES161

La richiesta del mercato di un materiale in grado di rispondere ad un target più performante nella costruzione di stampi in composito è alla base della realizzazione e dello sviluppo del sistema epossidico denominato ES161. Il sistema può essere lavorato in due fasi, sempre impiegando rampe di riscaldamento molto lente in modo da avere sotto controllo gli effetti termici legati alla forte esotermia della reazione di reticolazione, considerando anche gli elevati spessori dei pezzi da realizzare. Nella prima fase di indurimento, il materiale mostra un’ottima versatilità alle basse temperature (40°-55°C), permettendo di realizzare parti perfettamente consolidate e prive di difetti superficiali. Nel secondo step, post-cura a 180°C, il sistema riesce a combinare un’alta temperatura di servizio (>190°C) con un elevato grado di stabilità dimensionale, garantendo un’alta durabilità a seguito di molti cicli di lavorazione simulati opportunamente in camera climatica. Tali caratteristiche sono rese possibili dalla presenza di resine epossidiche performanti, di un nuovo tenacizzante di natura termoplastica, di fillers inorganici e di opportuni catalizzatori innovativi. In particolare, l’utilizzo del tenacizzante termoplastico, perfettamente disperso, consente al materiale di raggiungere alte temperature senza problemi di fragilità.

L’impiego di fillers inorganici di nuova concezione, aventi particelle di diametro differente opportunamente calcolato, determina un effetto tampone di contenimento/assorbimento dell’elevato calore che si sviluppa nel corso della reazione di reticolazione. Il beneficio che ne deriva è la forte attenuazione di fenomeni di accumulo localizzato di calore alla base della dilatazione termica che determina la comparsa di porosità superficiali, la variazione dimensionale del pezzo finito e quindi l’invecchiamento precoce con conseguente riduzione della vita del materiale. La compatibilità del sistema ES161, per quanto concerne la sua lavorabilità, sia su stampi di natura epossidica che su tavole poliuretaniche è risultata ottima. ES161 è disponibile sia con supporto in vetro che in carbonio, le sue caratteristiche principali sono: • indurimento a bassa temperatura: 14h a 45°C oppure 7h a 55°C • post-cura del pezzo curato a bassa temperatura senza supporto • temperatura di servizio dopo post-cura: >190°C (dopo 5h a 180°C) • stabilità dimensionale dello stampo post-curato garantita per 250 cicli di lavorazione • ottima finitura superficiale del pezzo post-curato • vita utile del preimpregnato a temperatura ambiente (23°C): 3-4 giorni • appiccicosità del preimpregnato: alta ma lavorabile • formulazione priva di solvente.

TERRUZZI - PAD. 7.2 STAND Q66

Autoclave di 7.000 x 30.000 mm Recentemente, nella città di Pechino (Rep.Pop.Cinese) è stata completata l’installazione di una nuova autoclave per una società cinese leader nella fabbricazione di velivoli aeronautici. L’autoclave, con diametro utile di 7 m e lunghezza utile di 30 m, è stata interamente costruita in campo per mezzo di manodopera locale gestita e coordinata tramite totale super visione dall’Italia, acquisendo localmente i materiali ritenuti più standard, impor tando invece dall’Italia i “Key-Equipment” e tutti quei componenti che fanno par te del know-how Terruzzi che sono determinanti all’ottenimento delle per formance richieste.

Per il dimensionamento di ciascun componente è stato condotto un accurato studio di fluidodinamica integrato poi all’ingegneria dell’autoclave. Di conseguenza ogni attività e acquisto è stato progettato e valutato in modo capillare. Questa strategia operativa, consolidata in Terruzzi, garantisce la qualità del prodotto finito, le performance richieste e l’ottimizzazione in termini di risparmio energetico.

La principale peculiarità di questa autoclave è l’utilizzo di tre 3 motori ventilatori, (di conseguenza tre giranti) installati sul fondo dell’autoclave che, grazie alla particolare geometria del plenum di aspirazione, ottimizza flusso e uniformità dell’aria su tutta la lunghezza.

Per quanto concerne il sistema di riscaldamento (elettrico per scelta del cliente) il calcolo termico ha determinato per la sola batteria dell’autoclave una potenza massima di 4 Mw; gestiti interamente da tiristori sul principio dell’”Energy Saving”. Infatti il sistema di controllo dell’autoclave gestisce l’utilizzo di ciascun elemento riscaldante garantendone l’omogeneo utilizzo e di conseguenza la vita utile.

L’intero impianto, quindi non la sola autoclave ma anche i ser vizi tecnologici necessari al suo funzionamento, sono da intendersi gestiti in ridondanza con PLC connessi a due PC anch’essi ridondati.

Tutto il sistema compreso lo S.C.A.D.A. (software applicativo) è di totale concezione e fabbricazione Terruzzi.

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VETRINA Polynt

Global System International

Resine vinil estere per compositi ad alte prestazioni

4.000 tonnellate pronte a stampare

I

A

compositi a base di fibra di carbonio (CFRP) sono usati in numerose applicazioni industriali, in particolare nel settore aereonautico, automobilistico ed eolico con un consumo mondiale stimato nel 2013 di oltre 70 Ktons, in costante crescita.

Le matrici più comunemente utilizzate per il CFRP sono resine termoindurenti epossidiche, in grado di garantire ottima adesione alle fibre ed elevate proprietà meccaniche sia statiche che a fatica.

Negli ultimi anni Polynt ha dedicato numerose risorse della propria struttura di ricerca per lo sviluppo di resine ibride epossi vinilesteri in grado di combinare la versatilità applicativa tipica delle resine poliestere con l’elevata compatibilità con la fibra di carbonio propria delle resine epossidiche. Da questa ricerca è nata la DISTITRON®VE 104, una resina vinil estere uretanizzata.

Il prodotto è utilizzato internamente da Polynt per produrre un compound a base di fibre di carbonio preparato con la tecnologia SMC (Sheet Moulding Compound). Il compound, una volta stampato, è stato approvato da un importante gruppo automobilistico per la produzione di parti strutturali delle proprie autovetture.

Numerosi altri clienti stanno omologando il prodotto nel settore automobilistico, per produzione di componenti meccanici e di profili strutturali.

Attraverso la propria consociata americana PCCR, Polynt sta proponendo in Europa una nuova famiglia di resine vinilestere tenacizzate, modificate con Core Shell per aumentarne la tenacità, che consentono di ottenere materiali compositi con superiore resistenza alla propagazione di cricche e a fatica.

Le microsfere presenti nella resina sono infatti in grado di deformarsi dissipando energia durante l’impatto aumentando la resistenza all’ur to e inoltre agiscono da terminatori di propagazione di microfessurazioni aumentando la resistenza alla delaminazione.

Questi prodotti stanno iniziando a vedere il loro utilizzo per quelle applicazioni dove la resistenza all’impatto è molto importante come per la produzione di caschi o di compositi ad uso balistico e per materiali che richiedono un’alta resistenza a fatica quali, ad esempio, le pale eoliche.

Queste resine vinil estere sono utilizzabili con numerose tecnologie produttive come lo stampaggio a caldo, la pultrusione, l’infusione o l’RTM. ■

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fine 2011 Global System International, società specializzata nello stampaggio, assemblaggio e verniciatura di componenti strutturali in materiale plastico per mezzi agricoli, camion e auto, oltre che per il settore elettrico, lancia la sua nuova sfida, par tendo dall’idea di por tare lo stampaggio dei materiali compositi in un mercato in for te ascesa nel panorama economico mondiale, quale è quello brasiliano. Nel 2012 i primi passi: viene definito il modello della nuova realtà industriale GSI do Brasil, in linea con la vincente strategia aziendale “think global, be local”, che ga-

Sistema operativo innovativo I

Irop

rop opera dal 1960 nella costruzione di autoclavi a chiusura rapida, in particolare per la polimerizzazione dei materiali compositi. Omologata con SELO Cina e con i principali Enti di Collaudo Europei, costruisce e collauda le sue macchine secondo la Direttiva “PED” 97/23/CE. Il ciclo di polimerizzazione avviene normalmente in aria pressurizzata, con riscaldamento elettrico oppure ad olio diatermico con modulazione entrata olio nel circuito di scambio dell’autoclave. Il raffreddamento del fluido in autoclave, avviene con modulazione entrata acqua nel circuito di scambio (acqua a perdere o a circuito chiuso con torre di raffreddamento). Il rivelamento della temperatura avviene con termocoppie tipo “J” o “K”.

Ogni autoclave è dotata di linee di aspirazione a vuoto nei sacchi contenenti i manufatti. Tutto ciò è corredato da una valvola automatica di aspirazione, da una di “via vent” e da una presa di rilevamento collegata ad un manovuotometro e ad un trasmettitore di pressione. Prima dell’inizio del ciclo, si esegue pre-set di vuoto per verifica della tenuta.

Le macchine sono dotate di un innovativo Sistema Operativo Irop, appositamente sviluppato e costituito da un PLC ed un PC industriale videografico a colori tipo touch-screen e da software interattivo per la ge-

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rantisce una presenza a livello globale con impianti produttivi nei mercati locali dove sono presenti i clienti big. Un passaggio indispensabile per soddisfare le esigenze di clienti che operano in tutto il mondo e per i quali poter contare su un fornitore globale diventa sempre più impor tante. Una strategia che si concretizza attraverso l’aper tura di siti in mercati con for ti potenzialità di sviluppo. E così nel 2013 viene avviata la costruzione di tre impianti dislocati in Brasile: un Headquar ter per lo stampaggio, l’assemblaggio e la verniciatura a Sete Lagoas (che sarà inaugurato a giugno 2014) e due GSI Modul Center per l’assemblaggio e la verniciatura a Curitiba e a Horizontina che saranno avviati rispettivamente a marzo e aprile di quest’anno. Il concetto di GSI Modul Center nasce dalla ferma volontà di sod-

stione del sistema operativo autoclave in remoto su rete LAN. Il sistema permette di memorizzare ricette dei cicli produttivi, visualizzare ed intervenire sui dati di processo in tempo reale, archiviare dati per la rintracciabilità, far controllare in modo automatico il ciclo di funzionamento.

IROP ha inoltre sviluppato una nuova linea di autoclavi tipo “A” a risparmio energetico le cui principali caratteristiche sono riduzione del peso, miglioramento dell’isolamento interno, aumento della portata di ricircolo dell’aria pressurizzata e migliore distribuzione dell’aria canalizzata, migliore parzializzazione della regolazione durante il riscaldamento: il risultato è stata una riduzione del consumo energetico per ogni ciclo di polimerizzazione di circa il 20%.

La gamma di prodotti per l’industria dei compositi di Irop offre anche i forni F-HT, in svariate dimensioni e caratterizzati da soluzioni innovative quali: • modularità della struttura portante • sistema di ventilazione multipla e con velocità variabile in base al manufatto da trattare • sistema di rilevamento delle temperature in ambiente per la regolazione • possibilità di scelta della regolazione in aria o in cascata • possibilità di variare la velocità dell’aria all’interno della camera

disfare sempre più le esigenze attuali dei clienti, offrendo un ser vizio completo di alta qualità, logisticamente efficace ed ef ficiente, oltre che a costi contenuti. Fiore all’occhiello dell’Headquar ter brasiliano sarà l’installazione di una pressa di stampaggio a compressione ver ticale di 4.000 tonnellate e piani da 4200x2800mm, l’unica con

questa capacità produttiva presente in Sud America. In futuro, una volta avviata la produzione dei siti brasiliani, l’impegno di GSI sarà principalmente rivolto al consolidamento e ampliamento degli impianti di verniciatura a Curitiba e Horizontina, oltre che all’installazione entro i prossimi 3 anni di due ulteriori presse a Sete Lagoas.

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• ricircolo aria orizzontale/verticale a doppia canala • selezione linee di vuoto operative • Via Vent automatico per ogni linea di vuoto selezionata • esecuzione test di tenuta del sacco da vuoto durante il ciclo di polimerizzazione • esecuzione test “fuori ciclo” di tenuta sacco da vuoto prima dell’inizio del ciclo di polimerizzazione • modularità del tipo di riscaldamento: elettrico oppure ad olio diatermico

• di lavaggio aria interno forno dopo il ciclo di polimerizzazione • perfetta uniformità di temperatura (± 2°C) • bassa temperatura delle pareti esterne (max 30°C), punti termici esclusi, • doppio sistema di raffreddamento con piccole o grandi portate d’acqua • sistema di gestione e controllo IROP di ultima generazione (PLC e PC) con la possibilità di gestione remota da rete Ethernet e di supervisione interattiva da rete Interne.

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Autoclave a chiusura rapida Irop

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Lamiflex

Rulli e tubi per applicazioni flexo and packaging

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amiflex, specializzata da oltre trent’anni nel settore dei materiali tecnici compositi, offre ai suoi clienti una completa assistenza alla progettazione e alla prototipazione dei pezzi attraverso fornitori selezionati che garantiscono la fornitura di prodotti innovativi di qualità.

La presenza di un team di provata esperienza e aperto agli stimoli provenienti dalla ricerca, composto da tecnici, ingegneri, disegnatori, prototipatori e collaudatori, consente all’azienda di progettare e produrre rulli tesi al costante miglioramento delle prestazioni e nel pieno rispetto dell’ambiente. Nel reparto di Ricerca e Sviluppo, che si avvale dei più recenti ed innovativi mezzi di progettazione ed analisi, nascono i nuovi prodotti che l’azienda promuove sui diversi mercati mondiali. La costante ricerca di nuovi materiali è supportata dall’ausilio di un laboratorio chimico-fisico dove è possibile controllare la durezza dei materiali (Durometro ROCKWELL) e la rottura per impatto (Pendolo analogico IZOLCHARPY), da una saletta climatizzata per eseguire test meccanici di fatica ed usura dei materiali a temperatura ed

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umidità controllata, da una cella termostata e un forno in grado d’arrivare a 250°C. Dal know-how di Lamiflex, e grazie a un apparato tecnologico all’avanguardia, nascono soluzioni per la realizzazione di rulli e tubi in composito con matrici epossidiche, che offrono i seguenti vantaggi: bassa inerzia meccanica, elevata rigidità, massima resistenza, facilità di assemblaggio, riduzione delle masse, minori vibrazioni, flessibilità progettuale (sezioni cilindriche, ovali e coniche), resistenza alla corrosione, aumento della vita dei cuscinetti, minor manutenzione, ridimensionamento degli organi di moto in downsizing, stabilità termica e aumento della produttività grazie alle maggiori velocità raggiungibili.

Ogni rullo e tubo ha un ruolo specifico in ogni macchina (rullo di rinvio, rullo folle, rullo tenditore, rullo guida, rullo di contatto, rullo di compressione, rullo inchiostrazione cilindri). I materiali di rivestimento vengono selezionati sulla base di durezza all’abrasione e resistenza al calore e agli agenti chimici. I rivestimenti possono essere realizzati con plasma-

coating, teflonatura, gommatura e verniciatura. I rulli, rimangono dimensionalmente stabili per un ampio range di temperature (fino a 120°C) con coefficiente di dilatazione termica molto ridotto (2-3 * 10-6) e presentano un grado di conducibilità elettrica che garantisce un funzionamento sicuro in caso di dissipazione delle correnti elettrostatiche e resistività superficiale < 1,5* 10-1 Ohm*cm.

I pesi molto contenuti dei componenti in fibra di carbonio, rispetto agli equivalenti in metallo, sono spesso capaci di soddisfare i requisiti suggeriti dalla LEGGE 626, per i quali un operatore non dovrebbe movimentare manualmente pesi superiori ai 25-30 kg. Robusti e leggeri, nonostante i pesi contenuti, i rulli presentano una rigidità che fornisce una bassissima inerzia rotazionale, consentendo accelerazioni e decelerazioni rapide con la riduzione/eliminazione di rotture, slittamenti, sfregamenti dei materiali in bobina (car ta, film) durante la lavorazione. In tal modo i rulli in fibra di carbonio consentono di aumentare la velocità critica e mantenere un controllo migliore di tutto il processo.

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Riciclo

Frammentazione elettromeccanica La nuova via del riciclo

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ostenibilità è una parola chiave per il futuro dei compositi. Un concetto che riguarda l’intero ciclo di vita dei materiali. Una delle strade più promettenti sotto questo aspetto è rappresentato dallo sviluppo e impiego di tecniche di riciclo sempre più avanzate ed efficienti. L’idea di scomporre un prodotto, giunto alla fine del suo ciclo di vita, nei suoi componenti, in modo da riutilizzarli per produrre un nuovo manufatto con proprietà simili a quelle di partenza, offre infatti enormi benefici, tra i quali la riduzione degli scarti da conferire in discarica, il recupero di preziose materie prime, con benefici enormi sotto il profilo economico ed ambientale.

L’interesse verso le possibilità di riciclo dei compositi è forte in tutti i settori applicativi. Particolarmente sensibile al tema è il comparto dell’edilizia, per via dei grandi volumi in gioco. Basti pensare che solo in Italia, ogni anno, vengono generati oltre 35 milioni di tonnellate di rifiuti inerti solo dalle demolizioni. Una contabilità approssimata per difetto, in quanto a tale cifra occorre poi aggiungere le quantità di scarti provenienti dalle fasi di costruzione, scorie e rifiuti speciali.

Una soluzione al problema può venire dalla Germania, dove il Fraunhofer Istitut für Bauphysik (Fraunhofer IBP), un istituto di ricerca attivo nel campo della fisica delle costruzioni, ha messo a punto una macchina di frammenta-

zione elettrodinamica per la disgiunzione di materiali compositi edili, come cemento e plastiche rinforzate con fibre di carbonio. Il prototipo della macchina è stato presentato a Bolzano lo scorso gennaio, in occasione di Klimahouse, la mostra convegno dedicata all’edilizia sostenibile.

Il principio adottato dai ricercatori tedeschi per la messa a punto della nuova tecnologia è basato sull’impiego di impulsi elettrici. In pratica, il composito viene posizionato tra due elettrodi immersi nell’acqua che inviano scariche di una certa durata. L’impulso elettrico attraversa i bordi dei grani che compongono il corpo solido dove incontra una minor resistenza.

Quando l’impulso attraversa il corpo e raggiunge il secondo elettrodo, si forma un canale plasmatico. La dilatazione di questo canale nel corpo rigido genera una elettroesplosione

con una certa onda d’urto e temperatura. L’onda d’ur to viene riflessa dalla parete e produce un’onda di pressione che aumenta l’esposizione dei singoli componenti del corpo solido. In tal modo il materiale viene scomposto e separato nei suoi componenti.

La tecnologia sviluppata presso i laboratori di Holzkirchen, in Baviera, sede del Fraunhofer IB, rispetto ad altri sistemi distruttivi più tradizionali, come la spaccatura o tritatura del composito, presenta un grande vantaggio: la divisione netta delle fasi. Infatti, mentre con l’impiego di metodi meccanici le forze applicate sono distribuite su tutto il materiale, con la macchina a frammentazione elettrodinamica l’energia è concentrata sui bordi dei grani e delle fasi.

In questo modo, dopo la frammentazione le componenti del materiale si presentano spesso separate tra di loro.

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Compotec 2014

Finalmente segnali di ripresa

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i è chiusa lo scorso 7 febbraio la sesta edizione di Compotec, la rassegna internazionale dedicata all’industria dei materiali compositi che ha luogo ogni anno a Marina di Carrara.

Per il quarto anno la manifestazione si svolta insieme a Seatec, la rassegna delle tecnologie e subfornitura nautica.

Se le due ultime edizioni avevano risentito del difficile momento economico a livello mondiale, l’evento di quest’anno ha mostrato i primi segnali di ripresa e un deciso miglioramento della situazione a livello generale. Sensazione testimoniata dai numerosi visitatori che hanno affollato i corridoi della fiera e dalla soddisfazione espressa dagli espositori per il numero e la qualità dei contatti allacciati.

Sembra, insomma, che la ripresa del settore sia finalmente in corso, anche se occorrerà attendere i prossimi mesi per avere conferme in tal senso, sebbene il clima appaia decisamente positivo.

Oltre 8.000 i visitatori che hanno preso parte all’evento, circa il 10% in più dell’anno scorso, con il 5% delle presenze provenienti dall’estero, mentre 80 sono stati gli espositori, 21 dei quali esteri.

Presente anche una delegazione di oltre 50 operatori stranieri, coordinata da ICEAgenzia per la promozione all'estero e l'internazionalizzazione delle imprese italiane e CarraraFiere, con cui sono stati organizzati incontri B2B in fiera con gli espositori.

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I CONVEGNI Fino dalla prima edizione di Compotec, CarraraFiere ha presentato dei convegni tecnici dedicati alle innovazioni tecnologiche nel settore dei materiali compositi. Eventi sempre caratterizzati da contenuti innovativi e dalla presenza di relatori di alto livello. Anche quest’ultima edizione ha confermato la regola, grazie a un programma speciale capace di attrarre un pubblico vasto e interessato.

Nel corso delle tre sessioni, di mezza giornata ciascuna, sono stati affrontati tutti i temi più “hot” del settore: dall’impiego della stampa 3D, che utilizza materiali speciali per applicazioni nell’alta tecnologia, alle più recenti innovazioni nel compar to della robotica, dalle più recenti tecnologie produttive per l’industria automobilistica alla fibra di carbonio, star dell’industria dei compositi.

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Sistemi poliuretanici ed epossidici VORAFORCETM per compositi industriali.

Proprieta' strutturali, performance, leggerezza.

VORAFORCE TM TW 100 / TW 1100 series Filament Winding Systems VORAFORCE TM TP 200 series Pultrusion Systems VORAFORCE TM TF 300 series Infusion Systems VORAFORCE TM TH 400 series Hand Layup Systems VORAFORCE TM TR 500/1500 series Resin Transfer Molding & SRIM VORAFORCE TM TL 1600 series Long Fiber Injection (LFI) Systems VORAFORCE TM TL 1700 series Composite Spray Systems VORAFORCE TM TJ 1800 series Reinforced RIM (RRIM) Systems VORAFORCE TM TN 1900 series Light Weight Spray Preg Systems Sede DOW Italia Srl | DOW Italia Div. Commerciale | Via Carpi 29, 42015 Correggio (RE) | Tel 0522 6451 | www.dow.com

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