Numero 41 - Settembre 2016

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anno XI - numero 41

ISSN 2499-6890

Organo ufficiale di Assocompositi

settembre 2016

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04/02/2016 18:11

Editoriale

Prof. Roberto Frassine, Presidente Assocompositi

Launch of the EuCIA Eco Impact Calculator for composites

Lancio ufficiale dell’Eco Impact Calculator per i compositi

In July EuCIA announced the launch of the online Eco Impact Calculator. The Eco Calculator provides an easy way to calculate the environmental impacts of composite parts from ‘cradle-to-gate’ without the need of a deep knowledge of LCA methodology.

It includes the raw materials, processing and waste impacts of the part up and till the gate of the part producer. The Eco Impact Calculator incorporates a pre-defined set of material data from EcoInvent 3.1 and EU producer based process data following ISO 40040/44 methodology. It also allows the user to enter own conversion process data, generating a more precise result for the individual producers.

Users can calculate, save and export the environmental impacts of as many different composite parts as they need. An EcoReport (pdf) can be generated summarizing the results for the part under study. The Eco Calculator will be extended in the coming months with an extra function to generate records for import in LCA software SimaPro. This first version of the Eco Impact Calculator is temporarily offered free of charge since it is still under development.

The materials and processes are under continuous review and industry is continuously asked to provide more data to further expand and improve the tool. The new tool will surely support the composites industry to face future market opportunities and challenges. The Eco Impact Calculator is an initiative of EuCIA and is developed by EY CCaSS and BiinC (both from the Netherlands).

Lo scorso luglio EuCIA ha annunciato il lancio online dell’Eco Impact Calculator. Lo strumento fornisce un modo semplice per calcolare, senza la necessità di una profonda conoscenza della metodologia LCA, l’impatto ambientale dei componenti in compositi “cradle-to-gate”.

Quest’ultimo comprende le materie prime, la lavorazione e l’impatto dei rifiuti fino “ai cancelli” del produttore. L’Eco Impact Calculator incorpora un set predefinito di dati sui materiali da Ecoinvent 3.1 e dati produttivi EU in accordo con la metodologia ISO 40040/44; consente inoltre all’utente di inserire i propri dati di produzione, generando così un risultato più preciso per ogni singolo utilizzatore.

Gli utenti possono calcolare, salvare ed esportare gli impatti ambientali di tutti i differenti componenti in composito di cui hanno bisogno. Può essere quindi generato un EcoReport (in pdf) che riassume i risultati del componente oggetto di studio. Nei prossimi mesi lo strumento sarà potenziato con una funzione extra per importare i dati LCA nel software SimaPro. Questa prima versione del calcolatore è offerta gratuitamente dal momento che è ancora in fase di sviluppo. I materiali e i processi, infatti, sono in fase di costante revisione e l’industria è continuamente sollecitata a fornire nuovi dati per espandere e migliorare il calcolatore.

Il nuovo strumento sarà un valido supporto per l’industria dei compositi per affrontare le opportunità e le sfide future del mercato. L’Eco Impact Calculator, finanziato interamente da EuCIA, è stato sviluppato dalle due società olandesi EY CCaSS e BiinC.

To test it visit the website: http://ecocalculator.eucia.eu/

Per utilizzarlo visitate il sito http://ecocalculator.eucia.eu/

Compositi

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Sommario

Anno XI – Numero 41 Year XI – Issue 41 Settembre 2016 September 2016 Periodicità trimestrale Quarterly review abbonamento Italia € 25,00 abbonamento Estero € 50,00 una copia € 7,00

EDITORIALE

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VITA ASSOCIAZIONE

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Verso un Eurocodice sulle strutture FRP

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Toward a Eurocode on FRP Structures Luigi Ascione

FRP nel retrofitting di infrastrutture stradali storiche

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FRP elements in a historical road infrastructure Otello Bergamo, Gaetano Russo

Calcestruzzo confinato con FRCM: analisi sperimentale della risposta meccanica

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Rapid Repair of Concrete Columns Chris Pantelides

Malte a base di biocalce e fibre di canna comune

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Biolime based mortars and vegetable fibers of giant reed Dionisio Badagliacco, Alessio Lipari, Antonino Valenza

Compositi e ambiente possono andare d’accordo!

Composites and the environment can be a perfect fit!

Ben Drogt

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VETRINA

43-44 VETRINA 45 Bio compositi a basso impatto ambientale Bio-composites with low environmental impact

Il progetto “GreenBraid”

The project “GreenBraid” M.I. Popzyk, J. Schäfer, T. Gries, W. Böttger, C. Fahrenbrach, S. Woelders

FRCM confined concrete: experimental analysis of the structural response Luciano Ombres

Riparazione rapida di pilastri in calcestruzzo

I tiranti anti-terremoto in fibra 36 di carbonio 37 Green buildings: a European common language La sezione CESMA “Giulio Douhet” a supporto del settore Aerospaziale

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Il progetto ginestra: ricerca, risultati e applicazioni

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Motore in plastica stampato in 3D con il Peek FIERE: Advanced Engineering 2016 set for its return Fabbricazione e prototipazione rapida

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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 Impaginazione Layout Andrea Mantica Stampa - Printed by Grafteam - Brescia È vietata la riproduzione, anche parziale, senza l’autorizzazione della casa editrice Reproduction even partial is forbidden, without the permission of the publisher Direttore responsabile Publishing manager Liliana Pedercini Coordinamento di redazione Editing Co-ordination Anna Schwarz Sandra Sisinni

The project Spanish Broom Giuseppe Chidichimo

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Fabrication and prototypes Sara Coppola, Pietro Ferraro

VETRINA Dagli NDT tradizionali alla tomografia

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

63 66

27

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Ufficio Commerciale Sales office Sara Sturla Comitato Tecnico – Scientifico Technical Scientific Committee Luigi Ascione Andrea Benedetti Roberto Frassine Alfonso Maffezzoli Orazio Manni Mario Marchetti Claudio Migliaresi Carlo Poggi Marino Quaresimin Andrea Ratti Giuseppe Sala Antonino Valenza Maurizio Vedani A questo numero hanno collaborato Contributors Luigi Ascione Dionisio Badagliacco Otello Bergamo Willem Böttger Giuseppe Chidichimo Sara Coppola Ben Drogt Christoph Fahrenbrach Pietro Ferraro Josefina Lindblom Alessio Lipari Luciano Ombres Chris Pantelides Marie-Isabel Popzyk Gaetano Russo Jens Schäfer Thomas Gries Antonino Valenza Sjoerd Woelders

Compositi

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Ottimo bilancio per la 4ª Scuola Estiva compositi

Assocompositi, in collaborazione con Università di Salerno e SAMPE Italia, ha organizzato a Salerno dal 6 all’8 settembre la quarta edizione della Scuola Estiva sui materiali compositi.

Tra le aziende partecipanti Mapei, Netzsch Gerätebau (che ha anche effettuato una dimostrazione con strumentazione per i controlli dei compositi con analisi termica), Arup Italia e Ruredil.

Si sono tenute anche lezioni a cura di ETH Zurich, Politecnico di Milano, Università di Napoli, Università del Salento, Università di Salerno e CIRA (Centro Italiano Ricerche Aerospaziali).

La Scuola ha incluso anche una visita aziendale presso Tecno Tessile Adler, il più grande stabilimento industriale italiano destinato alla produzione di componenti in fibra di carbonio per l’industria automotive, rivolto in particolare alla realizzazione del nuovo telaio in fibra di carbonio per la 4 C Alfa Romeo. L’evento si è riconfermato quale importante appuntamento biennale per ricercatori, studenti, tecnici e progettisti per l’approfondimento delle proprie competenze e della propria preparazione tecnica su proprietà, tecnologie di processo, progettazione e nuove applicazioni sui materiali compositi. Gli atti della Scuola saranno online nel sito dell’Associazione entro fine dicembre. Ringraziamo molto per il supporto gli sponsor della scuola, Mapei e Netzsch Gerätebau. La Scuola è stata seguita, il 9 settembre, dalla 3ª Edizione Giornata sul Grafene e Ossido di Grafene, organizzata da Università di Salerno, Consorzio Interuniversitario di Scienza e Tecnologia dei Materiali e AIM. Il convegno è stato un importante momento di confronto sullo stato dell’arte della ricerca sul grafene e sulle sue applicazioni industriali.

EcoCalculator di EuCIA gratis per i nostri Soci

Siamo orgogliosi di annunciare che lo scorso luglio è stato lanciato ufficialmente l’Eco Impact Calculator di EuCIA. Il nuovo tool fornisce un modo semplice per calcolare l’impatto ambientale “cradle-to-gate” dei componenti in materiali compositi. I nostri Soci possono utilizzarlo gratuitamente. Visitate il sito web dell’Eco Calculator: http://ecocalculator.eucia.eu/ Per ulteriori informazioni è anche possibile contattare Ms. Diana de Graaf della società EY Sustainability (diana.de.graaf@ nl.ey.com, Phone +31 621251976) che insieme a BiinC ha collaborato allo sviluppo del tool.

JEC World 2017

L’appuntamento annuale con il Padiglione Italia è rinnovato dal 14 al 16 marzo 2017 presso la fiera di Paris Nord Villepinte. Assocompositi ha avviato per l’occasione un’importante collaborazione con ICE (Agenzia per la promozione all’estero e l’internazionalizzazione delle imprese italiane). Ulteriori informazioni e l’offerta per i Soci saranno comunicate entro la prima metà di settembre.

Area Workshop a SAIE 2016

Per la prossima edizione di SAIE, che si terrà a Bologna dal 19 al 22 ottobre, Bologna Fiere propone ai nostri Soci l’allestimento all’interno del Pad. 26 (dedicato alle tecnologie) di un’area espositiva collettiva all’interno della quale sarà creato uno spazio per workshop pratici sui vari tipi di rinforzo strutturale con i compositi. Assocompositi coordinerà il programma dei workshop. Ai nostri associati verrà inoltre riservata una scontistica speciale sugli stand. Il progetto prevede l’adesione di un minimo di 5 aziende. Per informazioni: info@assocompositi.it

CALENDARIO PROSSIMI EVENTI Fiere

Conferenze

Experience Composites 21-23 settembre, Germania

Graphene World Summit 19-20 settembre, USA

WindEnergy Hamburg 27-30 settembre, Germania

I controlli non distruttivi nelle applicazioni aerospaziali 21 settembre, Italia

IBEX 4-6 ottobre, USA

Nuovo Socio

Siamo lieti di dare il benvenuto tra i nostri Soci a Comec Innovative, azienda attiva dal 1965, con sede a Chieti, specializzata nella produzione di macchinari e componenti per vari settori industriali, compreso quello dei compositi.

Per info: www.comecinnovative.it

A Düsseldorf per Composites Europe 2016

Ancora pochissimi stand rimasti nel Padiglione Italia a Composites Europe 2016. L’area collettiva (situata nella Hall 8A) avrà come sempre una Lounge comune interna con bar e tariffe scontate per i nostri Soci. Il layout dell’area e i dettagli dell’offerta possono essere richiesti alla Segreteria Assocompositi.

3rd International Conference & Exhibition on Thermoplastic Composites 11-12 ottobre, Germania SAIE 19-22 ottobre, Bologna K2016 19-26 ottobre, Germania

GoCarbonFibre 2016 11-13 ottobre, Germania International Composites Conference by Composites Germany 28-29 novembre, Germania Cyclitech 6-7 dicembre, USA

Composites Engineering Show 2-3 novembre, UK JEC Asia 15-17 novembre, Singapore Composites Europe 2016 29 novembre-1ºdicembre, Germania

Compositi

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Luigi Ascione – Dipartimento di Ingegneria Civile, Università di Salerno

Verso un Eurocodice sulle strutture FRP Il lavoro presenta l’attività di standardizzazione che il Comitato CEN/TC250 sta sviluppando sul tema della progettazione e verifica delle strutture composite realizzate con FRP (Fibre Reinforced Polymer). Recentemente, il Comitato ha licenziato un rapporto tecnico-scientifico sull’argomento, che è ora sottoposto ad inchiesta pubblica da parte degli Organismi di Standardizzazione dei vari Paesi membri della Comunità europea. L’attività è orientata alla approvazione da parte del CEN/TC250 di un Eurocodice strutturale sul tema emergente delle costruzioni di FRP.

I

l CEN/TC250, il Comitato Tecnico dell’Unione Europea incaricato di sviluppare gli Eurocodici strutturali, ha preso l’iniziativa di preparare un documento incentrato su finalità e motivazioni dei nuovi regolamenti tecnici e delle normative associate per il progetto e la verifica di strutture composite realizzate con FRP (Fibre Reinforced Polymer, polimero fibrorinforzato). Il CEN/TC250 ha formato il Working Group CEN WG4, presieduto dal Prof. Luigi Ascione, per arrivare alla pubblicazione di uno speci-

fico eurocodice sulle strutture realizzate con elementi di FRP. Il Working Group, dopo circa tre anni di attività e molte riunioni, ha redatto una prima proposta di rapporto tecnico-scientifico. I successivi aggiornamenti alla bozza sono stati presentati e discussi in occasione delle riunioni del CEN/TC250.

Recentemente, nel gennaio 2016, il rapporto è stato pubblicato dal JRC (Joint Research Centre of Ispra) col titolo “Prospect for New Guidance in the Design of FRP” (Prospettive di nuove linee guida

nella progettazione di FRP) [1] ed è ora soggetto a inchiesta pubblica.

L’attività normativa condotta dal WG4 è supportata da EuCIA (European Composites Industry Association) come liaison organization.

TENDENZE NEL SETTORE DELLE COSTRUZIONI Nel corso degli ultimi vent’anni, molte soluzioni innovative hanno confermato l’utilità delle strutture composite realizzate con FRP, sia in Europa che altrove. Le ti-

D I V E R S I T I P I D I S T R U T T U R E F R P R E A L I Z Z AT E I N E U R O PA

Fig. 1: Kolding, Danimarca. Ponte pedonale e ciclabile realizzato al 100% in profili pultrusi GFRP. Il ponte è lungo 40 m e il suo peso totale è 120 kN. La capacità di carico è di 5 kN/ m2. Il ponte è stato ispezionato dopo una durata di servizio di 15 anni e non è stato trovato alcun danno. Appaltatore: Fiberline Composites A/S, Middelfart, Danimarca, 1997.

Fig. 2: Hellisheidi, Islanda. Torre di raffreddamento 100% GFRP con struttura a telaio travi-pilastri costituita da più di 100 t di profili strutturali pultrusi. Appaltatore: Fiberline Composites, 2008.

Fig. 3: Karrebæksminde, Danimarca. Ristrutturazione di un ponte mobile stradale dove sulla vecchia struttura d’acciaio è stato installato un impalcato in GFRP pultruso ed è stato sospeso lateralmente un ponte pedonale e ciclabile fatto al 100% di GFRP pultruso per aumentare la capacità. È il primo ponte stradale danese realizzato con un impalcato in composito. Sostituisce un impalcato di legno che doveva essere sostituito/restaurato ogni 5 anni circa. L’installazione del ponte è stata eseguita di notte per minimizzare l’interruzione del traffico, ed è stata completata nel giro di qualche ora. Appaltatore: Fiberline Composites, 2011.

Fig. 4: Chiesa di S. Maria Paganica, L’Aquila (Italia). Sostituzione del tetto della Chiesa, danneggiato dal terremoto dell’Aquila nell’aprile 2009. Elementi in GFRP pultruso. Progettisti: prof. Salvatore Russo, ing. Alessandro Adilardi. Appaltatore: Top Glass S.p.A, Osnago (LC), 2010.

Compositi

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- Verso un Eurocodice sulle strutture FRP -

Fig. 5: Plessis Robinson, Francia. Eliporto realizzato con profili GFRP pultrusi. Una soluzione molto efficiente in termini di sicurezza antincendio, peso e rapidità di installazione.

Appaltatore: TH Composites, France.

Fig. 6: Spieringsluis, Werkendam, Paesi Bassi. Prima chiusa in FRP nei Paesi Bassi, installata a Werkendam. La larghezza totale della chiusa è di 6 m. Dimensioni dei pannelli: larghezza 3.5 m, altezza 6.5 m. Sviluppata su ordinazione del Rijkswaterstaat mediante la commissione SMOZ. Prodotta da Polymarin in collaborazione con DSM (resine), PPG (rinforzo in fibra di vetro) e Bekaert (profili pultrusi), 2000.

Fig. 7: Friedberg Bridge, Germania. Ponte autostradale in costruzione. Il ponte – lungo 27.0 m e largo 5.0 m – consiste in due travi d’acciaio coperte da una innovativa piattaforma multicella fatta con profili GFRP “FBD 600” della Fiberline. I profili strutturali prefabbricati in composito sono stati incollati in situ sulle due travi in acciaio. Appaltatore: Fiberline Composites, 2008.

Fig. 8: Ponte di S. Mateus, Viseu. Passerella pedonale ibrida con una campata di 13.3 m e una larghezza di 2 m. Realizzata con due putrelle in acciaio unite a un impalcato in GFRP multicella con connessioni a scatto tra i pannelli. Progettista: Mário Sá, Portogallo, 2013.

pologie principali di FRP prese in considerazione nel documento redatto dal WG4 sono i GFRP (Glass Fibre Reinforced Polymers, polimeri rinforzati con fibra di vetro) e CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymers, polimeri rinforzati con fibra di carbonio). Queste soluzioni sono spesso imposte da necessità specifiche, come la richiesta di velocità di allestimento in cantiere o la necessità di una superiore resistenza ad ambienti aggressivi, che a sua volta riduce i costi complessivi e di manutenzione. Inoltre, la leggerezza del composito FRP rende più facili la costruzione e il varo della struttura, offrendo anche un vantaggio geotecnico per tutte le strutture che poggiano su terreni deformabili.

L’elevato rapporto resistenza/peso degli Fig.13: Collegamenti tra Eurocodici.

FRP permette quindi una maggior capacità di resistenza ai carichi rispetto ai materiali da costruzione convenzionali.

In questo contesto, l’uso di profili, strutture a guscio e pannelli sandwich in FRP è particolarmente vantaggiosa per applicazioni nel campo dell’ingegneria civile.

Le strutture portanti in FRP sono perciò ampiamente usate nella costruzione di edifici a scopo industriale o residenziale.

L’uso di FRP è anche sempre più diffuso nelle opere di ingegneria civile e spazia da chiuse a interi ponti o impalcati di ponti per traffico pedonale e veicolare.

Le tecniche di produzione più frequentemente adottate per le strutture di FRP nell'ambito di edifici e opere di ingegneria civile sono la pultrusione e l’infusione di resina sottovuoto, anche chiamata Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM). Altri processi produttivi comuni sono il prepregging, il lay-up manuale, il filament winding e il compression moulding.

Si può dedurre un’idea del volume di mercato che gira intorno agli FRP in Europa dai seguenti dati relativi all’ultimo quinquennio: la sole produzione totale annuale di GFRP (Glass Fibre Reinforced Polymer) è stata di circa un milione di tonnellate, di cui il 35% era per il settore delle costruzioni civili.

LA NECESSITÀ DI LINEE GUIDA EUROPEE In ragione del loro costante aumento di volume di mercato e data la complessità

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delle strutture in FRP, si è rivelata ovvia la necessità di sviluppare un documento normativo sia per la produzione di elementi strutturali in FRP che per una regolamentazione pratica della progettazione e della verifica di strutture da usarsi in edilizia e nelle opere di ingegneria civile.

Vari paesi hanno contribuito allo sviluppo delle linee guida attualmente disponibili [2-9].

Il numero crescente di applicazioni strutturali degli FRP ha portato a un crescente aumento di interesse da parte dei ricercatori a livello mondiale, con una profusione di conferenze internazionali e conseguentemente di contributi scientifici. Queste attività sono indirizzate sia alla modellazione meccanica e alla verifica di modelli numerici, sia a indagini su campioni di laboratorio e su prototipi in scala reale. Inoltre, numerose riviste internazionali sono oggi specificatamente dedicate a lavori concernenti i materiali compositi e strutture FRP usati in edilizia e nelle opere di ingegneria civile.

L’esperienza acquisita finora attraverso la realizzazione di strutture composite FRP in molti paesi europei e non, così come la comprensione teorica e sperimentale ottenuta in questo campo, rendono oggi possibile sviluppare un insieme unico di linee guida dirette ai paesi della Comunità Europea.

Queste linee guida possono raccogliere un corpo di regole basate sul significativo progresso scientifico e tecnologico acquisito dai paesi membri in questo

Fig. 9: Salavat, Russia. Torre di raffreddamento 100% GFRP con struttura a telaio travi-pilastri costituita da più di 100 t di profili strutturali pultrusi. Appaltatore: Fiberline Composites, 2007.

Fig. 10: Golf Club in Aberfeldy (Scozia). La lunghezza del ponte pedonale strallato è di 113 m e la campata principale è di 63 m. I due piloni e l’impalcato sono realizzati con GFRP, mentre gli stralli sono costituiti da cavi di fibra aramidica. Le sole parti non in composito sono le fondamenta, che sono in cemento armato, e i giunti di acciaio tra gli stralli e la passerella pedonale, 1992.

Fig. 11: Passaggio a livello sulla linea ad alta velocità Madrid-Barcellona, nelle vicinanze della città di Lleida (Spagna). Passerella pedonale con profili in GFRP. La passerella è larga 3 m e lunga 38 m. Appaltatore: Fiberline Composites, 2004.

Fig. 12: Münchensteinerstrasse, Basilea. Eyecatcher Building, realizzato con travi pultruse in GFRP. L’edificio consiste in 5 piani per un totale di 15 m di altezza; a superficie ammonta a 120 m2. Appaltatore: Fiberline Composites, 1999.

campo, così da poterlo applicare alla progettazione e alla realizzazione di strutture composite in FRP. INTERFACCIA CON GLI EUROCODICI EN PER LA PROGETTAZIONE STRUTTURALE E PROSSIMI PASSI Le nuove norme tecniche europee proposte per le strutture FRP sono legate ai principi e ai requisiti fondamentali degli Eurocodici EN. Perciò le norme tecniche per queste strutture non sono regole indipendenti, bensì integrano norme degli Eurocodici EN relativi (fig. 13) identificando e distinguendo le differenze tra la progettazione di nuove strutture realizzate con FRP e quella eseguite con materiali tradizionali.

La fase di inchiesta pubblica durerà fino al 22 luglio 2016 ed è affidata agli enti normativi nazionali dei paesi europei.

I commenti inviati dagli enti normativi nazionali saranno considerati ed esaminati dal WG4, che redigerà una revisione del rapporto. Quindi, dopo la pubblicazione del rapporto (Step 1), sono attesi i seguenti due passaggi:

derà se le CEN Technical Specifications debbano essere convertite in parti dell’Eurocodice.

STRUTTURA DEL RAPPORTO Il rapporto è costituito da nove capitoli e otto allegati per un totale 138 pagine. In particolare, i capitoli e gli allegati sono dedicati ai seguenti argomenti: Capitoli • Prefazione • Capitolo 1: Generalità • Capitolo 2: Basi di progettazione (Metodo dei Fattori Parziali) • Capitolo 3: Materiali • Capitolo 4: Durevolezza (Radiazione UV; Temperatura; Umidità; Carica statica; Infiammabilità) • Capitolo 5: Basi di Progettazione Strutturale (Comportamento in caso di incendio; Progetto assistito da test) • Capitolo 6: Stati limite ultimi (Profili pultrusi; Lastre e gusci laminati; Pannelli sandwich)

• Step 2: dopo il consenso del CEN/ TC250 sul rapporto revisionato, preparazione e pubblicazione delle CEN Technical Specifications (precedentemente note come ENV).

• Capitolo 7: Stati limite di esercizio (Deformazioni; Vibrazione e Comfort; Danneggiamento)

• Step 3: dopo un periodo di prova d’uso e commento, il CEN/TC250 deci-

• Capitolo 9: Produzione, realizzazione, gestione e manutenzione.

• Capitolo 8: Connessioni (Giunzioni avvitate e incollate)

Allegati • Allegato A: Sul fattore di conversione per effetti di scorrimento viscoso • Allegato B: Valori indicativi per le proprietà di fibre, resine, ply e laminati • Allegato C: Sul valore nominale di compressione che causa l’instabilità • Allegato D: Sul momento flettente che causa l’instabilità • Allegato E: Sull’instabilità locale nel pannello d’anima • Allegato F: Sull’instabilità di lastre simmetriche ortotropiche • Allegato G: Leggi costitutive semplificate di interfaccia per giunzioni incollate • Allegato H: Test a fatica.

CONCLUSIONI La disponibilità di linee guida per il settore dell’edilizia e delle costruzioni faciliterà la libera circolazione di materiali FRP e le attività delle aziende imprenditrici e di consulenza all’interno della Comunità Europea. Questo campo offre tutte le prospettive di un’espansione progressiva, con un impatto di natura economica notevolmente positivo. Un tale sviluppo sarebbe senza dubbio favorito dall’esistenza di un corpo di regole condivise così da assicurare un livello uniforme di qualità e sicurezza nella produzione e nell’uso di strutture FRP.

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Luigi Ascione – Department of Civil Engineering, University of Salerno

Toward a Eurocode on FRP Structures CEN/TC250 is developing the standardization activity about the topic of the design and verification of composite structures realized with FRP (Fibre Reinforced Polymer). A scientific and technical report has been recently published by the Technical Committee 250, which is now subjected to a public inquiry by the National Standardization Bodies of the various Countries of the European Community. The activity is addressed to draw up a structural Eurocode on this emerging topic.

C

EN/TC250, the Technical Committee of the European Union, appointed to develop the structural Eurocodes, has taken the initiative to prepare a document addressing the purpose and justification for new European technical rules and associated standards for the design and verification of composite structures realized with FRPs (Fibre Reinforced Polymer). CEN/ TC250 formed a CEN Working Group WG4, chaired by Prof. Luigi Ascione, to further develop the work item. The Working Group, after about three years of activity and many meetings, drew up a first proposal of Scientific Technical Report. The successive update drafts have been presented and discussed on the occasion of the meetings of CEN/TC250.

Recently, in January 2016, the report has been published by JRC (Joint Research Centre of Ispra) with the title of “Prospect for New Guidance in the Design of FRP” [1] and is now subjected to public inquiry.

The standardization activity carried out

by WG4 is supported by EuCIA (European Composites Industry Association), as liaison organization.

TRENDS IN THE CONSTRUCTION SECTOR Over the last twenty years, several innovative solutions have confirmed the usefulness of composite structures realized with FRPs, both within and outside Europe. The main types of FRP in consideration here are GFRP (Glass Fibre Reinforced Polymers) and CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymers). These solutions are often imposed by specific needs such as the requirement for speed of assembly on site or the necessity for an enhanced resistance to aggressive environments, which in turn reduces overall and maintenance costs. In addition, the lightweight of the FRP composite makes the assembly and the launch of the structure easier, besides offering a geotechnical advantage for all structures that have to rest on deformable soils. The superior strength to weight ratio of FRP thus al-

lows for a greater load bearing capacity, when compared to conventional building materials.

Within this context, the use of FRP profiles, shell structures and sandwich panels is particularly advantageous for applications in the Civil Engineering field. FRP bearing structures are therefore widely used for the construction of buildings for industrial or residential purposes. FRP usage is also increasingly widespread for civil engineering works and ranges from lock gates, to entire bridges or bridge decks both for pedestrian and vehicular traffic.

The most frequently used FRP manufacturing techniques for buildings and civil engineering works are pultrusion and vacuum assisted resin infusion also called Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM). Other common manufacturing processes are prepregging, hand lay-up, filament winding and compression moulding.

An idea of the market volume that revolves around the FRPs in Europe can be deduced from the following data relative to the latest five-year period: the total annual production for GFRP (Glass Fibre Reinforced Polymer) only was about 1 Million tons, of which 35% was for the civil construction field.

NEED FOR EUROPEAN GUIDELINES Because of their steadily increasing market volume and given the complexity of FRP structures, it became obvious that it is necessary to develop a standardization document for both the production of FRP structural elements and the practical rules for the design and verification of structures to be used for buildings and civil engineering works.

Several countries have contributed to the development of currently available guidelines [2-9].

The increasing number of structural FRP applications has led to a growing interest from researchers around the world, with a profusion of international conferences and scientific contributions as a re-

sult. These activities address both mechanical modelling and testing of numerical models, as well as studies on laboratory samples and real scale prototypes.

In addition, numerous international journals are now specifically dedicated to work discussing FRP composite materials and structures used in building and civil engineering works.

The experience so far gained through the realization of FRP composite structures in many European and non-European countries, as well as the theoretical and experimental understanding gained in this field make it possible today to develop a single set of guidelines aimed for the EC countries. These guidelines can compile a body of rules based on the considerable scientific and technological progress achieved by member countries in this field, to be applied to the design and execution of FRP composite structures.

INTERFACE TO THE EN EUROCODES FOR STRUCTURAL DESIGN AND NEXT STEPS The proposed new European technical rules for Fibre Reinforced Polymer Structures are related to the principles and fundamental requirements of the EN Eurocodes. Thus, the technical rules for such structures are not self-standing rules but they complement rules of the relevant EN Eurocodes (fig.13) by identifying and distinguishing the differences between the design of new structures made with FRPs and that realized with traditional materials.

The phase of public inquiry will last till July 22, 2016 and is entrusted to the NSBs (National Standardization Body) of the European Countries.

The comments sent by the NSBs will be taken into account and will be examined by WG4, which will draw up a revision of the report. So, after the publication of the report (Step 1), the following other two steps are expected: Step 2: after agreement of CEN/TC250 on the revised document, preparation and publication of CEN Technical Spec-

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- Toward a Eurocode on FRP Structures ifications (previously known as ENV).

Step 3: after a period for trial use and commenting, CEN/ TC250 will decide whether the CEN Technical Specifications should be converted into Eurocode Parts.

STRUCTURE OF THE REPORT The report is composed of nine chapters and eight annexes for a total of 138 pages. In particular, the chapters and the annexes are devoted to the following topics.

Chapters • Preface • Chapter 1: General • Chapter 2: Basis of Design (Partial Factors Method) • Chapter 3: Materials • Chapter 4: Durability (UV Radiation; Temperature; Humidity; Static Charge; Fire) • Chapter 5: Basis of Structural Design (Behaviour in the case of Fire; Design assisted by Testing) • Chapter 6: Ultimate Limit States (Pultruded profiles; Laminated plates and shells; Sandwich Panels) • Chapter 7: Serviceability Limit States (Deformations; Vibration and Comfort; Damage) • Chapter 8: Connections (Bolted and Adhesive Joints) • Chapter 9: Production, Realization, Management and Maintenance.

Annexes • Annex A: About the conversion factor for creep effects • Annex B: Indicative values of Fibres, Resins, Play and Laminate Properties • Annex C: About the design compression value which causes the instability • Annex D: About the bending moment which causes the instability • Annex E: About the Local instability in the Web Panel • Annex F: About the Instability of Orthotropic Simmetrical Plates • Annex G: Simplified constitutive interface laws for adhesive joints • Annex H: Fatigue Testing.

CONCLUSIONS The availability of Guidelines for the building and construction sector will facilitate the free movement of FRP materials and the activities of consulting or contracting companies within the European Community. This field offers all the prospects for a progressive expan-

14

Compositi

sion, with substantial positive impacts of economic nature. Such a development would undoubtedly be favoured by the existence of a body of shared rules able to ensure a uniform level of quality and safety in the production and the use of FRP structures.

on the side to increase capacity. It is the first Danish road bridge made with a composite deck. It replaces a wooden deck that had to be replaced/renovated about every 5 years. The installation of the bridge was performed at night to minimize the interruption of the traffic, and it was completed within a few hours. Contractor: Fiberline Composites, 2011.

REFERENCES

Fig. 4: S. Maria Paganica Church, L’Aquila (Italy). Replacing the roof of the church damaged by the earthquake of April 2009. GFRP pultruded members. Designers: prof.

Salvatore Russo, ing. Alessandro Adilardi. Contractor: Top Glass S.p.A, Osnago (LC), 2010.

[1] Prospect for New Guidance in the Design of FRP (Luigi Ascione, Jean-François Caron, Patrice Godonou, Kees van IJselmuijden, Jan Knippers, Toby Mottram, Matthias Oppe, Morten Gantriis Sorensen, Jon Taby, Liesbeth Tromp), Report EUR 27666 EN, European Commission, Joint Research Centre, Institute for the Protection and the Security of the Citizen, (2016).

[2] EUROCOMP, Structural Design of Polymer Composites (Design Code and Handbook, Finland, France, Sweden, UK, 1996); [3] CUR 96, Fibre Reinforced Polymers in Civil Load Bearing Structures (Dutch Recommendation, 2003); [4] BD90/05, Design of FRP Bridges and Highway Structures (The Highways Agency, Scottish Executive, Welsh Assembly Government, the Department for Regional Development Northern Ireland, May 2005); [5] DIBt, DIBt – Medienliste 40 für Behälter, Auffangvorrichtungen und Rohre aus Kunststoff, Berlin (Germany, May 2005); [6] CNR-DT 205/2007, Guide for the Design and Construction of Structures made of Pultruded FRP elements (Italian National Research Council, October 2008); [7] ACMA, Pre–Standard for Load and Resistance Factor Design of Pultruded Fiber Polymer Structures (American Composites Manufacturer Association, November 2010); [8] DIN 13121, Structural Polymer Components for Building and Construction (Germany, August 2010); [9] BÜV, Tragende Kunststoff Bauteile im Bauwesen [TKB] – Richtlinie für Entwurf, Bemessung und Konstruktion (Germany, 2010).

All the mentioned figures refer to the Italian version Examples of different kinds of FRP composite structures realized in Europe Fig. 1: Kolding, Denmark. Pedestrian and cycle bridge from 100% pultruded GFRP profiles. The bridge is 40 m long and 3.2 m wide. Its total weight is 120kN. The load capacity is 5 kN/m2. The bridge was inspected after 15 years’ service life and no damage was found. Contractor: Fiberline Composites A/S, Middelfart, Denmark, 1997.

Fig. 2: Hellisheidi, Iceland. 100% GFRP cooling tower as a beam-column system made from more than 100 t of pultruded structural profiles. Contractor: Fiberline Composites, 2008.

Fig. 3: Karrebæksminde, Denmark. Renovation of a bascule road bridge where a pultruded GFRP deck was installed on the old steel structure, and a pedestrian and cycle bridge from 100% pultruded GFRP profile was hung

Fig. 5: Plessis Robinson, France. Helipad made with pultruded GFRP profiles. A very efficient solution in terms of fire protection, weight and quick installation. Contractor: TH Composites, France.

Fig. 6: Spieringsluis, Werkendam, the Netherlands. First FRP lock-gate in the Netherlands, installed in Werkendam. Total width of the lock is 6 m. Dimensions of each panel: width 3.5 m, height 6.5 m. Has been developed on request from Rijkswaterstaat through the SMOZ-committee. Produced by Polymarin in cooperation with DSM (resins), PPG (glass fibre reinforcement) and Bekaert (pultruded profiles), 2000.

Fig. 7: Friedberg Bridge, Germany. Motorway bridge under construction. The bridge - length 27.0 m and width 5.0 m, consists of two steel beams covered by an innovative multi-cell platform made of Fiberline’s ‘FBD 600’ GFRP profiles. The precast composite structural profiles were glued in-situ on the two steel beams. Contractor: Fiberline Composites, 2008.

Fig. 8: S. Mateus Bridge, Viseu. Pedestrian hybrid footbridge with a span of 13.3 m and 2 m of width. Made of two steel girders bonded to a multi-cellular GFRP pultruded deck with panel-to-panel snap-fit connections.

Designer: Mário Sá, Portugal, 2013.

Fig. 9: Salavat, Russia. 100% GFRP cooling tower as a beam-column system made from more than 100 t of pultruded structural profiles. Contractor: Fiberline Composites, 2007.

Fig. 10: Golf Club in Aberfeldy (Scozia). The length of the cable-stayed pedestrian bridge is 113 m long and has a main span of 63 m. The two piers and the deck are made with GFRP, while the stays are made of aramid fibre cables. The only parts that are not in composite are the foundations that are made of reinforced concrete, and the steel connection between the stays and the pedestrian walkway, 1992.

Fig. 11: Railway crossing over the high speed line Madrid-Barcelona, near Lleida city (Spain). Pedestrian walkway with GFRP profiles. The footbridge is 3 m wide and 38 m long. Contractor: Fiberline Composites, 2004.

Fig. 12: Münchensteinerstrasse, Basilea. Eyecatcher building made of GFRP pultruded beam. The building consists of 5 floors with a total of 15 m of height; the surface amounts to 120 m2. Contractor: Fiberline Composites, 1999.

Fig. 13: Links between Eurocodes

Otello Bergamo, Gaetano Russo – Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura Università degli Studi di Udine

FRP nel retrofitting di infrastrutture stradali storiche Uno studio ad elementi finiti e prove in situ condotte sul ponte ad arco in muratura del 1850 “della Castagnara” hanno dimostrato l’aumento della capacità della resistenza dell’infrastruttura in seguito all’inserimento sull’estradosso dell’arco di materiali fibrorinforzati a matrice polimerica ed il consolidamento delle spalle.

U

na grande quantità di infrastrutture storiche, ma ancora in funzione, necessitano la messa in sicurezza mediante l’adeguamento statico e sismico.

L’utilizzo, i fattori ambientali e le azioni a cui inevitabilmente le strutture sono sottoposte nella loro esistenza comportano una continua erosione dei margini di sicurezza con cui le strutture erano state progettate [1-4]. Le tecniche di retrofitting scelte molto spesso utilizzano materiali innovativi, tra questi sono annoverati i materiali fibrorinforzati a matrice polimerica FRP come nel caso del ponte “della Castagnara”.

Essendo questi materiali sempre più diffusi ed impiegati nell’ultimo decennio, sono state sviluppate le prime normative di riferimento nella progettazione per il calcestruzzo rinforzato: ACI 440.2R08 (ACI Committee 440 2008) [5]; European fib-T.G. 9.3 (fib T.G. 9.3 2001) [6]; CNR-DT 200-04 (CNR, Commissione incaricata di formulare pareri in materia di normativa tecnica relativa alle costruzioni 2004) [7].

I nuovi codici nazionali ed internazionali mostrano la necessità di adeguamento di ponti esistenti sotto condizioni di carico statiche e sismiche.

Nonostante negli ultimi anni lo studio dei ponti venga effettuato prevalentemente nell’ambito delle costruzioni in acciaio o in calcestruzzo armato [8-10], vale la pena ricordare che i ponti storici in muratura realizzati da più di 2000 anni, come ad esempio i ponti Romani, sono ad oggi ancora fruibili, e sono soggetti ad analisi scientifiche da più di 300 anni.

Questo interesse per l’analisi dei ponti esistenti in muratura sorge da due ragioni fondamentali: la mancanza di conoscenza sulle condizioni di un dato ponte in muratura e la mancanza di procedure di analisi. Pertanto, la necessità di analizzare ponti ad arco in muratura e di descriverne il comportamento sotto diverse tipologie di carico non può essere che priva di dubbi.

Di seguito sarà valutato il comportamento sotto azioni statiche e dinamiche del ponte ad arco in muratura “della Castagnara”, situato a Padova, determinan-

Fig. 1: Posizionamento delle fibre di carbonio

Compositi

15

- FRP nel retrofitting di infrastrutture stradali storiche Muratura in mattoni pieni e malta di calce fm = 360

N/cm2

Resistenza caratteristica a compressione della muratura: fk = 270

N/cm2

Resistenza a taglio media della muratura:

τ0 = 9

N/cm2

Valore medio del modulo di elasticità normale:

E = 1800

N/mm2

Valore medio del modulo di elasticità tangenziale:

G = 300

N/mm2

Peso specifico medio della muratura:

γ=18

kN/m3

Resistenza media a compressione della muratura:

Tab. 1: Proprietà meccaniche della muratura in mattoni pieni e della malta di calce Rinforzo in tessuto unidirezionale in fibre di carbonio – tipologia: Carbostru UDHM400 Tipo di fibra:

Carbonio (alto modulo)

Orditura:

unidirezionale

Grammatura:

400

Spessore di progetto del tessuto secco:

w = 0,225 mm

Densità della fibra:

γ = 950

daN/m3

Resistenza meccanica a trazione:

f = 3000

MPa

Modulo Elastico longitudinale a trazione della fibra:

E = 390

GPa

Allungamento a rottura:

Δ = 0.8

%

g/m2

Tab. 2: Proprietà meccaniche del rinforzo in tessuto unidirezionale in fibre di carbonio Resina da impregnazione – tipologia: resina epossidica da impregnazione Colore:

trasparente

Resistenza meccanica flessione:

fb = 120

MPa

Resistenza meccanica a trazione:

ft = 70

MPa

Modulo Elastico longitudinale a trazione:

E=3

GPa

Temperatura di transizione vetrosa:

T = 85

ºC

Tab. 3: Proprietà meccaniche della resina da impregnazione Malta per superficie di preparazione al rinforzo – tipologia: Tassullo TBL – Betoncino leggero fibrorinforzato a base di FEN-X/A Resistenza a compressione (UNI EN 1015-11) – M2:

fb = 8

N /mm2

Modulo Elastico longitudinale a compressione:

E ≤ 6000

MPa

Adesione al laterizio:

a ≥ 0.2

N/mm2

Massa volumica:

γ = 950

daN/m3

Tab. 4: Proprietà meccaniche della malta per superficie di preparazione al rinforzo done i parametri di sicurezza principali a seguito di un retrofitting anche con FRP sull’estradosso dell’arco. I lavori rientrano nel PTR di Veneto Strade S.p.A. e sono finanziati dalla stessa che è proprietaria della SR 307.

DESCRIZIONE GEOMETRICA E DEI MATERIALI Il ponte in oggetto è in muratura, possiede una luce di 1550 cm ed una larghezza di 700 cm. La rimozione del manto stradale e del riempimento ha messo in evidenza la presenza di travi in c.a. che in-

16

Compositi

sistono, attraverso dei frenelli in laterizio, direttamente sul ponte ed hanno lo scopo di incrementare la larghezza complessiva del ponte sino a 930 cm circa.

Inoltre il ponte in muratura ha denunciato la presenza di un notevole rinfianco, anch’esso in laterizio, disposto lungo tutto l’estradosso della volta e a spessore variabile (50 cm in mezzeria e sino a 350 in prossimità delle imposte) se si assume come spessore dell’arco portante esclusivamente quello denunciato in prospetto (spessore 55 cm).

Per la valutazione dei parametri meccani-

ci della muratura dell’arco e dei piedritti si fa riferimento a quanto contenuto nella Tabella C8B.1 della Bozza di Istruzioni per l’applicazione delle Norme tecniche per le Costruzioni di cui al D.M. 14 gennaio 2008. I valori sono quelli previsti per un livello di conoscenza LC1 (valore minimo della forbice proposta) incrementati di 1.5, come indicato nella Tabella C8B.2, per tener conto dell’intervento di sigillatura dei giunti con malte di calce.

Per la valutazione dei parametri meccanici della muratura delle pareti si fa invece esclusivo riferimento alla Tab. 11.D.1 dell’Allegato 11.D dell’OPCM 327.

Nelle Tabelle 1, 2, 3 e 4 si riportano le proprietà meccaniche dei materiali esistenti e di quelli impiegati nelle operazioni di retrofitting.

I vantaggi degli FRP sono diversi e tra questi vale la pena ricordare l’elevata rigidezza, l’eccellente allineamento delle fibre, la possibilità d’impiego su diverse superfici (travi, colonne, pile, pareti, ecc.), la resistenza nei confronti di agenti chimici, ambientali e la polifunzionalità del materiale impiegabile, sia nel caso il rinforzo riguardi il comportamento flessionale dell’elemento strutturale, sia nel caso il rinforzo serva a migliorare il comportamento a taglio dello stesso.

PROGRAMMA SPERIMENTALE Il ponte è stato soggetto ad una campagna sperimentale caratterizzata dall’esecuzione di prove statiche e di prove dinamiche.

Retrofitting del ponte Si è proceduto con la realizzazione degli interventi scelti a cui è seguita una campagna sperimentale utile alla validazione dell’intervento. Questo iter è suggerito anche in letteratura [11-12].

L’intervento di retrofitting ha coinvolto la risarcitura delle lesioni e l’inserimento di tiranti metallici sui muri d’ala. Inoltre, la volta è stata oggetto dell’intervento più significativo che si è sviluppato in cinque fasi: • Studi di caratterizzazione dei materiali costituenti la volta (laterizio) al fine dell’elaborazione delle caratteristiche di comportamento strutturale e di aderenza delle fibre.

• Determinazione della qualità, quantità e posizionamento delle strisce in fibra di carbonio. Le seguenti fasi e caratteristiche sono state: -- preparazione della superficie volta -- pulizia e depolverizzazione delle superfici -- eliminazione delle lesioni estradossali esistenti e livellamento dei giunti di malta tra i vari conci eseguito con malta fibro–rinforzata a base di calce -- stesa di uno strato di primer epossidico bicomponente, avente lo scopo di penetrare nel supporto e consolidare

la parte superficiale dello stesso per aumentare l’aderenza tra supporto e composito -- stesa di uno strato di adesivo epossidico per garantire aderenza ed allineamento del rinforzo alla struttura -- stesa del primo strato di resina epossidica bicomponente per l’impregnazione delle fibre di carbonio -- applicazione dei nastri di fibre di carbonio -- stesa di un secondo strato di resina epossidica -- realizzazione di un opportuno ancoraggio perimetrale con rinforzi in acciaio, lungo le spalle del ponte e nella zona intermedia, per evitare l’innescarsi di meccanismi di pre-crisi (“debonding” del rinforzo) -- realizzazione di una cappa in calcestruzzo dello spessore di 5cm, armata con rete elettrosaldata φ 8/20×20, per la protezione delle fibre.

• Realizzazione dell’intervento di consolidamento mediante posa delle strisce di fibra su letto di malta rinforzata in carbonio ed appositi ancoraggi in acciaio (fig. 1).

• Riempimento dei vani con materiale arido misto cementato.

CONCLUSIONI È stato analizzato l’intervento di retrofitting di un ponte storico ad arco in muratura situato a Padova, mediante il tirantaggio dei muri d’ala, la risarcitura delle lesioni presenti e l’inserimento di FRP per il consolidamento della volta.

L’analisi non lineare condotta attraverso la realizzazione di modello F.E.M. mostra, oltre che un piccolo incremento del carico di rottura della struttura, un notevole aumento dello spostamento ultimo e quindi della duttilità. Si passa, infatti, da uno spostamento massimo di 26 mm per lo stato di fatto, ad uno spostamento di 120 mm per lo stato di progetto.

A seguito dell’intervento di retrofitting effettuato impiegando materiale fibrorinforzato a matrice polimerica FRP, non solo sono state incrementate la capacità portante e la capacità deformativa del ponte stesso, ma è anche stato possibile rinforzare la struttura in muratura rendendola verificata alle prescrizioni presenti in Normativa per quanto riguarda gli stati limite di esercizio e gli stati limite ultimi. Infine, è importante notare come l’intervento studiato sia riuscito a salvaguardare l’integrità del patrimonio storico culturale italiano rappresentato dal ponte “della Castagnara”.

C

M

Y

CM

MY

CY

CMY

K

Si ringrazia la società Veneto Strade S.p.A. nelle persone dell'AD Ing. Silvano Vernizzi e Dott. Giuseppe Franco.

BIBLIOGRAFIA – REFERENCES

[1] D.M. LL. PP. 04/05/1990, “Aggiornamento delle Norme Tecniche per la Progettazione dei Ponti Stradali”, 1990.

[2] Eurocode 1, “Action on Structures – Traffic Loads on Bridge”, 2003.

[3] Modena, C., Bergamo, O., Franchetti, P., Pellegrino, C., “Linee Guida per la Progettazione e l’Esecuzione di Ponti nin Zona Sismica”, Pubblicazione a cura di Veneto Strade, 2004.

[4] D.M. 14/01/2008, “Norme Tecniche per le Costruzioni”, 2008.

[5] American Concrete Institute (ACI), “Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening of concrete structure”, ACI 440.2-08, Farmington Hill, Mich., 2008.

[6] fib Bulletin 14, “Externally bonded FRP reinforcement for RC structures”, CH-1015, Lausanne, 2001.

[7] Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), “Instructions for design, execution and control of strengthening interventions through fiber-reinforced composites.” CNR-DT 200-04, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Rome, Italy, 2004.

[8] Russo, G., Bergamo, O., Damiani, L., “Il viadotto di Silea in veneto: verifica sismica secondo la normativa italiana e l’Eurocodice”, Ingegneria sismica 2008; 3: 24-35.

[9] Russo, G., Bergamo, O., Damiani, L., “Retrofitting a short span bridge with a semi-integral abutment bridge: the Treviso bridge”, Struct.

Eng. Int. 2009; 19(2): 137-141.

[10] Russo, G., Bergamo, O., Donadello, S., “Il viadotto di Dolcè: analisi sismica delle pile secondo la normativa italiana e l’Eurocodice”, Ingegneria Sismica 2010, XXVII(2): 49-61.

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Otello Bergamo, Gaetano Russo – Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura Università degli Studi di Udine

FRP elements in a historical road infrastructure Numerical analysis and in situ testing campaign performed on the masonry arch bridge “della Castagnara” – built in the 1850’s – have shown that the structure increases its load bearing capacity by the bonding by FRP strips on the extrados of the vault and the consolidation of the abutments.

N

owadays several historical infrastructures are in use, although the need to ensure the safety of them with a seismic and static structural retrofitting. Traffic loads and environmental factors lead to the decreasing of the design safety margins [1-4]. Recently the retrofitting techniques involves the application of new widespread materials such as FRP, and as result in the last decade the first design guidelines for the reinforced concrete were developed: ACI 440.2R08 (ACI Committee 440 2008) [5]; European fib-T.G. 9.3 (fib T.G. 9.3 2001) [6]; CNR-DT 200-04 (Italian Research Council Advisory Committee on Technical Recommendations for Construction 2004) [7].

GEOMETRY AND MATERIALS The bridge studied presents the following characteristics: • Length: 15,50 m • Width: 7,00 m

• Reinforced concrete beams –supported by fraenums- that increase the road width to 9,30 m • Variable thickness of the vault: 0,50 m – 3,50 m • Thickness of the arch: 0,55 m • Material properties are shown in Tables 1, 2, 3 and 4.

RETROFITTING Reinforcement has been made for the bridge and subsequent verifications, after the retrofitting, have been performed [11-12]. The retrofitting involved the insertion of a prestressed steel cable into the abutments and the consolidating injections to. Furthermore, the vault was retrofitted as well and its rehabilitation process consists of the following steps: • Determining the quality, quantity and positioning of the fibres: preparation and cleaning of the surfaces; recovering any existing cracks; positioning three epoxy layers; positioning the carbon fibres; repeating the last two

phases once more; establishment an anchorage perimetric steel reinforcements where it is necessary; realization of a concrete slab.

• Realization of the intervention with the positioning of the fibres • Filling with dry material.

CONCLUSIONS The results of the retrofit are: • Increasing of the bearing and the deformability of the structure to the necessary level of performance • Strengthening of the structure according to the design requirements in both service and ultimate limit states • Safeguarding of the historic architectural heritage.

All the mentioned figures refer to the Italian version Fig. 1: Positioning of carbon fibres. Tab. 1: Masonry properties. Tab. 2: FRP properties. Tab. 3: Epoxy resin properties. Tab. 4: Superficial mortar properties.

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Calcestruzzo confinato con FRCM: analisi sperimentale della risposta meccanica Analisi dell’efficacia dei sistemi di rinforzo in materiale composito fibrorinforzato a matrice cementizia (FRCM, Fabric Reinforced Cementitious Mortar) nel confinamento di elementi in calcestruzzo. L’analisi, sviluppata sui risultati sperimentali ottenuti mediante prove di compressione su provini cilindrici di calcestruzzo confinati con FRCM, consente di valutare l’influenza dei principali parametri meccanici e geometrici coinvolti sulla risposta meccanica del calcestruzzo confinato.

I

materiali compositi fibrorinforzati sono diffusamente utilizzati nel rinforzo di strutture esistenti in calcestruzzo armato danneggiate e/o deteriorate.

I sistemi di rinforzo comunemente usati per il rinforzo di strutture esistenti in calcestruzzo armato sono i compositi fibrorinforzati a matrice polimerica (FRP, Fibre Reinforced Polymers) realizzati con nastri e/o lamine di fibre unidirezionali immerse in matrice polimerica (in genere resina epossidica) ed i compositi fibrorinforzati a matrice cementizia (FRCM, Fabric Reinforcd Cementitious Mortar) costituiti da reti di fibre immerse in matrici a base cementizia. Tra i numerosi vantaggi ottenuti dall’uso dei due sistemi di rinforzo si evidenziano: l’elevato valore del rapporto resistenza/peso, la resistenza alla corrosione, la facilità e la rapidità di messa in opera.

Accanto a questi vantaggi, il sistema FRP presenta alcuni svantaggi legati principalmente alla presenza della matrice in resina epossidica; tra questi la scarsa resistenza alle elevate temperature ed al fuoco, l’inapplicabilità su superfici umide o bagnate ed alle basse temperature, il rischio tossicità per gli operai durante le applicazioni manuali, la scarsa compatibilità termica con il supporto in calcestruzzo, la scarsa reversibilità.

Il sistema FRCM, realizzato con rinforzo fibroso sotto forma di reti o griglie immerse in matrici a base cementizia, permette di ridurre od eliminare alcuni dei suddetti inconvenienti.

L’utilizzo delle reti e/o griglie di fibre è necessario per garantire l’aderenza tra le fibre di rinforzo e la matrice cementizia; a causa della propria granularità, infatti, la matrice non è in grado di avvolgere le singole fibre e quindi di garantire la trasmissione degli sforzi [1].

I sistemi FRP ed FRCM sono utilizzati per il confinamento di elementi strutturali in calcestruzzo; entrambi i sistemi limitano

le deformazioni trasversali dell’elemento confinato e generano uno stato triassiale di sforzo nel calcestruzzo.

Di seguito saranno descritti ed analizzati i principali risultati di sperimentazioni condotte su provini cilindrici in calcestruzzo confinati con PBO-FRCM (reti di PBO immerse in matrice cementizia) e C-FRCM (reti di fibre di carbonio immerse in matrice cementizia) al fine di valutare l’influenza dei principali parametri meccanici e geometrici sulla risposta meccanica del calcestruzzo confinato.

PROVINI CONFINATI CON C-FRCM La sperimentazione è stata condotta su 62 provini con sezione circolare (diametro 150 mm ed altezza 300 mm), quadrata (lato 150 mm ed altezza 300 mm) e rettangolare (150 x 300 mm di base ed altezza 300 mm) confinati con C-FRCM e C-FRP. In particolare 6 provini non sono stati confinati e quindi utilizzati come provini di riferimento, 41 provini (24 cilindrici) sono stati confinati con C-FRCM e 15 provini sono stati confinati con C-FRP. Lo scopo della sperimentazione è stato quello di analizzare l’efficacia del confinamento mediante FRCM e di confrontare le risposte strutturali dei provini confinati con FRCM e FRP. Le variabili con-

Fig. 1: Confinamento con rete di fibre di carbonio.

PBO-FRCM

C-FRCM

Ef (GPa)

270*

240*

ffu (MPa)

5800*

3404*

εfu (%)

2.15*

1.42 *

Em (GPa)

6. 0*

7.50 *

fcm (MPa)

15.0

–

ffm (MPa)

–

4.00

fcm = resistenza a compressione della matrice; ffm = resistenza a flessione della matrice; Em = modulo elastico della matrice * dato fornito dal produttore

Tab. 1: Proprietà meccaniche dei sistemi di rinforzo.

Fig. 2: Attrezzatura di prova.

Compositi

19

- Calcestruzzo confinato con FRCM: analisi sperimentale della risposta meccanica siderate sono state la resistenza a compressione iniziale del calcestruzzo, fc0 , ed il numero di strati di rinforzo. Il confinamento dei provini è stato eseguito manualmente come mostrato nella figura 1.

Le caratteristiche meccaniche del sistema di rinforzo sono riportate nella tabella 1; l’attrezzatura di prova e la strumentazione utilizzata per la misura degli spostamenti, del carico e della deformazio-

Provini

Numero di strati di fibra

Incremento di resistenza (%)

Indice di duttilità

Cilindrici

2

48.50

0.92

Cilindrici

3

61.00

0.97

Cilindrici

4

79.70

0.98

Prismatici (sez. quadrata)

1

15.00

0.97

Prismatici (sez. quadrata)

2

21.00

0.97

Prismatici (sez. quadrata)

3

54.50

0.97

Prismatici (sez. quadrata)

4

70.70

0.98

Prismatici (sez. rettangolare)

1

5.40

0.93

Prismatici (sez. rettangolare)

2

12.90

0.93

Prismatici (sez. rettangolare)

3

24.30

0.93

Tab. 2: Risultati sperimentali.

Fig. 3: Provini cilindrici: diagrammi carico assiale-spostamenti.

C-FRCM

C-FRCM

Fig. 4: Configurazioni di rottura dei provini confinati con C-FRCM e C-FRP.

20

Compositi

C-FRP

ne è mostrata nella figura 2.

La tabella 2 riporta, per i provini confinati con C-FRCM, i valori medi degli incrementi di resistenza di picco misurato nei provini confinati rispetto al valore della resistenza dei provini non confinati ed il valore dell’indice di duttilità calcolato sulla base dell’area sottesa dalle curve tensioni-deformazioni assiali [3]. Dai valori riportati in tabella si evidenzia che nei provini cilindrici e quadrati l’incremento di resistenza è rilevante e cresce con il numero di strati di rinforzo; nei provini a sezione rettangolare l’incremento di resistenza è invece molto contenuto. Il valore dell’indice di duttilità è molto elevato per tutti i provini (il valore massimo dell’indice di duttilità è pari ad 1) a conferma della buona duttilità garantita dal sistema di confinamento utilizzato.

I diagrammi carico-spostamento assiale e carico-spostamento radiale ottenuti dalle prove sui provini cilindrici è riportato nella figura 3 al variare del numero di strati di rinforzo.

Le curve riportate nella figura 3 evidenziano la tipica risposta del calcestruzzo confinato. Nella prima fase il carico viene assorbito dal calcestruzzo fino al raggiungimento della resistenza, fc0 , mentre il rinforzo in FRCM non è attivo: il diagramma tensione-deformazione presenta un andamento lineare molto simile a quello del calcestruzzo non confinato. Una volta raggiunto il valore di fc0 , il calcestruzzo, per effetto del danneggiamento subito, non è in grado di offrire alcun contributo resistente mentre si attiva il meccanismo di confinamento da parte del rinforzo che favorisce un incremento di capacità portante fino al raggiungimento della resistenza di picco, fcc . Il diagramma tensione-deformazione presenta un tratto non lineare. Raggiunto il valore di fcc , il calcestruzzo è completamente disgregato, le deformazioni del sistema di rinforzo diventano eccessive e si perviene alla crisi dello stesso. Il diagramma tensione-deformazione presenta un tratto decrescente con andamento non lineare.

La rottura dei provini confinati con FRCM è avvenuta in modo graduale a seguito della formazione di ampie fessure verticali ed è stata causata dalla combinazione della rottura delle fibre e della delaminazione del sistema di rinforzo; la rottura dei provini confinati con C-FRP, di tipo fragile, è avvenuta a seguito della rottura improvvisa delle fibre di rinforzo.

PROVINI CONFINATI CON PBO-FRCM La sperimentazione è stata condotta su 20 provini cilindrici di cui due non confinati ed i restanti confinati con diverse configurazioni, ciascuna caratterizzata dal numero di strati di rinforzo e dal valore dell’angolo di inclinazione tra le fibre

Fig. 5: Rete in PBO.

Fig. 7: Confronto tra le curve tensioni-deformazioni al variare di q. e l’asse del provino. In particolare sono state realizzate configurazioni di rinforzo con uno, due, tre e quattro strati di rete in PBO ed angolo di inclinazione delle fibre q=30°, 45° e 90°.

Nella figura 5 è mostrata la rete di rinforzo in PBO utilizzata nella sperimentazione.

Le proprietà meccaniche del sistema di rinforzo sono sintetizzate nella tabella 1; l’attrezzatura di prova utilizzata è descritta nella figura 2.

I diagrammi sperimentali tensione-deformazione assiale e tensione-deformazione radiale sono riportati nella figura 6.

L’esame delle curve riportate in figura 6 evidenzia che le migliori prestazioni meccaniche sono state ottenute con provini confinati con tre e quattro strati di rinforzo fibroso. Si nota tuttavia che la resistenza del provino CRP3-II confinato con tre strati di PBO e quella del provino CRP4-II confinato con quattro strati di PBO sono praticamente coincidenti.

Questo risultato, confermato in letteratura, evidenzia che, superato un certo valore, al crescere del quantitativo di rinforzo la resistenza del calcestruzzo confinato rimane costante o diminuisce.

Fig. 6: Diagrammi tensione assiale-deformazioni.

Il confronto tra le curve tensioni-deformazioni al variare dell’angolo di inclinazione delle fibre, riportato nella figura 7, evidenzia come la configurazione che fornisce le migliori prestazioni sia in termini di resistenza sia in termini di deformazione è quella corrispondente a q=90°, 45° e 90°.

La rottura dei provini confinati, rappresentata nella figura 8, è avvenuta in maniera differente in funzione dell’inclinazione delle fibre.

Nei provini confinati con fibre inclinate a 90°, la rottura è stata graduale ed è avvenuta come combinazione della rottura delle fibre e del distacco della fibra all’interfaccia con la matrice. Nei provini confinati con fibre inclinate a 30° e 45°, a seguito di rilevanti deformazioni radiali e del danneggiamento della matrice cementizia all’estremità dei provini, la crisi è avvenuta per la progressiva perdita dell’azione di confinamento del sistema di rinforzo.

θ=90°

CONCLUSIONI I risultati della sperimentazione, ampiamente confermati in letteratura, evidenziano che il confinamento del calcestruzzo con rinforzi fibrosi a matrice cementizia (FRCM) consente di migliorare la risposta meccanica del calcestruzzo in termini sia di resistenza che di duttilità.

BIBLIOGRAFIA

[1] Ombres, L., Flexural analysis of reinforced concrete beams strengthened with a cement based high strength composite material, Composite Structures, 2011, 94, 143-155.

[2] Ombres, L., Concrete confinement with a cement based high strength composite material, Composite Structures, 2014,109, 294-304.

[3] Ombres, L., Confinement effectiveness in concrete strengthened with fiber reinforced cement based composite jackets. Proceedings of FRPRCS-8, 8th International Symposium on Fiber Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structures, Patras, Greece, 2007.

θ=90°

θ=45°

Fig. 8: Configurazione di rottura dei provini confinati.

Compositi

21

Luciano Ombres – Civil Engineering Department, University of Calabria

FRCM confined concrete: experimental analysis of the structural response The effectiveness of Fabric Reinforced Cementitious Mortar as confining system of concrete members is analysed in the paper. The analysis, developed through experimental results obtained by means of tests on cylindrical concrete specimens confined with FRCM, allows us to evaluate the influence of the main mechanical and geometrical parameters involved in the confining mechanism on the structural response of confined concrete elements.

F

iber reinforced composite materials are widely used in rehabilitation of existing reinforced concrete structures subject to damage and/or deterioration. FRP (Fiber Reinforced Polymers), made of tapes or laminates of unidirectional fibers embedded into a polymer matrix (typically an epoxy resin) which is the agent binding the composite with concrete, and FRCM (Fabric Reinforced Cementitious Matrix), made of fibers in form of fabric meshes embedded into a mineral mortar applied as a binder, are commonly used as strengthening systems of existing structures.

Several advantages related to the use of composite materials to strengthen existing reinforced structures are common to two strengthening systems; Among these are the high strength to weight ratio, corrosion resistance, ease and speed of application.

Despite these advantages, the FRP retrofitting technique has a few drawbacks mainly attributed to the organic epoxy resins used to bind the fibers: Poor high temperature and fire resistance; Inapplicability on wet surfaces or at low temperatures; Toxicity risk for the operator during manual application; Diffusion tightness, Poor thermal compatibility with the concrete support; Susceptibility to UV radiation; Scarce reversibility.

The FRCM system, consisting of fibers in the form of fabric meshes or grids embedded into a cementitious bonding agent, was created to avoid some of these problems. Fabric meshes and grids of relevant size are needed to improve the bond between the reinforcing fibers and the mortar; indeed, due to its granularity the mortar is unable to penetrate and wet the individual fibers and ensure the transmission of mechanical stresses [1].

FRP and FRCM systems are used in confining concrete elements; both systems

22

Compositi

limit the element’s transverse strains through wrapping in the composite and induce a complex tri-axial state of stresses in the concrete core.

The main results of tests performed on plain concrete specimens confined with PBO-FRCM (fabric meshes of PBO embedded in cement-based mortar) and C-FRCM/fabric meshes of carbon embedded in cement-based mortar) are described and analyzed in the following to evaluate how the main mechanical and geometrical parameters involved in the confining mechanism affect the structural response of the confined concrete.

C-FRCM CONFINED CONCRETE SPECIMENS The experimental investigation has been carried out on 62 concrete cylindrical (150 mm diameter and 300 mm height) and prismatic (square section 150 mm width, 300 mm height; rectangular section 150 mm x 300 mm and 300 mm height) specimens confined with C-FRCM and C-FRP. In particular 6 specimens were not confined; 41 specimens (24 cylindrical) were confined with C-FRCM and 15 specimens were confined with C-FRP. The aims of the experimental investigations were the evaluation of the effectiveness of C-FRCM concrete specimens and the comparison between the structural response of C-FRCM and C-FRP confined concrete specimens. Tests were performed varying the initial compressive strength of concrete, fc0 , and the number of confining layers. As illustrated in Figure 1, the hand lay-up procedure was adopted to confine specimens.

The mechanical properties of the reinforcement system are reported in Table 1; Testing set-up and instrumentation used to measure displacements, loads and strains are illustrated in Figure 2.

Average values of the increase of strength recorded for confined speci-

mens with respect to the un-confined concrete specimens are reported in Table 2 together with values of the “ductility index” defined as the area bonded by the axial stress-strain curves [3]. The analysis of the results in the Table highlights the fact that the gain in terms of strength is significant for both cylindrical specimens and prismatic specimens with square section and it increases with the number of confining layers, while the increase in strength is quite modest for prismatic specimens with rectangular section. Very high values of the “ductility index” are obtained for all tested specimens (the maximum value of the ductility index is equal to 1) confirming that the chosen confining system ensures good ductility.

Axial loads vs axial displacement diagrams and axial loadvs radial displacements obtained by tests on cilindrical C-FRCM confined specimens are reported in Figure 3 for varying number of confining layers The curves reported in Figure 3 describe the typical response of confined concrete. Initially, most of the load is carried out by the concrete and the fabric mesh is not activated; the stress–strain curve is almost linear and its slope is similar to that of un-confined specimen.

Once the curve reaches the peak stress of the unconfined concrete, fc0 , the concrete core gets damaged and loses its load bearing capacity while the confining pressure of PBO mesh gradually gets activated and contributes to the load carrying capacity; in this stage the stress– strain curve shows a non-linear ascending branch up to to the peak stress fcc .

After the peak, the concrete core is completely crushed inside the jacket and the lateral deformations increase drastically up to the failure of the confining system; the stress–strain curves show a descending branch.

The failure of C-FRCM confined spec-

imens was gradual: the jacket collapsed after the formation of wide vertical cracks while the concrete inside the jacket was completely crushed; the failure was due to a combination of fibers breaking and delaminations of the reinforcement fabric meshes.

The failure of C-FRP confined specimens followed a brittle fracture mechanism, i.e. it was sudden and due to fibers breaking.

IROP

PBO-FRCM CONFINED CONCRETE SPECIMENS Tests were carried out on 20 specimens: 2 un-confined and the remaining ones confined with different configurations varying both the number of confining layers and the fiber orientation, i.e. fibers were placed along a spiral with an angle q with respect to the longitudinal axis of the specimens. In particular specimens confined with one, two, three and four confining layers and q=30°, 45° e 90° were tested.

The chosen PBO fabric mesh is depicted in Figure 5; mechanical properties of the confining system are reported in Table 1; test set-up and instrumentation are illustrated in Figure 2.

23-02-2009 Pagina 31strain and Experimental8:59 axial stress-axial

axial stress-radial strain diagrams are reported in Figure 6.

The analysis of diagrams reported in Figure 6 evidences that the best mechanical performances were obtained by specimens confined with three and four confining layers. However, the peak strength of the CRP3-II specimen confined with three layers is practically equivalent to that of the CRP4-II specimen confined with four layers.

This result, well-known in the literature, evidences that over a limit value, the strength of the confined concrete not increases with the number of confining layers.

The stress-strain curves for varying fiber orientation angle, reported in Figure 7, show that best performances in terms both of stress and strain correspond to the configuration with q=90°.

Failure of confined specimens, illustrated in Figure 8, was different for varying q.

For q=90°, the failure was gradual for all tested specimens; it was characterized by a combination of PBO sheet cracking and debonding at the fiber/matrix interface. For specimens confined with q= 30° and q=45°, due to the significant radial strains and the damage of the matrix at the ends of specimens, the fail-

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

Via Martiri della Liberazione, 107/A – 43126 Vicofertile (PR) – ITALY tel.+39 0521 992968/9 – Fax +39 0521 992379 e-mail: irop@irop.191.it www.irop.it

ure occurs after a progressive reduction of the confining action of the PBOFRCM jacket.

CONCLUSIONS Results of the experimental investigation, confirmed in the tecnica literature, show that FRCM concrete confinement yields significant improvements in the structural response of concrete in terms of both strength and ductility.

All the mentioned figures refer to the Italian version Fig. 1: Confinement with carbon fabric meshes.

Table 1: Mechanical properties of confining FRCM system (fcm = compressive strength of the matrix; ffm = flexural strength of the matrix; Em = elastic modulus of the matrix, * provided by manufacturer).

Fig. 2: Test set-up.

Table 2: Experimental results.

Fig. 3: Cylindrical specimens: axial load vs displacement diagrams.

Fig. 4: Confined specimens at failure.

Fig. 5: PBO fabric mesh.

Fig. 6: Axial stress-strain diagrams.

Fig. 7: Stress-strain curves for varying q.

Fig. 8: Failure configurations of PBO-FRCM confined specimens.

Nata nel 1956, da molti anni IROP progetta e realizza

AUTOCLAVI PER MATERIALI COMPOSITI Le autoclavi a chiusura rapida IROP sono progettate e costruite secondo

la Direttiva 97/23/CE “PED”e riportano la marcatura “CE”. Esse vengono realizzate in svariate dimensioni secondo le “specifiche” del cliente e trovano largo impiego in diversi settori industriali da quello aeronautico e spaziale a quello automobilistico e sportivo in generale.

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

Dr. Chris Pantelides – Professore di Ingegneria Civile e Ambientale dell’Universita dello Utah

Riparazione rapida di pilastri in calcestruzzo

L

a riparazione rapida di pilastri di ponti danneggiati in seguito a un terremoto è una buona alternativa alla sostituzione; i vantaggi consistono in risparmio economico, riduzione dei tempi di lavoro, e ridotta interruzione dei servizi d’emergenza. L’obiettivo nella riparazione del ponte è riportare i pilastri danneggiati a livelli di prestazioni simili a

quelli originari, ripristinando le loro proprietà di carico e spostamento laterale.

Nella progettazione di ponti resistenti a terremoti, il danno è tipicamente diretto alle pile di sostegno, così da proteggere pulvini e basamenti che, di solito, sono di difficile accesso o riparazione; quindi, la riparazione post-sismica nella ricerca presente si concentra sui piloni. Le tecni-

Fig. 1: Zona danneggiata del pilastro in seguito a carichi simulanti terremoti: (a) fronte; (b) lato.

Fig. 2: Procedura di riparazione: (a) installate le barre con testata; (b) semigusci in carbonio; (c) guscio in carbonio attorno al pilone; (d) guscio in carbonio riempito con calcestruzzo non restringente o ad espansione.

24

Compositi

Fig. 3: Rilocalizzazione del danno al pilastro: (a) in origine, (b) riparato.

che di riparazione per pilastri danneggiati includono incamiciature di polimeri rinforzati in fibra di carbonio (CFRP), d’acciaio e di calcestruzzo rinforzato, fatte aderire dall’esterno. Fino a poco tempo fa si supponeva che quando le barre longitudinali dentro i pilastri si piegavano o si rompevano, il pilastro andasse sostituito.

La Accelerated Bridge Construction (ABC) sta guadagnando consensi per i tempi di costruzione ridotti e la minima interruzione del traffico. L’uso di Grouted Spliced Sleeve (GSS) sta riscuotendo attenzione quale possibile metodo di connessione in calcestruzzo prefabbricato per ABC in zone sismiche. I risultati di ricerche recenti sulle tecniche ABC indicano che i piloni collegati usando giunzioni in GSS portano alla concentrazione del danno sui pilastri stessi e alla diminuzione dell’area del danno rispetto alle costruzioni monolitiche tradizionali. Queste caratteristiche sono vantaggiose per gli scopi di riparazione, perché risultano in pilastri relativamente poco danneggiati grazie alla rilocalizzazione dell’area affetta dal danno.

Il metodo di riparazione rapida è stato implementato in quattro pilastri in calcestruzzo prefabbricato seriamente danneggiati, collegati usando connettori in GSS. I campioni erano giunzioni colonna-basamento e colonna-pulvino, ed erano stati sottoposti a carichi ciclici quasi statici che simulavano terremoti, così da giungere a danni gravi prima della riparazione. Il danno era concentrato alle estremità dei pilastri e consisteva in frantumazione del calcestruzzo, rottura dei tondini e pullout dei tondini dal GSS, così da compromettere significativamente la capacità di carico laterale e spostamento laterale, come mostrato in figura 1.

La tecnica di riparazione rapida usa materiali facili da installare, e include barre d’acciaio con testata ancorate con resina epossidica, fogli in CFRP e calcestruzzo non restringente o a espansione. Il primo passaggio nella procedura di riparazione è stato creare un guscio di CFRP prefabbricato, come mostrato in figura 2. Durante il curing del guscio in CFRP, sono stati praticati i fori per le barre d’acciaio nel basamento o nel pulvino e le barre d’acciaio sono state fissate in posizione attorno al pilastro con l’epossidica. Dopo il curing, il guscio in CFRP è stato diviso a metà e posizionato intorno al pilone per simulare le condizioni d’opera; sono sta-

ti applicati tre ulteriori strati di CFRP per completare la costruzione del guscio, che fungeva anche da cassaforma per mantenere la struttura in posizione. A curing del tutto ultimato del CFRP è stato gettato nel guscio il calcestruzzo non restringente o a espansione.

La resistenza e la capacità di spostamento laterale dei pilastri danneggiati è stata recuperata, ottenendo approssimativamente gli stessi valori di spostamento e carico laterale dei campioni originari. La riuscita rilocalizzazione del danno è mostrata in figura 3. Il risultato è una ripara-

zione rapida ed economicamente conveniente, che può essere messa in opera in pochi giorni. La ricerca è stata finanziata dai Dipartimenti dei Trasporti di Utah, Stato di New York e Texas e dal Mountain Plains Consortium.

A opinione dell’autore (che è stato il principal investigator della ricerca), sebbene questa tecnica di riparazione rapida sia stata sviluppata per piloni in calcestruzzo prefabbricato, potrebbe essere estesa a pilastri gettati in opera; essa ha il potenziale per essere usata per l’adeguamento di pilastri prima dell’occorrenza di eventi

sismici, così come per la riparazione rapida dopo un terremoto.

Considerate le prestazioni complessive, questa è una tecnica di riparazione praticabile per pilastri gravemente danneggiati in regioni a forte rischio sismico. Anche in caso di grave danno iniziale al pilastro, il metodo è robusto e applicabile a piloni con vari livelli di danneggiamento, incluse flessioni e rotture delle barre di rinforzo longitudinali.

La tecnica di riparazione è veloce e soddisfa i requisiti della Accelerated Bridge Construction.

Dr. Chris Pantelides – Professor of Civil and Environmental Engineering at the University of Utah

Rapid Repair of Concrete Columns

R

Rapid repair of damaged bridge columns following an earthquake is a good alternative to replacement; benefits include cost savings, reduction in construction time, and decreased interruption of emergency services. The objective of bridge repair is to rehabilitate damaged columns to a performance level similar to the original performance by restoring their lateral load and displacement capacity. In the design of bridges for earthquakes, damage is typically directed to bridge columns, thus protecting the pier caps and footings which are typically not easy to access or repair; hence, the post-seismic repair in the present research is focused on columns. Repair techniques for damaged columns include externally bonded carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) jackets, steel jackets and reinforced concrete jackets. Until recently it has been assumed that when longitudinal bars within the column buckle or fracture the column should be replaced.

Accelerated Bridge Construction (ABC) is gaining acceptance because of reduced construction time and minimal traffic interruption. Grouted Splice Sleeves (GSS) have been gaining attention as a possible precast concrete connection method for ABC in seismic regions. Findings from recent ABC research indicate that columns connected using GSS connectors concentrate column damage and decrease the area of damage compared to traditional monolithic construction. These characteristics are advantageous for repair purposes, leaving a relatively undamaged column for relocation of the area of

column damage.

The rapid repair method has been implemented on four severely damaged precast concrete columns connected using GSS connectors. The specimens were column-to-footing and column-to-pier cap joints, and had undergone quasi-static cyclic loading, simulating earthquakes reaching a severe damage state before being repaired. Damage was concentrated at the column ends and included concrete crushing, rebar fracture and rebar pullout from the GSS, thus significantly compromising lateral load and displacement capacity, as shown in Figure 1.

The rapid repair technique uses materials that are easy to install including epoxy anchored headed steel bars, CFRP sheets and either nonshrink or expansive concrete. The first step in the repair procedure was to create a prefabricated CFRP shell, as shown in Figure 2. While the CFRP shell was curing, the holes for the headed steel bars were drilled into the footing or pier cap and the headed steel bars were epoxy anchored into place around the column. After the CFRP shell had cured it was split in half and placed around the column to simulate field conditions; three additional CFRP layers were applied to complete construction of the CFRP shell, which also acted as stay-in-place formwork.

Once the CFRP shell had fully cured, either nonshrink or expansive concrete was cast inside the shell.

The strength and displacement capacity of the damaged bridge columns was restored by achieving approximately the same displacement and lateral load as

the original specimens. The successful relocation of damage is shown in Figure 3. The result is a cost effective rapid repair which could be installed within a few days. The research was funded by the Utah, New York State and Texas Departments of Transportation and the Mountain Plains Consortium.

According to the author (who is the principal investigator of the research), although this rapid repair technique was developed for precast concrete columns it could be extended to cast-in-place columns; it has the potential to be used in the retrofit of columns before an earthquake as well as the rapid repair of columns after an earthquake.

Based on the overall performance, this is a viable repair technique for severely damaged columns in regions with strong earthquake potential. Even though initial column damage was severe, the method is robust and applicable to columns with varying damage states including buckled or fractured longitudinal steel bars. The repair technique is rapid and satisfies the requirements of accelerated bridge construction.

All the mentioned figures refer to the Italian version Fig. 1: Concrete column area of damage from simulated earthquake loads: (a) front; (b) side.

Fig. 2: Repair procedure: (a) post installed headed bars; (b) split carbon shell; (c) carbon shell around column; (d) carbon shell filled with non-shrink or expansive concrete.

Fig. 3: Column damage relocation: (a) original, (b) repaired.

Compositi

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Dionisio Badagliacco, Alessio Lipari, Antonino Valenza Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Aerospaziale, dei Materiali Università degli Studi di Palermo

Malte a base di biocalce e fibre di canna comune

N

egli ultimi anni, sta emergendo una sempre più sentita esigenza di ridurre l’impatto ambientale dell’opera umana, limitando il consumo di risorse non rinnovabili e utilizzando materiali non nocivi ed ecologici.

Il presente lavoro è mirato alla caratterizzazione di materiali compositi ecosostenibili nel campo della bioedilizia, ottenuti mediante malte a base di biocalce e fibre naturali.

L’uso della calce come legante è antichissimo. Tracce del suo impiego si trovano in costruzioni dell’antico Egitto (2000 A.C.), della civiltà minoica, nelle rovine di Troia, nei muri dell’antica Grecia e dell’antica Roma. Durante il 20° secolo, il cemento Portland ha sostituito la calce nelle costruzioni, per le migliori proprietà meccaniche. Adesso, la tendenza è di un ritorno alle calci, o per meglio dire alle biocalci (malte di calce idraulica naturale) che, rispetto ai cementi sono materiali di origine rigorosamente naturale, riciclabili come inerte a fine vita, aventi ridotte emissioni di CO 2 e sostanze organiche volatili, con una diminuzione dei costi energetici di produzione, a ventilazione naturale attiva nella diluizione degli inquinanti indoor, batteriostatica e fungistatica naturale. Tali malte sono impiegate in edilizia principalmente per l’allettamento, la stilatura di murature e la re-

alizzazione di intonaci.

La scelta di usare fibre naturali come rinforzo di materiali compositi a base di biocalce è finalizzata a sopperire alla fragilità da ritiro, che favorisce la formazione di crepe e quindi il decadimento di intonaci esterni, conferendo un maggiore grado di tenacità al materiale [1]. La canna comune (Arundo donax L.) si dimostra una scelta di particolare interesse scientifico per la sua versatilità di impiego e basso impatto ambientale [2]. Il suo utilizzo principale è legato alla realizzazione di supporti per la copertura del tetto e pannelli di muri in edifici antichi.

Le caratteristiche meccaniche (modulo, duttilità, tensione a rottura) delle canne dipendono molto dal contenuto di umidità e ciò le rende un materiale adatto in una vasta gamma di applicazioni semi-strutturali [3].

MATERIALI E METODI La malta di biocalce utilizzata nella sperimentazione è di tipo NHL 3,5 per impiego in murature. Le fibre, ricavate mediante estrazione manuale dalla canna comune Arundo donax L., sono state preparate e selezionate in modo da assumere Aspect Ratio (A.R.) medi (larghezza/ lunghezza) prossimi a 0.1 e 0.05 allo scopo di rendere i compositi più omogenei possibili (fig.1).

I compositi sono stati ottenuti mediante

riempimento di malta di biocalce, miscelata con fibre disposte in maniera casuale, in appositi stampi in polistirene espanso secondo la norma UNI EN 1015-11.

La stagionatura dei campioni, è avvenuta in ambiente a temperatura controllata (21 °C e U.R. 50%) per 28 giorni (fig.2).

La campagna sperimentale è stata articolata in tre fasi. Nella prima si è valutata l’influenza della percentuale in peso di fibra sulle proprietà meccaniche del composito; nella seconda, l’effetto del trattamento superficiale delle fibre con olio di lino con lo scopo di aumentare le performance del composito in conseguenza del miglioramento sia delle proprietà meccaniche delle fibre (modulo elastico e resistenza meccanica) che dell’adesione interfacciale fibra-matrice; infine, nella terza fase, l’incidenza dell’A.R. delle fibre.

A tal fine si sono realizzati i seguenti provini: • Non rinforzati • Con fibre (A.R. 0.1): 0.2%, 0.5%, 1%, 2% e 4% in peso • Con fibre (A.R. 0.1) trattate con olio di lino: 0.2%, 0.5%, 1% e 2% in peso • Con fibre (A.R. 0.05): 1% in peso.

I provini sono stati testati mediante prove di flessione a tre punti secondo la norma UNI EN 1015-11.

Fig. 1: Sequenza di preparazione delle fibre di Arundo donax L.

Fig. 2: Processo di produzione dei compositi.

Compositi

27

- Malte a base di biocalce e fibre di canna comune DISCUSSIONE DEI RISULTATI I risultati delle prove sperimentali, riportati in Tabella 1, hanno evidenziato come fino al 2% in peso di fibre le caratteristiche meccaniche delle malte si mantengano su valori medi del modulo a flessione paragonabili o lievemente superiori rispetto ai non rinforzati, pur rimanendo pressoché invariate le relative tensioni a rottura.

Per percentuali di fibre al 4% si nota un drastico calo delle proprietà meccaniche, Figura 3, in quanto l’eccessivo quantitativo di queste comporta un incremento dei difetti, compromettendo la continuità del composito. Questi risultati sono in linea con analoghi dati presenti in letteratura [1, 4].

Il principale effetto positivo apportato dalle fibre lo si può osservare dalla figura 4 che mostra come i compositi all’1 e 2% di fibre presentino, rispetto a quelli non rinforzati, un ampio campo di resistenza post-frattura che ne garantisce continuità strutturale. In particolare per i provini al 2% di fibre, pur avendo valori di tensione a frattura inferiori rispetto ai non rinforzati, è possibile notare una ripresa della resistenza a flessione post-frattura anche fino a valori superiori al primo picco di frattura.

Nella figura 5 si nota un discreto quantitativo di fibre disposto lungo la direzione longitudinale del provino e quindi meglio orientato rispetto al carico ma anche una scarsa adesione tra la malta e le fibre evidente dal loro completo pull out.

Per migliorarne l’adesione delle fibre con la biocalce sono state trattate con olio di lino. Si è scelto l’olio di lino in quanto da prove di rilassamento effettuate su canne a vario contenuto di umidità si è evidenziato come quelle trattate mostrino un comportamento viscoelastico paragonabile alle canne umide ma con resistenza meccanica addirittura superiore rispetto alle canne essiccate [3].

Il trattamento delle fibre con l’olio di lino ha apportato all’aumento del modulo solo alle più basse percentuali (0.2 e 0.5%):

Fig. 3: Modulo a flessione al variare della percentuale di fibra.

Fig. 4: Curve sforzo-deformazione al variare della percentuale di fibra.

FLESSIONE Provini

Non Rinforzati

A.R. 0.1

A.R. 0.1 + olio di lino

Fig. 5: Superfici di frattura di un provino di flessione con 1% di fibre non trattate.

28

Compositi

A.R. 0.05

% in peso di fibre

Tensione a rottura a flessione [Mpa]

Modulo a flessione [GPa]

media

dev.st

media

dev.st

0

3.168

0.247

0.366

0.040

0.2

3.128

0.334

0.353

0.070

0.5

2.914

0.265

0.338

0.054

1

3.076

0.392

0.368

0.033

2

2.628

0.209

0.373

0.039

4

1.293

0.101

0.099

0.012

0.2

3.042

0.238

0.385

0.041

0.5

2.436

0.246

0.373

0.024

1

2.259

0.312

0.286

0.038

2

1.776

0.255

0.243

0.059

1

2.660

0.193

0.359

0.036

Tab. 1: Risultati prove sperimentali.

ciò può essere attribuito all’aumento della rigidezza a flessione delle fibre. Invece, per percentuali superiori, si è osservato un consistente calo del modulo imputabile all’incompatibilità dell’olio di lino con la biocalce che porta ad un peggioramento dell’interfaccia tra fibra e matrice (fig.6).

La riduzione dell’A.R. (0.05), figura 7, non comporta apprezzabili variazioni del modulo, mentre la tensione a rottura si riduce leggermente, probabilmente o per il maggior numero di fibre che creano una maggiore difettosità o per la diversa conformazione delle stesse che sono o meno larghe o più lunghe.

CONCLUSIONE La campagna sperimentale effettuata ha dimostrato come l’impiego di fibre di canna comune Arundo donax L., come rinforzo di malte a base di biocalce, risulti vantaggioso soprattutto in termini di continuità strutturale post-frattura, rispetto alla sola malta. Al contrario, il trattamento delle fibre con l’olio di lino ad alti contenuti di fibre non induce gli effetti benefici ipotizzati sulle caratteristiche del composito. Lo studio dell’Aspect Ratio ottimale che apporti le migliori performance al composito va ulteriormente approfondito.

Fig. 6: Modulo a flessione al variare della percentuale di fibra.

Fig. 7: Tensione a rottura e modulo a flessione per le diverse tipologie di provini.

Dionisio Badagliacco, Alessio Lipari, Antonino Valenza Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Aerospaziale, dei Materiali Università degli Studi di Palermo

Biolime based mortars and vegetable fibers of giant reed

I

n recent years, a growing need to reduce the environmental impact of human work is emerging by limiting the consumption of not-renewable sources and using environmentally friendly materials. This work aims to characterize eco-friendly composite materials obtained from biolime based mortars and natural fibers for green building applications. The use of lime as binder is very old; it is possible to find evidence of its use in buildings of ancient Egypt (2000 B.C.), the Minoan civilization, in the ruins of Troy, in the walls of ancient Greece and ancient Rome. During the 20th century Portland cement has replaced the lime in constructions for its better mechanical properties. Now, the trend is a return to lime, or rather to biolime (natural hydraulic lime mortar) which, compared to cements are composed by natural origin materials, recyclable as inert material at the end of life, with reduced CO2 emissions and organic volatile substances, with lower energy production costs, natural ventilation active in dilution of indoor pollutants, bacteriostatic and natural fungistatic. These mortars are primarily used in building for enticement, grouting of masonries and production of plasters.

The use of natural fibers as reinforcement of biolime based composite materials is effective due to compensate the shrinkage brittleness, which leads to cracks and consequently the decay of external plasters, giving greater toughness to the material [1]. The giant reed (Arundo donax L.) raises special scientific interest for its versatility of use and low environmental impact [2]. Its main use refers to the realization of supports for the roof and wall panels in old buildings. The mechanical properties (flexural modulus, ductility, tensile strength) of the reeds are significantly influenced by the moisture content, which makes it a suitable material in a wide range of semi-structural applications [3].

MATERIALS AND METHODS The type of biolime based mortar used in the experimentation is NHL 3.5 for masonry. The fibers, obtained by manual extraction from the common reed Arundo donax L., were manufactured and selected in order to obtain average Aspect Ratios (A.R. width/length) about 0.1 and 0.05 to produce the composites as much homogeneous as possible (fig.1). The composites were obtained by casting biolime mortar, mixed with randomly disposed fibers, in special polystyrene foam molds, according to the UNI EN 1015-11.

The curing of the samples was carried out in a temperature controlled environment (21 °C and 50% R.H.) for 28 days (fig.2).

The experimental campaign was organ-

30

Compositi

ized in three phases. In the first it was examined the influence of the percentage of fiber (by weight) on the mechanical properties of the composite. Secondly, it was evaluated the effect of surface treatment of the fibers with linseed oil with the aim to increase the performance of the composite as a result of the improvement of both the mechanical properties of the fibers (mechanical strength and elastic modulus) and the interfacial adhesion between fiber and matrix. Finally the influence of the A.R. on the mechanical properties of the composite was under study.

To this aim, the following batch of specimens were manufactured: • not reinforced • with fibers (A.R. 0.1): 0.2%, 0.5%, 1%, 2% and 4% by weight • with fibers (A.R. 0.1) treated with linseed oil: 0.2%, 0.5%, 1% and 2% by weight • with fibers (A.R. 0.05): 1% by weight.

The specimens were tested by threepoint bending tests according to the standard UNI EN 1015-11.

RESULTS AND DISCUSSIONS The results of the experimental tests (table 1) have shown that, up to 2% by weight, the flexural modules of the mortars remain constant, or slightly higher than those not-reinforced, while the flexural strengths did not show significant changes. For the composites with fiber content equal to 4% it was recorded a drastic drop of the mechanical properties, Figure 3, since the great amount of these leads to an increase of the defects, affecting the continuity of the composite. These results are in line with similar data in the literature [1, 4]. The main positive effect made by the fibers can be observed by Figure 4 that shows how the composites at 1 and 2% of fiber content reveal, compared to those not reinforced, a wide field of post-fracture resistance, which ensures structural continuity. In particular the latters, despite having lower values of flexural strength compared to the not-reinforced, are characterized by an increase of the bending resistence post-fracture even up to values above the first peak of fracture. Figure 5 shows a number of fibers arranged along the longitudinal direction of the specimen and therefore better oriented with respect to the loading direction, but also a poor adhesion between mortar and fibers which is evident from their complete pull-out. In order to improve the quality of adhesion between fibers and biolime, they were treated with linseed oil. The latter was chosen because from some relaxation tests carried out on reeds with different moisture contents was highlighted that those treated exhibit a viscoelastic behaviour similar to the wet

reeds but also higher mechanical strength than the dried ones [3]. The treatment of the fibers with linseed oil contributed to increase the flexural module only at the lower percentages (0.2 and 0.5%), this can be due to the increase of the bending stiffness of the fibers. In contrast, for higher percentages, it was observed a decline of the module due to the incompatibility of the linseed oil with the biolime which leads to a deterioration of the interface between fiber and matrix (fig.6).

The reduction of the A.R. (0.05), figure 7, does not lead to noticeable changes of the module, while the flexural strength is slightly lower probably as a consequence either of the greater number of fibers that create a greater defectiveness or of the different conformation of the latters which are or less wide or longer.

CONCLUSION The experimental campaign has evidenced how the use of common reed Arundo donax L. fibers, as reinforcement for biolime based mortars, is promising especially in terms of post-fracture structural continuity in comparison with the not reinforced mortar. By contrast, the treatment with linseed oil for high content of fiber composites does not induce the beneficial effects expected on the characteristics of the material. The study of the ideal Aspect ratio which brings the best performance to the composite should be further investigated.

REFERENCES

[1] G. Di Bella, V. Fiore, G. Galtieri, C. Borsellino, A. Valenza. Effects of natural fibres reinforcement in lime plasters (kenaf and sisal vs. Polypropylene, Construction and Building Materials 58 (2014) 159–16.

[2] Andrea Bucci, Francesco Cerino Badone e Roberto Pilu. La canna comune (Arundo donax L.) Aspetti storici, scientifici e tecnologici, ARACNE editrice S.r.l., Roma (2012): pp. 7-20.

[3] F. Nicoletti, V. Fiore, R. Tavolanti, T. Scalici, A. Valenza. Effect of various moisture content on the mechanical and viscoelastic properties of giant reed Arundo Donax L., First International Conference on Bio-based Building Materials, June (2015).

[4] F. Iucolano, B. Liguori, C. Colella. Fibre-reinforced lime-based mortars: A possible resource for ancient masonry restoration, Construction and Building Materials 38 (2013) 785–789.

All the mentioned figures refer to the Italian version Fig. 1: Manufacturing sequence of the fibers Arundo donax L. Fig. 2: Manufacturing process of the composites.

Fig. 3: Flexural Modulus for different percentages of fibers.

Fig. 4: Stress-Strain curves for different percentage of fibers.

Table 1: Experimental results.

Fig. 5: Fracture surfaces of a bending specimen with 1% of untreated fibers.

Fig. 6: Comparison Flexural Modulus for different percentage of fibers.

Fig. 7: Flexural Strength and Modulus for the different batches of specimens.

Ben Drogt – BiinC

Compositi e ambiente possono andare d’accordo!

L’

immagine delle plastiche in relazione all’ambiente generalmente non è positiva. Le plastiche che finiscono nell’ambiente (come la “Plastic Soup”, la spazzatura di microdetriti plastici che si raccoglie negli oceani) contribuiscono a quest’immagine e ciò è dovuto anche alla grande durevolezza dei polimeri: le plastiche tradizionali si degradano molto lentamente nell’ambiente! È importante evidenziare anche i contributi positivi offerti all’ambiente dalle plastiche, e più specificamente, dalle plastiche fibrorinforzate.

La produzione e l’uso di plastiche fibrorinforzate o compositi può causare una riduzione dell’uso di materie prime ed energia rispetto ad altri materiali da costruzione più tradizionali. Il problema della fine vita (che andrebbe piuttosto chiamato problema della fine d’uso), che conferisce la “cattiva immagine” alle plastiche e anche ai compositi, richiede certamente attenzione e soluzioni da parte dell’industria, ma qui presenteremo l’impatto positivo dei compositi.

PENSARE AL CICLO DI VITA Per valutare l’impatto ambientale di un’auto, una casa, una TV o qualsiasi altro prodotto, si dovrebbero considerare tutti i passi nel ciclo di vita: produzione, uso e fine uso. I prodotti hanno un impatto ambientale in tutte queste fasi.

Fase di produzione In questa fase sono usati materiali che sono stati acquisiti, il più delle volte, da risorse naturali, e che sono prodotti attraverso diversi processi che richiedono energia e altri servizi. Per convertire questi materiali in un prodotto finito, vengono usati processi produttivi che richiedono anch’essi energia e servizi.

Nella maggior parte dei casi, questi processi creano anche emissioni in aria, acqua e terreno.

Fase d’uso Nella fase d’uso il prodotto può richiedere energia per il suo utilizzo (come apparecchi elettrici, auto e aerei) e necessitare di manutenzione. A seconda della durevolezza del prodotto (quanto a lungo può essere utilizzato), la fase d’uso può avere un grandissimo impatto ambientale. Specialmente per prodotti che devono essere messi in movimento (ac-

Fig. 1: Il ciclo di vita del prodotto.

Fig. 2: Contenuto energetico di materiali compositi e processi produttivi (Suzuki, c.s.). celerare e decelerare) o salire e scendere (come un aereo), l’uso di energia è un fattore molto importante in tutta la catena del ciclo di vita.

Fase di fine d’uso Infine, l’impatto ambientale di un prodotto al momento in cui non lo si può o vuole più usare, la fase di fine uso, può avere un effetto sostanziale sul ciclo di vita nel suo complesso, dipendentemente dal metodo di riciclo utilizzato.

La somma di tutte le fasi rappresenta l’impatto ambientale complessivo. È importante tenere in considerazione tutte le fasi per prendere la decisione giusta nella scelta del materiale per un componente. Per esempio, un impatto ambientale relativamente alto nella fase di fine uso può essere compensato e superato nella fase d’uso.

Una valutazione complessiva di tutto il ciclo di vita (LCA, Life Cycle Assessment) è perciò l’unico modo per confrontare i materiali in termini del loro impatto ambientale.

PRODUZIONE DEI COMPOSITI L’impatto ambientale nella fase di produzione dei compositi è controllato principalmente dalla scelta delle materie prime, ovvero le resine, le fibre di rinforzo e gli additivi. Uno studio eseguito dall’Università di Tokyo (Suzuki, c.s.) indica che l’energia contenuta nelle materie prime è

sostanzialmente più alta dell’uso di energia per la manifattura del prodotto, come indicato in Figura 2.

La European Composite Industry Association (EuCIA) ha recentemente sviluppato uno strumento di calcolo con cui si può valutare l’impatto ambientale della fase di produzione di un componente in composito.

Questo strumento, che si può trovare sul sito web di EuCIA (www.EUCIA.com), permette a qualunque professionista del settore compositi di valutare il proprio prodotto, sulla base di un grande numero di materie prime e processi produttivi. I primi calcoli con questo strumento avallano la conclusione dell’Università di Tokyo e indicano che l’80-90% dell’energia contenuta (e dell’impatto ambientale totale) di un componente in materiale composito è a carico dei materiali. Perciò è importante compiere scelte oculate sui materiali, essendo l’impatto ambientale una caratteristica chiave del prodotto in composito da realizzare.

USO DEI COMPOSITI La scelta dei compositi è guidata perlopiù dalla loro leggerezza e durevolezza rispetto ai materiali da costruzione tradizionali, come acciaio, legno e calcestruzzo. Per parti mobili, sia orizzontalmente che verticalmente, il peso ha una grande influenza sull’energia richiesta per movimentare il pezzo. Risparmiare peso su di un’auto e ancor di più su di un aereo avrà un impatto fondamentale sul consumo di energia durante l’uso.

Come stima indicativa, ridurre il peso di un’autovettura di 100 kg comporta una riduzione del consumo di carburante tra 0.4 e 0.6 litri per 100 km. Nei decenni passati i compositi sono stati usati principalmente per pannelli della carrozzeria di auto (di serie limitate), ma recentemente, con il lancio della BMW i3, i compositi sono stati introdotti in parti strutturali di un modello in serie su vasta scala.

Per i velivoli, questo effetto è ancora maggiore: il 50% del peso di un Boeing 787 “Dreamliner” è costituito da compositi in fibra di carbonio, così da avere una riduzione del 20% del peso complessivo dell’aeromobile, che combinata con una forma aerodinamica ottimizzata e una miglior efficienza dei motori risulta in una riduzione del consumo di carburante del 20%.

I compositi hanno una posizione mol-

Compositi

31

- Compositi e ambiente possono andare d’accordo! to speciale nel settore delle energie rinnovabili, e specificamente nelle turbine eoliche. Le dimensioni e l’efficienza delle turbine eoliche attuali (fino a 160 m di diametro e 8 MW di potenza) sono possibili solo grazie all’uso di materiali compositi, che permettono di realizzare pale molto robuste e leggere. Come esempio dell’impatto ambientale estremamente positivo delle turbine eoliche con pale in composito, ecco questi dati: una tipica turbina eolica da 2 MW produce in 7 mesi la stessa quantità di energia che è stata usata per costruirla e installarla. Durante il suo ciclo di vita produce 34 volte l’energia costata per produrla (esempio ricavato dalla turbina eolica VESTAS V100 2.0 MW).

La leggerezza, durevolezza e anche le ottime proprietà di isolamento termico dei compositi (rispetto ai metalli) rendono questi materiali molto interessanti anche per le facciate degli edifici. Negli ultimi anni gli architetti hanno usato anche la libertà di forma dei compositi per realizzare edifici spettacolari. Un buon esempio di ciò è l’Aliyev Cultural Center a Baku, Azerbaijan (progettato da Zaha Hadid): l’intera struttura esterna è costruita con materiali compositi.

FINE D’USO DEI COMPOSITI A causa della grande durevolezza dei compositi, la vita di un prodotto in materiale composito può essere molto lunga, a fronte di una manutenzione limitata. Molto spesso avviene che il periodo di vita di un oggetto in composito sia molto più breve in termini economici o estetici rispetto a quello puramente materiale. Perciò “fine uso” è un modo più appropriato per indicare il momento in cui un prodotto in composito deve essere riciclato.

Un buon esempio lo fornisce la tendenza nell’energia eolica, dove le turbine più vecchie e meno potenti vengono sostituite da impianti più grandi. Lo stato tecni-

Fig. 4: Aliyev Cultural Center a Baku.

Fig. 3: La più grande turbina eolica nel 2015: VESTAS V164 8MW. co delle vecchie turbine è spesso ancora molto buono, ma l’efficienza delle apparecchiature antiquate non è più conveniente economicamente.

Oggi, la maggior parte dei compositi è costituita da materiali termoindurenti (con resine epossidiche, poliesteri o vinilesteri) rinforzati con fibra di vetro. Una caratteristica tipica di una resina termoindurente è che non può essere fusa come le resine termoplastiche.

Perciò è preclusa la possibilità di riutilizzo che è disponibile per le resine termoplastiche, ovvero la fusione e rimodellamento in nuovi pezzi.

La fase di fine uso dei compositi termoindurenti richiede dunque altre soluzioni.

In generale, per questa classe di materiali sono disponibili le seguenti opzioni: • riutilizzare parte del materiale: usare il pezzo in composito o il materiale per un’altra applicazione

Fig. 5: Processo produttivo di cemento con uso di rifiuti compositi (per gentile concessione di Holcim).

32

Compositi

• riciclo chimico: separare chimicamente resina e materiale di rinforzo • riciclo meccanico: triturare il composito per usarlo come filler in altri compositi o materiali diversi (come fa per esempio la ditta italiana Gees Recycling) • riciclo termico: usare l’energia contenuta nella resina come fonte di energia in una centrale (il rinforzo sarà uno scarto) • uso in fornace per cemento: usare i rifiuti compositi come materia prima e combustibile nel processo produttivo del cemento.

Ognuno di questi metodi è a un diverso stadio di sviluppo, e soprattutto l’uso per la produzione di cemento ha mostrato la sua fattibilità economica. Questa strada è conforme alla legislazione europea sul riciclo (Composites Recycling Made Easy, EuCIA positioning paper, 2011).

Questa linea usa il 100% del rifiuto composito, aggiungendo composito macinato nel processo produttivo del cemento.

La fibra di vetro e altri filler minerali nel composito costituiscono una materia prima per il cemento, mentre la resina e gli altri polimeri o materiali bruciabili fungono da combustibile per il processo di produzione del cemento, che richiede grandi quantità di energia.

L’uso di compositi rimacinati nella produzione del cemento può anche ridurre le emissioni totali di CO2 in questo processo fino al 16% (stima di Holcim, Aliancys e ETH Zurich-CH).

CONCLUSIONI Le tre fasi nel ciclo di vita di un prodotto in materiale composito danno contributi molto diversi all’impatto ambientale. La maggior parte dei benefici è ottenuta grazie alla leggerezza, durevolezza e libertà di forma durante la fase d’uso.

Tuttavia anche una buona scelta della materia prima e del processo produttivo può ridurre l’impatto nella fase di produzione, mentre sono disponibili ed economicamente fattibili soluzioni per la fase di fine uso.

Il caso delle turbine eoliche ne è il miglior esempio: i compositi possono avere un’influenza molto positiva sull’ambiente, il che supporta il titolo di questo articolo.

Ben Drogt – BiinC

Original English text from the author

Composites and the environment can be a perfect fit!

T

he image of plastics, related to the environment, is in general not positive. Plastics that end up in the environment (like the “Plastic Soup”, micro plastic waste, gathering in the oceans) contribute to this image and is also caused by the high durability of polymers: traditional plastics degrade very slowly in the environment! It is important to show also the positive contribution of plastics, and, more specifically, fiber reinforced plastics, to the environment. The production and use of fiber reinforced plastics or composites can have a reduction of use of raw materials and energy, compared to other, more traditional construction materials. The endof-life issue, that gives plastic and also composites the “bad image” (better call it end-of-use issue), needs of course attention and solutions from the industry, but here it will be presented the positive impact of composites.

THINK IN THE CHAIN To evaluate the environmental impact of a car, a house, a TV or any other product, all steps in the life cycle should be considered: Production, Use and Endof-Use. Products have an environmental impact in all these phases.

Production phase In this phase materials are used that once have been won from, most often, a natural resource, and are produced via different processes that require energy and other utilities. To convert these materials into a product, production processes are used that require energy and utilities as well. In most cases, these processes also create emissions to the air, to the water and to land.

Use phase In the Use phase the product may require energy to use it (like electrical

equipment, cars and aircrafts) and require maintenance. Next to the durability of the product (how long can it be used), the use phase can have a very big environmental impact.

Especially for products that needs to move (accelerate and decelerate) or needs to go up and down (like an aircraft), the use of energy is a very important factor in the total chain.

End-of-Use phase Finally the environmental impact of the product at the moment it will not or cannot be used anymore, the End-of-Use phase, can have a substantial effect on the total chain, depending on recycling method used.

The sum of all phases represent the total environmental impact. It is important to take all phases into account to make the right decision in the choice of material for a part.

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- Composites and the environment can be a perfect fit! For example, a relative high environmental impact in the End-of-Use phase can by compensated and overruled in the Use phase.

A full Life Cycle Assessment (LCA) is therefore the only way of comparing materials on their environmental impact.

PRODUCTION OF COMPOSITES The environmental impact in the Production phase of composites is mainly driven by the choice of raw materials, being the resins, the reinforcement fibers and additives. A study, done by the University of Tokyo (Suzuki, c.s.), indicate that the embodied energy of the raw materials is substantially higher than the energy use for producing the product, as indicated in figure 2.

The European Composite Industry Association (EuCIA) has recently developed a calculator tool with which the environmental impact of the production phase of a composite part can be calculated. This tool, that can be found on the web-site of EuCIA (www. EUCIA.com), and allow the average professional in the composite industry to evaluate its own product, based on a large number of raw materials and production processes. First calculations with this tool support the conclusion of the University of Tokyo and indicate that 80-90% of the embodied energy (and of the total environmental impact) of a composite part is contributed by the materials. It is therefore of importance to make the right choices of materials, when environmental impact is a key feature of the composite part to be produced.

USE OF COMPOSITES The choice for composites is mainly driven by the low weight of composites and the durability of composites, compared to traditional construction materials, such as steel, wood and concrete.

For parts that move, both horizontally and vertically, the weight is of big influence on the energy required to move the part.

Saving weight on cars and, even more, on aircrafts will have a major impact on the energy use during operation.

As a rule of thumb, reducing the weight of a passenger car with 100kg. results in a reduction of fuel consumption of 0.4 to 0.6 liter per 100 km. In the past decades composites are mainly used for body panels of (smaller series) cars, but recently, with the launch of the BMW i3, composites are introduced in structural parts of a larger series car model.

For aircrafts, this effect is even stronger: 50% of the weight of the Boeing 787 “Dreamliner” is carbon fiber composite, resulting in a weight reduction of the total aircraft of 20%. and resulting in a fuel

34

Compositi

consumption reduction, together with an optimized aerodynamic shape and improved engine efficiency, in a fuel consumption reduction of 20% as well.

Composites have a very special position in the renewable energy industry, and specifically in wind turbines. Today’s size and efficiency of wind turbines (up to 160 m diameter and 8 MW capacity) are only possible due to the use of composite materials, to make very strong and light wings.

As an example of the very positive environmental impact of wind turbines with composite wings, the following fact: a typical 2MW wind turbine produces in 7 months the same amount of energy that was used to make and install it.

During its use-time it produces 34 times the energy it cost to produce it (example from VESTAS type V100 2.0MW wind turbine).

The low weight, high durability and also the high thermal insulation properties of composites (compared to metals), make composites also a very interesting material for buildings facades. In the last years architects have used also the freedom of shape of composites to make spectacular buildings. A good example of this is the Aliyev Cultural Center in Baku, Azerbaijan (designed by Zaha Hadid): the total outer shell is produced in composite material.

END-OF USE OF COMPOSITES Due to the high durability of composites, the life time of a composite product can be very long, while maintenance will be limited.

It is very often the case that the economical life-time or the esthetical lifetime of a composite part is shorter than the material life time. Therefore “end-ofuse” is a better way of marking the moment that a composite product needs to be recycled.

A good example is the trend in wind energy, where older (low capacity) turbines are replaced by bigger ones. The technical state of the old turbines is very often still very good, but the efficiency of the (out-dated) equipment is economically feasible anymore.

Today, most composites are glass fiber reinforced thermosetting materials (with epoxy, polyester or vinyl ester resins). A typical feature of a thermosetting resin is that it cannot be molten, like thermoplastic resins. Therefore the re-use option that is feasible for thermoplastics, by re-melting and re-molding in new parts, is not possible.

The end-of-use phase of thermoset composites requires therefore other solutions.

In general the following options are available for this class of composites:

• re-use part or material: use the composite part or material in another application • chemical recycling: decomposing the resin into chemicals and reinforcement material • mechanical recycling: grinding of the composite, to be used as filler in composites or other materials (for example Gees Recycling in Italy) • thermal recycling: use the energy stored in the resin as source of energy in power plant (reinforcement fiber will be residue) • cement kiln route: use composite waste as raw material and fuel for the cement production process.

All these methods are at different stages of development, where especially the cement kiln route has shown to be economically feasible. This route is compliant with the EU-legislation on recycling (Composites Recycling Made Easy, EuCIA positioning paper, 2011).

This route uses 100% of the composite waste, by adding grinded composite to the production process of cement. The glass fiber and other mineral fillers in the composite are raw material for cement, while the resin and other polymer or burnable materials acts as fuel for the energy intensive process of making cement.

The use of regrind composites in the cement production can even reduce the total CO2 emission of this process with up to 16% (evaluated by Holcim, Aliancys and ETH Zurich-CH).

CONCLUSION The 3 phases in the life cycle of a composite product have very different contributions to the environmental impact.

Most benefits can be gained from the low weight, high durability and freedom of shape, during the Use phase. However a good choice of raw material and process, will also reduce the impact in the Production phase, while solutions for the End-of-Use phase are available and economically feasible. The wind turbine case shows the best: composites can have a very positive influence on the environment, which supports the title of this article.

All the mentioned figures refer to the Italian version Fig. 1: The product life cycle.

Fig. 2: Embodied energy of composite materials and processes (Suzuki, c.s.).

Fig. 3: The largest windturbine in 2015: VESTAS V164 8MW. Fig. 4: Aliyev Cultural center in Baku.

Fig. 5: Cement production process with composite waste use (courtesy of Holcim).

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I tiranti anti-terremoto in fibra di carbonio

Photo Credit: Takumi Ota

L’archistar giapponese Kengo Kuma ha rigenerato un palazzo nella città di Nomi, sul mar del Giappone. La sua particolarità? È un edificio che utilizza la fibra di carbonio per resistere ai terremoti. Come una tela di ragno, i tiranti in fibra avvolgono il palazzo, aumentandone la resilienza.

Lo spunto sono le tradizionali tecniche di lavorazione per la realizzazione del cordame. Kengo Kuma le ha replicate sulla fibra di carbonio: in questo modo è riuscito a ottenere un tirante intrecciato che presenta la resistenza della fibra di carbonio e la flessibilità della corda. Tramite un software, è stata calcolata la posizione di ciascuno dei tiranti per la cui realizzazione sono stati utilizzati 630 km di carbonio. Lo scopo era quello di utilizzare il carbonio come materiale di supporto alle proprietà antisismiche e di resilienza dell’edificio. La resistenza meccanica della fibra di carbonio è dieci volte superiore a quella dell’acciaio: a fronte di un peso minore – pari a 1/4 – la sua forza di trazione è quattro volte maggiore. Il risultato è un materiale che

鋼管:溶融亜鉛メッキ

▽最高高さ(=1FL+15,950)

パーゴラ:炭素繊維ロッドφ9

4,050

天井:EP塗装 外壁:GreenBiz Sakan

笠木PL:溶融亜鉛メッキ

EVホール 床:高強度GreenBiz

天井:断熱吹付＋タイカコート

壁:炭素繊維ロッドブレース壁

展示スペース

緑化:GreenBiz Roof

天井:断熱吹付＋タイカコート

炭素繊維ロッドスクリーン

展示什器

間仕切カーテン

3,270

ランプシェード

3,100

3,190

天井:ウレタン吹付断熱材

空調機械室

EVホール

壁:カーテン

EPS

アーカイブスペース

壁:EP塗装

廊下

床:OSSB

床:OSSB

床:OSSB

3,100

300

床:OSSB

床:高強度GreenBiz

緑化:GreenBiz Roof ▽P1FL (=1FL+11,900) ▽RSL (=1FL+11,600)

▽3FL (=1FL+8,410)

天井:EP塗装 天井:EP塗装 EPS

男子トイレ

女子トイレ

壁:CFロッドブレース壁

事務室

床:ビニルタイル

床:OSSB

床:ビニルタイル

3,040

EVホール

壁:カーテン

2,400

事務室

3,040

2,430

3,400

12,300

天井:EP塗装 炭素繊維ロッドスクリーン

天井:吸音ボード 壁:炭素繊維ロッドブレース壁

▽2FL (=1FL+5,010)

1,340

炭素繊維ロッドφ9

外壁:GreenBiz Sakan

天井:現し

壁:カーテン

4,650 EPS

倉庫

床:モルタル補修 +防塵塗装

床:御影石

床:モルタル補修 +防塵塗装

▽1FL (=GL+400)

天井:ファブリック

エントランスホール

3,000

壁:断熱吹付＋タイカコート

事務室

床:モルタル補修 +防塵塗装

▽平均GL

2,000

400

炭素繊維ロッドスクリーン ラボ

3,310

4,650

5,010

ソックダクト

▽基礎下端 GL-2,000

260 3,500

4,200

8,000

7,700

36

8,000

7,480 8,000 40,000

Compositi

260

3,000

4,145 8,000

855 8,000

3,350

3,500 6,850

si rivela promettente per aumentare la resilienza degli edifici, dato che il processo di lavorazione non ha evidenziato problemi o difficoltà particolari. La struttura - posizionata sul “Fa-Bo”, lo spazio di lavoro, ricerca e sviluppo della manifattura tessile Komatsu Seiren - è stata studiata per garantire all’edificio un’adeguata protezione contro le onde sismiche e funziona in questo modo: quando la struttura oscilla, i tiranti del lato opposto bilanciano lo spostamento del palazzo. L’archistar Kengo Kuma ha pensato alla protezione ma anche alla valenza estetica: i tiranti, come una ragnatela, sono disposti attorno all’edificio, garantendo trasparenza e leggerezza.

Green buildings: a European common language “Many people talk about green buildings but there is no common understanding of what a green building actually is. Everyone has different ideas,” says Josefina Lindblom of the European Commission’s DG Environment. “We need everyone to talk the same language and use the same criteria.”

Many people only focus on the use phase and typically the energy consumption when they think of a green building. “Less than 1% of buildings in the EU have gone through an environmental assessment beyond energy efficiency. But we at the European Commission think it should be a wider approach that looks at the full life-cycle of the building – from the extraction and production of the materials, to the construction and use of the building and then the endof-life” declares Josefina Lindblom, In 2014, the Commission published a strategy document on ‘Resource Efficiency Opportunities in the Building Sector’ (COM(2014)445). This identified the need for a common European approach to assess the environmental performance of a building throughout its lifecycle. To achieve this, a two and a half-year study to develop an EU common framework of indicators for such assessment has been launched. Groups of stakeholders work closely with Commission experts to help guiding the process. The work is advancing and has now come to a stage where a set of indicators and how they could work will be suggested. A public consultation regarding this has just been launched and will be open until early October. The new indicators should be presented in summer 2017. “By having a common language – core indicators – we can help influencing decisions along the value chain. We will provide a tool with a limited number of key indicators to allow reporting between the actors, useful for the mainstream market” says Lindblom. The aim is to develop a voluntary common framework which should be possible to use direct-

ly, as a reporting tool, by building professionals and their clients to prioritise their focus for making environmental improvements. It is however not planned to link the indicators to European benchmarks. It should furthermore be possible to use the framework indirectly by existing and future assessment and certification schemes to ensure that their criteria reflect priority areas for resource efficiency at a European level, and of course to assure the comparability of data and results. One of the benefits that the Commission hope that their work will result in will be a common language and comparable data that will help supporting the business case for green buildings. The common language will moreover support the transfer of good/better practice to and in the mainstream market. “Most green buildings today are at the high-end buildings of the market. We want to move green thinking into the residential sector, which equals 70% of the market. The idea with the current work is to provide something simple to use that is suitable for the standard, mainstream market”. Construction has a prominent position in the EU’s new strategy to develop the circular economy across Europe. “Research shows that the building sector is one of the biggest resource users in our society”, Lindblom points out. “Looking at their full life cycle, buildings use about 50% of our extracted materials and of our energy. One third of water goes to buildings in one way or another, and more than one third of our total generated waste is construction and demolition waste.” The link to the consultations is: http://susproc.jrc.ec.europa.eu/Efficient_Buildings/register.cfm

La Sezione CESMA “Giulio Douhet” a supporto del settore Aerospaziale Il 17 maggio scorso si è riunita per la prima volta l’Assemblea della neo costituita Sezione CESMA “Giulio Douhet” dell’Associazione Arma Aeronautica. Si tratta di una tappa importante che segna un salto di qualità nell’aspirazione del CESMA, il Centro Studi Militari Aeronautici, a realizzare sempre meglio la sua missione di “diffondere la cultura dell’Aeronautica, dello Spazio e delle alte tecnologie, oltre che rendere disponibile un ambiente comune nel quale scambiare idee, dibattere liberamente e studiare indirizzi e tendenze del mondo aerospaziale e della difesa, allo scopo di facilitare l’individuazione delle sinergie e l’elaborazione di proposte da sottoporre, con intento puramente collaborativo, all’attenzione dei decisori politici e istituzionali”. Nel 2016 i principali temi in trattazione includono: il Volo Ipersonico, il Volo e l’Arte, la Difesa Europea, le Reti di Comunicazioni Strategiche della Difesa, gli Aeromobili a Pilotaggio Remoto ostili, l’Air Power, il Future JISR, la Hybrid Cyber Warfare e la Corsa Verso Nuovi Mondi.

La costituzione della Sezione CESMA consentirà a tutti coloro che lo desiderano di diventare Soci e pertanto di partecipare de-

mocraticamente alla definizione degli indirizzi di sviluppo delle attività, oltre che a fornire in modo più efficace la loro opera volontaria, rendendo più coesa la comunità di tutti gli appassionati di Aeronautica, Spazio e alte tecnologie. Alcuni dei valori, per così dire, professionali di questa comunità sono: la curiosità visionaria; la sicurezza, intesa come safety e come security; la qualità del lavoro, dei processi e dei prodotti; la concretezza; il pragmatismo; lo spirito di sacrificio e l’amore per la propria professione e, non ultimo, il desiderio di essere utili al nostro Paese. Il CESMA si sta avviando a diventare un Think Tank con grande visibilità, peso, efficacia e incisività nel panorama aerospaziale nazionale e internazionale, grazie all’apporto di idee, delle risorse umane e finanziarie di tutti coloro che sia a livello individuale che collettivo, pubblico e privato, sono interessati a mantenere il nostro Paese a un livello di competitività comparabile con quello degli altri Paesi tecnologicamente più avanzati, in Europa e nel mondo.

Tutti coloro che hanno fatto o fanno parte dell’affascinante mondo dell’Aeronautica, dello Spazio e delle alte tecnologie o che comunque ne sono appassionati, sono invitati a visitare il sito www.cesmamil.org e a diventare soci della neo costituita Sezione CESMA Giulio Douhet.

Nazzareno Cardinali, Presidente

Compositi

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ACELL

Tecnologia e prodotto per l’edilizia Oggi si assiste all’aumento della domanda di edifici prefabbricati, interamente o per parti, e di tecniche di costruzione a secco. I motivi sono ridurre l’impronta ecologica per la loro costruzione e uso nel tempo e i costi di costruzione.

Inoltre, le norme nazionali chiedono di intervenire sul patrimonio edilizio esistente per ridurre il consumo energetico e migliorare la sicurezza in caso di eventi catastrofici, naturali o umani, anche in contesti di salvaguardia architettonica e storica. In questo contesto si presenta la tecnologia di produzione ed il prodotto ACELL. CHI È ACELL INDUSTRIES LTD è un’impresa irlandese che sviluppa prodotti innovativi con competenze ed esperienze in scienza dei materiali, ingegneria, architettura, design, cantieri, processi industriali, processi di stampaggio.Ha investito, e continua ad investire, nella ricerca e sviluppo detenendo numerosi brevetti internazionali.

Produce inoltre una schiuma minerale, su cui si fonda la sua tecnologia di stampaggio, e un additivo che può essere usato per migliorare le caratteristiche di resistenza al fuoco di molti materiali oggi in commercio o direttamente quale sistema di spegnimento del fuoco.

Stipula accordi commerciali e Joint Venture con partner commerciali o di produzione. La sede italiana, ACELL Italy srl, è il luogo di produzione e della ricerca e sviluppo.

TECNOLOGIA DI PRODUZIONE E PRODOTTO EDILIZIO ACELL produce sistemi di pannelli per l’edilizia, sostenibili dal punto di vista ambientale e prodotti attraverso un unico processo di stampaggio.

I prodotti ACELL sono composti per l’80-85% da elementi naturali e sono completamente riciclabili nel ciclo di produzione della sua schiuma. Il disegno superficiale dei pannelli è scelto dalla committenza, o dall’autorità locale, ed è realizzato con gli stessi prodotti della tradizione edilizia locale per riprodurre le stesse finiture.

La caratteristica del prodotto è quella di possedere contemporaneamente: resistenza termica, assorbimento ed isolamento acustico, resistenza al fuoco fino all’ininfiammabilità per alcu-

Palazzo storico in Sicilia: la facciata prima e dopo l’installazione dei decori in materiale composito ACELL. ne soluzioni, abbattimento delle pressioni causate da esplosioni, leggerezza e resistenza strutturale.

I sistemi costruttivi ingegnerizzano il cantiere riducendo i tempi di realizzazione e quindi i costi. Sono stati sviluppati e prodotti i seguenti sistemi: • protezione alle esplosioni – JV PELTA (cfr. Colombo et alii, 2015). Test svolti con il Comando Genio delle FA italiane hanno dimostrato la capacità dei pannelli di ridurre di due ordini di grandezza le pressioni interne a seguito di esplosione (da circa 15 PSI misurati sull’involucro esterno a circa 0,2 PSI misurati nell’ambiente interno) • rivestimento esterno per l’isolamento termico ed acustico di edifici esistenti (cfr. Fortini e Piana, 2016) • SIP, sia con l’inserimento di elementi strutturali in acciaio e legno, sia con sola pannellature in OSB costampata al pannello ACELL • involucro interno ed esterno di strutture in acciaio e legno • cassero a perdere comprensivo di finitura esterna ed interna per il calcestruzzo di cemento armato, profilati a freddo o laminati a caldo in acciaio • manti di copertura con più tegole integrate in un’unica soluzione di installazione • modular housing secondo un disegno innovativo sia per le abitazioni di emergenza sia per quelle residenziali a uno o più piani.

Palazzo storico in Sicilia: dettaglio dei timpani delle porte finestre del primo piano prima e dopo.

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Compositi

ITALMATIC

Autoclavi, forni e presse Italmatic è un›azienda italiana il cui “core business” è la progettazione, fabbricazione, installazione e messa in servizio di autoclavi, forni e presse per i diversi campi di applicazione dei materiali compositi.

L’azienda ha sempre orientato i propri sforzi nella direzione di una continua innovazione, facendo proprie le soluzioni più performanti e scartando quelle scarsamente produttive.

Oggi Italmatic è un’azienda fra le più apprezzate a livello mondiale per le performances dei macchinari proposti, grazie a un “range” di fabbricazione fino a 6 m di diametro e senza limitazione di lunghezza; diverse soluzioni in termini di riscaldamento (elettricità, olio, gas e vapore), di raffreddamento (aria e acqua) e di ricircolo del flusso di pressurizzazione sulla base di carichi omogenei e disomogenei. La missione è garantire i termini di uniformità di ciclo richiesti e produrre in modalità ”energy saving” auspicata da tutti gli utilizzatori.

CFD (Computational Fluid Dynamic), prove di simulazione, dove la geometria del recipiente e la geometria del componente da trattare vengono posti sotto condizione di lavoro per uniformare il flusso di ricircolo e dimensionare i componenti dell’impianto, sono la genesi del know-how aziendale.

Tutti i macchinari Italmatic sono gestiti tramite SCADA realizzato in-house e ogni fase viene visualizzata tramite scherma-

te intuitive, di immediata comprensione dell’operatore. Inoltre un applicativo gratuito permette di visualizzare e stampare i dati da ogni PC incluso nella rete aziendale.

Tutte le macchine Italmatic vengono testate in fabbrica prima della spedizione, alla presenza del cliente se richiesto.

L’azienda, tramite il servizio di post-vendita, garantisce continuità di ricambi e “upgrades” alle autoclavi installate nonché attività di retrofitting di ogni genere su autoclavi costruite anche dalla concorrenza.

SIKA

Importanti novità per i sistemi FRP Le NTC 2008 al §11.1, prescrivono che i materiali da costruzione non marcarti CE e non in possesso di un’ETA, siano in possesso del CIT (Certificato di Idoneità Tecnica all’Impiego). I sistemi di rinforzo FRP ricadono proprio in quest’ultimo caso.

A partire dall’8 luglio 2016, diventa obbligatoria la “Linea Guida per la identificazione, la qualificazione ed il controllo di accettazione di compositi fibrorinforzati a matrice polimerica (FRP) da utilizzarsi per il consolidamento strutturale di costruzioni esistenti”, che consente ai fornitori di sistemi di rinforzo FRP, di qualificare i propri sistemi. La Linea Guida riguarda SOLO materiali FRP costituiti da fibre lunghe di carbonio, vetro o arammide in una matrice polimerica termo-indurente. Tutti gli altri sistemi di rinforzo non possono, ad oggi, essere qualificati e accettati, e quindi non possono essere utilizzati con finalità strutturali, ai sensi delle NTC 2008.

Tutte le forniture in cantiere di materiali FRP, a partire dall’8 luglio, devono essere accompagnate dal CIT e rispettare tutte le indicazioni della Linea Guida.

Una delle novità principali della Linea Guida è l’introduzione di classi in base ai valori di modulo elastico e resistenza a trazione sia per i materiali preformati, sia per gli impregnati in situ.

Classi che sono concettualmente paragonabili a quelle, già note ai progettisti, in uso per gli acciai da costruzione. Ai progettisti basterà quindi prescrivere un sistema di rinforzo specificandone solo la classe. Il Direttore dei Lavori dovrà invece accettare in cantiere il sistema fornito, verificando che sia in possesso delle caratteristiche richieste in termini di documentazione e

Classe

Natura della fibra

Modulo elastico a trazione nella direzione delle fibre [GPa]

Resistenza a trazione nella direzione delle fibre [MPa]

E17

Vetro

17

170

E23

Vetro

23

240

G38/600

Vetro

38

600

G38/800

Vetro

38

800

G45

Vetro

45

1000

C120

Carbonio

120

1800

C150/1800

Carbonio

150

1800

C150/2300

Carbonio

150

2300

C190/1800

Carbonio

190

1800

C200/1800

Carbonio

200

1800

A55

Arammide

55

1200

Modulo elastico a trazione nella direzione delle fibre [GPa]

Resistenza a trazione nella direzione delle fibre [MPa]

Classi degli FRP preformati.

Classe

Natura della fibra

60G

Vetro

60

1300

210C

Carbonio

210

2700

350/1750C

Carbonio

350

1750

350/2800C

Carbonio

350

2800

500C

Carbonio

500

2000

100A

Arammide

100

2200

Classi degli FRP impregnati in situ. tracciabilità e accertare, tramite prove di accettazione, l’appartenenza del sistema fornito alla classe prevista dal progettista.

Sika ha qualificato i sistemi FRP preformati (Sika® CarboDur ® ) ed impregnati in situ (SikaWrap ® ).

Compositi

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SIREG GEOTECH

Soluzioni in FRP per l’America Latina Sireg Geotech, la società di Arcore (MB) specializzata nei settori dell’ingegneria civile e della geotecnica, nel 2016 celebra ottant’anni di attività e successi nel mercato globale delle costruzioni civili e delle infrastrutture, con orizzonti sempre più allargati sui mercati extra europei.

In particolare, già da alcuni anni, la sua filiale colombiana Sireg Latinoamérica ha intrapreso con successo la commericializzazione in America Latina di prodotti in FRP per applicazioni antisismiche e di restauro.

Oltre alla produzione e alla vendita dei più conosciuti materiali in FRP, gli sforzi di Sireg si sono concentrati sullo sviluppo di alcuni prodotti specifici, utili al rinforzo di strutture in mattoni e in terra cruda che, per ragioni economiche e sociali, sono tuttora molto diffuse nei paesi latinoamericani. Il problema principale di queste costruzioni risiede nella scarsa resistenza dei materiali da costruzione utilizzati e nella totale o quasi assenza di materiali di rinforzo che comunque, laddove presenti, si rivelano inadeguati per conferire alla struttura un’idonea capacità di resistenza ad eventi sismici anche di lieve portata.

Di qui, l’esigenza di sviluppare dei materiali compositi specifici in grado di garantire un miglioramento delle prestazioni di queste strutture con un ottimo rapporto tra costi e benefici, essen-

ziale in questa particolare area geografica.

Due dei principali prodotti realizzati da Sireg a questo scopo sono: una maglia in fibra di vetro A/R (Alcali Resistente) e una barra in fibra di vetro realizzata in modo tale da poterla inserire e mimetizzare tra i giunti delle file di mattoni che compongono la struttura.

Entrambi i prodotti si possono applicare sul substrato con l’ausilio di vari tipi di materiali quali, ad esempio, resine epossidiche, malte cementizie o calce e permettono di ottenere una soluzione per il rinforzo completa ed efficace a costi contenuti.

Il successo e la diffusione di questi prodotti è stato immediato e tale che oggi in Colombia, ad esempio, l’80% degli interventi di rinforzo antisismico su edifici in muratura viene abitualmente realizzato con questi materiali. Dopo scrupolose campagne di sperimentazione dedicate alle peculiari condizioni tecniche locali, i materiali Sireg sono stati approvati dal ministero dei Beni Culturali Colombiano che, per primo, ne ha intravisto le potenzialità e i benefici.

L’uso di questi materiali permette di rinforzare efficacemente edifici storici, monumenti e abitazioni, lasciandone invariato l’aspetto esteriore.

Credits fotografie: Y&J Ingenieria – Bogotá, Colombia

Rinforzo a taglio e flessione di parete in mattoni con barra in fibra di vetro.

Completamento del lavoro con trattamento estetico delle tasche in cui sono state collocate le barre di rinforzo.

Rinforzo antisismico con maglia in fibra di vetro.

Ricopertura maglia in fibra di vetro con malta strutturale.

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Compositi

COMPOSITES EUROPE 11. Salone Europeo e Foro per i Materiali Compositi, Tecnologie ed Applicazioni

Visions become reality.

29 nov – 1 dic 2016 Fiera di Dßsseldorf, Germania www.composites-europe.com

Organised by

Partners

ANGELONI

Tessuti in fibra di carbonio da pitch Tradizionalmente le fibre da pitch sono state utilizzate sotto forma di preimpregnati unidirezionali o sofisticati tessuti leggeri prodotti con fibre a basso titolo (es. 240-270 tex). Con l’obiettivo di portare le fibre da pitch alla portata di tutti, la società G. Angeloni Srl., specializzata nella produzione e vendita di tessuti in fibra di carbonio, in collaborazione con la GP Marketing Consulting S.a.s., società di consulenza per lo sviluppo di tecnologie e prodotti di nuova generazione e di Sumitomo Corporation Europe, da molti anni distributore ufficiale delle fibre Dialead™ in Europa, ha lanciato una nuova linea di tessuti bilanciati e unidirezionali.

Questa nuova gamma di tessuti permette agli utilizzatori di sfruttare a pieno le caratteristiche uniche delle fibre da pitch Dialead™, l’alta rigidità dovuta agli elevati valori di modulo (fino a 760 Gpa per la fibra K13916), alta conducibilità termica (fino a 200 W/m°K sempre per la fibra K13916), alte prestazioni in termine di smorzamento delle vibrazioni, eccellente stabilità dimensionale grazie al coefficiente di espansione termica, negativo per le fibre da pitch e bassa resistività elettrica.

Ai prodotti finora citati sono stati abbinati nastri unidirezionali e tessuti bilanciati creati dallo spreading della fibra K13312, con modulo da 420 GPa a fronte di una resistenza a trazione

Il nuovo tessuto bilanciato. di ben 3200 MPa, ideali per applicazioni in cui è richiesta una lavorabilità elevata. Il tessuto da 200 g/m2 è già in fase di collaudo industriale in applicazioni automobilistiche, per ridurre il peso di parti di grandi dimensioni, mantenendo invariata o addirittura incrementando la rigidità della struttura composita, oltre che nel settore dei beni di consumo.

APLIX

Chiusure a strappo senza adesivi ad alta performance Aplix, multinazionale francese specializzata nel settore delle chiusure a strappo “Hook and Loop”, concepisce, sviluppa e produce sistemi innovativi di fissaggio in risposta alle esigenze ed evoluzioni dei settori tecnici quali igiene, automotive, aeronautico, packaging, medicale, militare, cleaning ed arredamenti di interni. Qualità ed innovazione rappresentano per la società i due punti sui quali basare la propria strategia aziendale. Oggi Aplix ha sviluppato una soluzione innovativa per facilitare il fissaggio dei sistemi aggrappanti su componenti in materiali compositi, eliminando totalmente l’utilizzo di adesivi, che comportano notevole costrizioni a livello industriale. L’azienda ha immaginato e realizzato un aggrappante hook in grado di integrarsi direttamente in modo facile e senza manovre aggiuntive, al processo di produzione del pezzo in fibre composite,

garantendo elevate performance di tenuta.

L’Aplix 224 Composite, oltre a rendere affidabile nel tempo e sicuro l’assemblaggio permette anche di immaginare un nuovo design. La flessibilità e l’opportunità di consegnarlo in pezzi già pre-tagliati offrono la possibilità di personalizzare le zone di fissaggio e, di conseguenza, ottimizzare le zone di assemblaggio adattandosi perfettamente a forme tridimensionali. Il nuovo Hook and Loop Composite è stato ideato per rispondere alle nuove esigenze e domande del settore dei trasporti. Con la collaborazione della Sem Innovation, società torinese specializzata nella progettazione e sviluppo di interni di auto e trasporti in generale, nuovi sedili dal design accattivante ed innovativo sono in fase di studio e già in poco tempo hanno suscitato grande entusiasmo da parte dei grandi costruttori di auto.

Compositi

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OWENS CORNING

Creare valore per i produttori di tubazioni ad alta e bassa pressione

PipeStrand™ M6000 multi-end

ULTIMATE PROTOTYPES

PipeStrand™ S1000 single-end

Owens Corning, specializzata nella lavorazione di vetroresina e materiali compositi avanzati, ha presentato la nuova gamma di prodotti PipeStrand™ a filamento continuo per la produzione di tubazioni ad alta e bassa pressione.

I rinforzi PipeStrand™ trovano applicazione con molteplici tipi di resina e sistemi di cura per soddisfare le diverse esigenze del mercato.

Ad esempio i filati single-end PipeStrand™ S2300 e S2500 sono stati studiati per il settore dei tubi in resina epossidica: presentano entrambi una rilevante stabilità idro-termale in condizioni di alta pressione, favorendo un ciclo di esercizio delle tubazioni della durata di oltre 20 anni.

Per il mercato del filamento continuo a bassa pressione, il prodotto single-end PipeStrand™ S1000 è compatibile con le resine poliuretaniche, poliestere e vinilestere e si distingue per le sue particolari proprietà idrostatiche e meccaniche a lunga durata. Oltre alle tubazioni, è utilizzabile per la produzione di carri armati e navi.

PipeStrand™ M6000 multi-end è compatibile con le resine vinilestere e poliestere. Trova applicazione nella produzione di piccoli e grandi diametri, può essere utilizzato nei processi “chop and drop” e spray, su piani orizzontali o verticali e superfici complesse.

Tutti i prodotti sono realizzati in fibra di vetro Advantex® senza boro che unisce le proprietà meccaniche ed elettriche del tradizionale E-glass con la resistenza alla corrosione degli acidi dell’E-CR glass.

Al fine di supportare i clienti nei processi di progettazione e produzione, Owens Corning offre una Pipe App focalizzata sui prodotti epossidici che permette di selezionare il prodotto, fare una comparazione dei materiali e degli strumenti di modellazione.

“Per la produzione di tubazioni ad alta e bassa pressione, il nostro scopo è quello di ridurre il consumo della resina e di incrementare le prestazioni meccaniche del prodotto, favorendo la fluidità e la velocità del processo di lavorazione, in modo che i nostri clienti possano ottenere un prodotto esteticamente valido ed esente da difetti – dichiara Bryan Minges, Global Product Manager Composite Solutions Business di Owens Corning che prosegue – Il lancio dei nuovi prodotti PipeStrand™ è a livello globale: America del Nord e America Latina, Europa, CSI Russia, India, Cina e Corea. Abbiamo un ottimo network di supporto post vendita. La qualità del prodotto è fondamentale così come il servizio offerto ai clienti. Forniamo anche consulenza per la scelta del miglior prodotto secondo le effettive necessità produttive.

Per quanto riguarda le certificazioni, ci sono essenzialmente due tipi di approccio: in alcuni Paesi dobbiamo certificare i nostri prodotti mentre in altri è il produttore a dover certificare le tubazioni. In ogni caso, Owens Corning è in grado di supportare il cliente in tutto il processo produttivo”.

Bio compositi a basso impatto ambientale La giovane startup Kanèsis nasce dalla volontà di ridurre al minimo l’impatto ambientale producendo materiali derivati da elementi naturali, in grado di creare benefici per tutti. L’idea di sviluppare prodotti industriali da materie agricole è lo stimolo per valorizzare le risorse che la terra offre.

Oggi Kanèsis ha sviluppato un bio composito ottenuto dall’unione di matrici vegetali e scarti vegetali della canapa industriale che si è rivelato, rispetto agli altri materiali termoplastici presenti sul mercato, migliore sul piano delle proprietà fisico-meccaniche e con una maggiore leggerezza. “L’originalità e la potenzialità di questo composito risiede nella sua semplicità”, dichiarano i fondatori Antonio Caruso e Giovanni Milazzo. “È infatti possibile utilizzare il composito sviluppato in tutte le applicazioni industriali che utilizzino come materia di base granuli termoplastici di derivazione sintetica. Altro punto di forza del composito è che non richiede alcuna modifica sostanziale delle macchine industriali, ma, necessitando di temperature di lavorazione inferiori, riduce l’impatto ambientale”.

LE PERSONE Il cuore del progetto è formato da Giovanni Milazzo, studente di Ingegneria Industriale presso l’Università di Catania e Antonio Caruso laureato e specializzato in International Management con indirizzo in Finanza presso la LUISS Guido Carli, che hanno condiviso sin dall’inizio la passione e l’impegno per il progetto.

Oggi Kanèsis, può contare al suo interno un gruppo ben strutturato. C’è chi si occupa di produzione, chi di ricerca, chi di relazioni estere e chi di comunicazione.

Antonio Caruso

Giovanni Milazzo

IL MATERIALE L’idea di Kanesis è sviluppare una serie di materiali termoplastici economici utilizzando biomasse vegetali. Attualmente i materiali comunemente presenti sul mercato sono i metalli, i ceramici e i poli-

meri di origine petrolchimica, questi ultimi in grado di soddisfare le esigenze produttive per la facile lavorabilità. Per questo la start-up ha intuito che il prodotto innovativo sarebbe stato un materiale polimerico facile da produrre, estrudibile a basse temperature, leggero, economico e di origine vegetale. Poche ma salde le linee guida del progetto dove giocano un ruolo importante le biomasse che, oltre a conferire finitura e colore caratteristici, aumentano la tenacità del materiale.

Il 3 aprile 2015 è stata presentata la domanda di brevetto italiana e una internazionale PCT relativa alla composizione di una miscela termoplastica di resine ed alcuni scarti vegetali.

Tale composizione, battezzata HempBioPlastic (HBP), dopo vari test di laboratorio, è risultata migliorativa delle proprietà meccaniche del materiale, riducendo il peso specifico grazie alla presenza, all’interno della resina, di dispersioni di aggregati naturali.

Attualmente sono noti diversi materiali compositi comprendenti matrici di resine termoplastiche e componenti di origine naturale, in particolare fibre naturali derivanti da kenaf, lino, liuta, henequen, foglie di ananas, sisal, legno e segatura.

“Ci si è posti il problema di fornire un materiale composito con migliorate proprietà fisico-meccaniche e maggiore leggerezza e che, allo stesso tempo, presentasse una migliore lavorabilità ed economicità”, dichiara Milazzo. “Oltre questa prima fase di ricerca, altre domande di brevetto sono già in fase di studio per essere presentate e valorizzate”.

Dai primi test, l’HBP è risultato più leggero del 20% e più resistente del 30% rispetto al PLA (Acido Polilattico), al mo-

Compositi

45

Bio compositi a basso impatto ambientale

mento il bio-polimero con la maggiore quota di mercato.

Sebbene una delle prime applicazioni sia l’estrusione di filamenti speciali per stampanti 3D FDM (tecnologia al giorno d’oggi in costante e rapida evoluzione) - questo il settore individuato come primo mercato di sbocco per fare breccia sui consumatori - l’HBP può essere utilizzato nei più svariati settori dei termoplastici, lasciando spazio a infiniti sviluppi futuri.

CROWDFUNDING A luglio Kanèsis ha concluso una prima campagna di crowd­ funding sulla piattaforma Indiegogo e ne ha da poco lanciata un’altra su Kickstarter. Una scelta per reperire fondi che consente loro di conservare peculiarità e indipendenza. “Le energie che richiedono sono tante ma c’è una buona risposta da parte del pubblico. Continuiamo a girare l’Italia per promuovere i nostri prodotti e far conoscere la nostra mission.

Ci riteniamo molto soddisfatti e le richieste di informazione sono arrivate da qualsiasi punto della Terra”, affermano Milazzo e Caruso. La crescente consapevolezza ambientale da un lato, e l’interesse attorno alla stampa 3D dall'altro giocano a loro vantaggio.

LA STORIA IMPRENDITORIALE Il punto di forza di questa start-up è costituito da materiali nuovi per le biomasse utilizzate, e versatili perché processabili con comuni estrusori, essendo termoplastici in pellets. La strada da fare è lunga. Occorre posizionarsi sul mercato e implementare la produzione. La Kanèsis di domani sarà un’azienda pioniera della filiera industriale che parte dai campi e arriva nel settore tessile, alimentare, cosmetico e plastico, senza perdere mai l’attenzione per l’ambiente. Non è un caso che la filosofia aziendale si ispiri ai principi della Chemiurgia, la branca dell’industria e della chimica che si occupa della preparazione dei prodotti industriali esclusivamente da materie prime agricole e naturali, facendo uso di risorse rinnovabili a minimo impatto ambientale. Nato come movimento negli anni ’30, continua a esercitare il suo fascino ancora oggi e la sua storia si interseca perfettamente con quella della canapa. Coltivata e diffusissima in America fino al suo proibizionismo, la canapa allora era in grado di fornire all’industria gran parte delle risorse che oggi si ricavano dalla lavorazione del petrolio.

Così, mentre le conoscenze nel campo petrolchimico si sono ampliate e approfondite, quelle riguardanti i prodotti vegetali sono rimaste lacunose. Il lavoro da fare perciò è enorme e l’impegno di ricerca notevole. E dovrà essere una ricerca interdisciplinare perché quando si parla di economia e ambiente, si parla anche di responsabilità sociale e di politica, intesa come bene per la città e la sua comunità.

Bio-composites with low environmental impact The young startup Kanèsis was established in response to a will and determination to minimize environmental impact by manufacturing materials derived from natural elements, benefiting us all. The idea behind the development of industrial products from agricultural raw materials is to make the most of the Earth’s resources.

Today Kanèsis has developed a bio-composite derived from the combination of plant matrices and industrial hemp waste. Compared to other thermoplastic materials currently available on the market, their bio-composite has proven to be lighter in weight and better in terms of physical-mechanical properties.

Antonio Caruso and Giovanni Milazzo, founders of Kanèsis, explain: “The uniqueness and potentials of this bio-composite are due to its simplicity.

It can actually be employed in all industrial applications which utilize synthetically derived thermoplastic granules as their basic material.

This composite offers other benefits, too. It does not require any substantial modification to the manufacturing equipment and, because its processing temperature is lower than that of thermoplastics, it reduces the environmental impact”.

THE PEOPLE At the heart of this project are Giovanni Milazzo and Antonio Caruso. Milazzo, inventor of the bio-composite, studies Industrial Engineering at the University of Catania. Caruso holds a degree in International Management, with a specialisation in Finance from LUISS Guido Carli University.

Today, Kanèsis can rely on a well structured group working on production, research, international relationships and communications.

THE MATERIAL Kanèsis idea is based on developing a range of cost-efficient and plant-derived thermoplastic materials using vegetable biomass. The materials commonly available on today’s market are metal and ceramic based, as well as petrochemical derived polymers.

In particular, petrochemical polymers are easy to process and can therefore meet various production requirements. The start-up soon recognised that a truly innovative product had to be a polymeric material easy to produce, with a low tem-

perature extrusion process, lightweight, low-priced and plant-derived. These were the few, but solid guidelines of this project centered on biomass which, besides determining the color and finishing qualities of the material, increases its tenacity.

On April 3rd 2015, Kanèsis submitted a patent application under the Italian law and one year after, on April 1st 2016, the international PCT for the composition of a thermoplastic blend made of resin and plant waste, called HempBioPlastic (HBP ® ).

Lab testing shows that HBP ® improves the material’s mechanical properties, reducing its specific weight by including a dispersion of natural aggregates in the resin.

Today, industries employ several materials based on thermoplastic resin matrix and natural components; particularly natural fibres derived from kenaf, linen, jute, henequen, pineapple leaves, sisal, wood and sawdust.

“We wanted to provide a composite material with improved physical-mechanical characteristics, lighter in weight, easier to process and more cost effective”, says Milazzo. “In conjunction with this first research stage, we are working on new patent applications”.

Initial testing shows that HBP is 20% lighter and 30% stronger than PLA (polylactic acid), currently the most widely used bio­polymer.

Although the first application considered for the new material was the extrusion of a special filament for the rapidly evolving 3D FDM technology sector as an initial market outlet to attract consumers’ interest HBP ® can also be used in the most diverse sectors of thermoplastics, allowing for endless future developments.

THE CROWDFUNDING CAMPAIGN The young Kanèsis team launched a crowdfunding campaign on the Indiegogo platform, a choice which – as they explain – allows to maintain their peculiarity and independence. “We are close to the finishing line and are investing a lot of energy in this campaign.

We have high expectations and hope for a positive feedback. So far, our project has been favorably received, but we are now launching it on the market. We are effectively coming out of the embryonic stage and introducing ourselves to the

world. Hence, during the campaign, our products will be on sale and available for purchase anywhere in the world”, explain Milazzo and Caruso.

In the current climate, this should be a great opportunity for them: the growing awareness of environmental issues on the one hand, and the interest surrounding 3D printing on the other, should play in their favor.

THE ENTREPRENEURIAL HISTORY The main strength of this start­up company is based on new and versatile materials from biomass which can be processed via normal extruding machines in the form of thermoplastic pellets.

The road to success is undoubtedly long.

First, they need to place their product on the market and begin production. Competition will be tough, but Kanèsis is pursuing wider horizons and already working on long term projects: “We want to develop a circular economy whereby waste gains value and farmers have stronger bargaining and purchase power. In future, Kanèsis will be a pioneer in the industrial supply chain, starting from cultivated fields and ending in the textile, food, cosmetic and plastic sectors, without ever losing sight of environmental issues”.

And it is not by chance that their philosophy is inspired by the Chemurgy principles, a division of applied chemistry concerned with the manufacturing of industrial products through the exclusive use of agricultural and natural raw material and renewable resources with the lowest environmental impact.

Started as a movement in the Thirties, Chemurgy continues to be a fascinating concept whose history is perfectly interwoven with that of hemp. Widely spread and cultivated in America until it was made illegal, hemp used to provide industries with the majority of resources currently provided by petroleum products.

This led to the development of a vast know-how in the petrochemical sector, whilst the plant-based one lagged behind. Therefore, there is an enormous amount of work and research to be done.

Kanèsis will also adopt an interdisciplinary approach because, when it comes to economics and environment, social responsibility and politics – and by that referring to community interest and welfare – inevitably come into play.

Compositi

47

The UK’s largest meeting place for advanced engineering professionals

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Advanced Engineering is the industry eventepm: where Jaguar Land Rover technology group high-technology manufacturing sectors converge under “…the been full all the time, one roof tocorridors meet andhave do business.

and they are our decision makers” Graham Mulholland, Managing Director, epm: technology group

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M.-I. Popzyk, J. Schäfer, T. Gries – Institut für Textiltechnik (ITA), RWTH Aachen University, Aachen, Germany W. Böttger – NPSP.nl, Werkendam, Paesi Bassi Christoph Fahrenbrach – Barthels-Feldhoff GmbH & Co. KG Textilwerk, Wuppertal, Germania S. Woelders – Holland Hockey, Rotterdam, Paesi Bassi

Il progetto “GreenBraid” Biocompositi intrecciati su misura con fibre in fiocco allineate nella direzione di carico per applicazioni d’alta fascia

I

biocompositi (compositi rinforzati con fibre naturali) per applicazioni nelle costruzioni hanno dimostrato le loro capacità come materiali a vari livelli di aggregazione, ovvero microscopico (fibre), mesoscopico (tessuto) e macroscopico (pezzo). I biocompositi sono avviati a battere i compositi a base vetrosa in termini di prestazioni meccaniche e minor impatto ambientale. Sono stati realizzati molti prodotti promettenti, ma principalmente per produzioni in piccoli volumi per mercati di nicchia. Vanno invece sviluppate applicazioni in serie medie e grandi per elevati parametri di produzione.

Il problema principale per i compositi, sia tradizionali che a base naturale, è il costo relativamente alto di 30 C/kg in media, risultato di un processo produttivo che ancora richiede molta manodopera.

Di conseguenza, il mercato dei compositi bio-based è appena agli inizi, e lascia inesplorate molte promettenti tecnologie sostenibili. I filati o tessuti non sono ancora stati adattati a specifiche esigenze del prodotto finale.

I bastoni da hockey richiedono particolari proprietà di smorzamento dell’impatto alla struttura in composito. I compositi in fibra di carbonio e di vetro sono solo parzialmente adatti a questa esigenza. Le fibre di lino hanno migliori caratteristiche di smorzamento rispetto a carbonio e vetro.

Oltre a essere sostenibili, i compositi in have been all the time, fibra full naturale (NFC, natural fibre composites) possiedono proprietà di smordecision makers” zamento superiore. Il principale problema dei compositi a base naturale è la forte quantità di manodopera del processo produttivo.

IL PROGETTO “GREENBRAID” In “GreenBraid” viene definito il progetwas fantastic to meet with liketo e il processo produttivo di un bastonded people - especially in motor ne da hockey su prato costruito con fibre orts and dihybrid power…We’ve lino intrecciate, allineate nella direzione del leads carico, come esempio destinato t some great to follow up” ad& applicazioni ad alto valore. Il metodo Harbord, Sales Marketing Manager, LCL Electronics di produzione così definito rappresenta un’innovazione. Il prodotto finale di questo progetto è una combinazione tra un miglioramento di un prodotto esistente e un adattamento a un nuovo mercato. I bastoni da hockey su prato sono solitamente intrecciati con un mix costituito principalmente di filamenti di vetro e carbonio (virtualmente di lunghezza infinita).

I bastoni di questi materiali hanno buone

Fig. 1: Definizione degli obiettivi. proprietà meccaniche, ma la loro capacità di smorzamento è scarsa, il che riduce la maneggiabilità della mazza durante il gioco. Le fibre di fusto hanno proprietà meccaniche confrontabili con quelle delle fibre di vetro, e al contempo possiedono una straordinaria capacità di smorzamento. Lo svantaggio è che tutte le fibre naturali sono in fiocchi (cioè di lunghezza anche teoricamente non infinita) e per la fase produttiva successiva (intrecciatura) devono subire molte torciture per metro. Ogni torsione del filo porta a diminuire le proprietà meccaniche del composito finale a causa dell’anisotropia nelle proprietà delle fibre.

L’obiettivo di questo progetto è ridurre del 75% il consumo energetico di prodotti FRP con gli stessi costi di produzione, utilizzando l’esempio di un bastone da hockey (Fig. 1). L’approccio consiste nell’eliminazione di passaggi di lavorazione durante il processo di filatura e nell’aumento del livello di automazione durante la fabbricazione della preforma. Il dimostratore è messo a confronto con un bastone da hockey in carbonio.

La ricerca fornirà una base di conoscenze per un futuro trasferimento ad applicazioni come pale eoliche, recipienti in

pressione o scooter. Con l’aiuto di questo progetto, le piccole e medie imprese saranno in grado di produrre biocompositi per materiali ad alte prestazioni.

APPROCCIO Questi innovativi bastoni da hockey in fibra di lino consistono di fibre intrecciate disposte intorno a un’anima in schiuma, impregnate sottovuoto con una resina usando un foglio tubolare elastico.

L’approccio è nuovo e dipende in modo significativo dall’uso di filati intrecciati progettati ad hoc. Prima dell’intrecciatura, le fibre di lino sono lavorate usando una tecnologia di filatura speciale in modo da ottenere un filato non torto o a torsione ridotta.

Il metodo per trarre il massimo vantaggio da questo processo si baserà su di una “Progettazione di esperimenti” in stretta correlazione con le proprietà meccaniche misurate. Inoltre, verrà portato avanti un metodo per lo sviluppo e il miglioramento dei prodotti, una cosiddetta “Analisi di valore” (VA). In questo metodo VA verrà determinato il valore delle funzionalità richieste, che suggerirà gli approcci per l’ottimizzazione (similmente al VDI 2221).

Per la lavorazione di filati non torti o a tor-

Compositi

49

- Il progetto “GreenBraid” sione ridotta si usa la tecnologia di filatura ad avvolgimento. Un filamento continuo (in bianco) avvolto intorno alle fibre parallele nell’anima (in rosso) conferisce tenacità al fascio di fibre (Fig. 2). Le fibre d’anima presentano solo una leggera ondulazione quando il filato non è sottoposto a tensione, rispetto all’alto grado di torsione che esibisce un filato a catena continua.

Nel progetto, le fibre di lino saranno avvolte nell’anima con filamenti polimerici.

Verranno usati diversi tipi e varianti di fibre naturali. Si valuta la filatura ad avvolgimento considerando le richieste per il processo di intrecciatura così come la stabilità del processo di filatura. Viene usato il metodo della progettazione di esperimenti. Fibre, nastri cardati e filati saranno verificati attraverso vari test.

Per migliorare il processo produttivo, verrà modificato il processo di intrecciatura. Solitamente, questo processo porta a un alto tasso di danneggiamento delle fibre. Il filato passa attraverso molte guide sottili mentre viene sottoposto a una grande tensione. La trazione viene applicata manualmente sul filato, il che porta ad ampie oscillazioni nel suo valore. L’obiettivo della nuova concezione di processo è eliminare la maggior parte delle guide per il filato e progettare un controllo elettronico di tensione con una trazione pressoché costante.

Fig. 2: Filato ottenuto per filature ad avvolgimento con fibre parallele nel core (in rosso) e filamento continuo avvolto (in bianco). Sotto: Filato a a catena continua, ritorto.

Yarn

Draw off speed [m/min]

Spindle speed [min-1]

Filament windings per metre

a)

20

3.700

185

b)

20

3.000

150

Tabella: Impostazioni di macchina.

PRIMI RISULTATI Nei test preliminari è stata eseguita con successo la lavorazione di fibre di iuta in un filato ottenuto per avvolgimento (Fig.3). Il nastro cardato è stato stirato con due diversi rapporti di stiro. Le impostazioni di macchina sono mostrate nella Tabella.

Il filato più grosso a) mostra un’ondulazione maggiore rispetto a quello più fine b). L’ondulazione può essere ridotta, per esempio, riducendo il numero di avvolgimenti al metro.

CONCLUSIONI Oltre alla sostenibilità, i compositi in fibre naturali (NFC) possiedono proprietà di smorzamento superiori. Il problema principale per i biocompositi è il processo produttivo ad alto contenuto di manodopera. Di conseguenza, il mercato dei compositi a base biologica è appena agli inizi, e lascia inesplorate molte tecnologie sostenibili promettenti. Un secondo difetto è la catena di produzione con i suoi prodotti intermedi. Filati e tessuti non sono ancora adattati alle richieste specifiche del prodotto finale. Il progetto “GreenBraid” punta a sviluppare un processo di intrecciatura di fibre in fiocco con un prodotto finale non torto, così da allineare le fibre nella direzione del carico, e con una riduzione di costo del 65%. Usando fibre di fusto come

50

Compositi

Fig. 3: Filatura ad avvolgimento con fibre di iuta e filamento polimerico. Il filato più grossolano (sopra) presenta maggiore ondulazione rispetto al filato più fine (sotto). lino invece della fibra di vetro, è possibile ridurre il consumo energetico di questi biocompositi del 75% mantenendo proprietà meccaniche confrontabili.

Come caso dimostrativo per applicazioni di alta fascia verrà realizzato un bastone da hockey su prato in biocomposito.

Ringraziamenti Sentiti ringraziamenti vanno all’associazione di ricerca Eurostars per il progetto di ricerca E!10039 “GreenBraid”, cofinanziato dai paesi membri dell’EUREKA e dal programma quadro dell’unione europea Horizon 2020.

M.-I. Popzyk, J. Schäfer, T. Gries – Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University, Aachen, Germany W. Böttger – NPSP.nl, Werkendam, The Netherlands Christoph Fahrenbrach – Barthels-Feldhoff GmbH & Co. KG Textilwerk, Wuppertal, Germany S. Woelders – Holland Hockey, Rotterdam, The Netherlands

The project “GreenBraid” Tailored braided bio composite with aligned staple fibres in load direction for high value application

B

io composites (natural fibre reinforced composites) for constructional applications have proven their material capabilities on the various levels of aggregation, i.e. the micro (fibres), meso (textile) and macro (part) level. Bio composites are on their way to beat glass-based composites on mechanical performance and least environmental impact. Many promising products have been demonstrated, but mostly for small production volumes in niche markets. Application for medium to large production volumes is to be developed for high production parameters.

Main problem for both traditional and bio-based composites are the relatively high costs of 30 C/kg in average as the result of a still labour-intensive manufacturing process. As a consequence, the market for bio-based composites is hardly opened yet, leaving many promising sustainable technologies unexploited. Yarns or fabrics are not adapted yet to the specific demands of the end product.

Hockey sticks demand special damping impact properties of the composite structure. Carbon and Glass fibre composites are only limited suitable for this.

Flax fibres have a better damping behaviour than carbon and glass.

In addition of being sustainable, natural fibre composites (NFC) possess superior damping properties. The main problem for bio based composites is the labor-intensive manufacturing process.

THE PROJECT “GREENBRAID” In “GreenBraid” a field hockey stick made of braided flax fibres aligned in load direction for high value applications and it’s a production method is established. The established production method and is a breakthrough. The final product of this project is a combination of an improvement of an existing product and an adaption for a new market. Field hockey sticks are braids of mainly glass and carbon filament (virtually endless fibres) blends.

Sticks of these materials have good mechanical properties but their damping capacity is weak which decreases the handling of the stick during play. Bast fibres have comparable mechanical properties to glass fibres and simultaneously an impressive damping capacity. Disadvantageously all natural fibres are staple fibres (not virtually endless) and for further processing (braiding) several twists per metre have to be inserted. Each twist in the yarn leads to lower mechanical properties

in the final composite product due to the anisotropic property of fibres.

The aim of the project is to reduce the energy consumption of FRP products by 75 % at same process costs using the example of a hockey stick (Fig. 1). The approach is the elimination of process steps during the spinning process and increasing the level of automation during the preform production. The demonstrator is compared with a Carbon hockey stick.

The research will provide knowledge basis for future transfer to applications like windmill blades, pressure vessels or automotive scooters. With the help of this project SMEs will be able to produce bio composites for high performance materials.

APPROACH The novel flax fibre hockey sticks consist of flax braids formed around a foam core, impregnated by a resin under vacuum pressure using an elastic tubular foil. The approach is new and relies heavily on dedicated designed braids. Before braiding the flax fibres are spun to yarn with low/no twist using a special spinning technology.

The method for producing the best out of it will be “Design of Experiments” with close interacting with the measured mechanical properties. Additionally a method for development/enhancement of products, a so called “Value Analysis” (VA) will be carried out. In this method “VA” the value of required functions is determined and provides approaches for optimizing (similar to VDI 2221).

For processing of low/no twist yarns the wrap spinning technology is used. The parallel fibres in the core (red) obtain their tenacity in the fibre bundle through the winding filament (white) (see Fig. 2). The fibres in the core show only a slight undulation if the yarn is under no tension compared to a ring yarn that is highly twisted.

In the project flax fibres will be in the core winded with polymer filament. Different types and variations of natural fibres will be used. The wrap spinning is evaluated considering the requirements for braiding process as well as the spinning process stability. The method of design of experiments is used. Fibres, slivers and yarns will be tested with various tests.

To improve the production process the braiding process will be modified. Usually the braiding process leads to high fibre damage. The yarn is lead through many narrow yarn guides under high tension.

The yarn tension is put manually on the

yarns, which leads to a high oscillation of the tension. The aim of the new concept is to eliminate most of the yarn guides and to design an electronic tension control with a mostly constant tension.

FIRST RESULTS In preliminary tests jute fibres were successfully processed to wrap spun yarns (see Fig. 3). The sliver was drawn with two different draw ratios. In the Table the machine settings are shown.

The coarse yarn a) shows higher undulation than the finer yarn b). The undulation can for instance be reduced by lowering the filament windings per metre.

CONCLUSION In addition of being sustainable, natural fibre composites (NFC) possess superior damping properties. The main problem for bio based composites is the labor-intensive manufacturing process. As a consequence, the market for bio based composites is hardly opened yet leaving promising sustainable technologies unexploited. A second deficit is the production chain and its resulting intermediate products. Yarns or fabrics are not adapted yet to the specific demands of the end product. The project “GreenBraid” aims to develop a process for braiding of staple fibres with no twist in the final product in order to align the fibres in load direction and with cost reduction of 65 %. Using bast fibres like flax instead of glass fibres energy consumption of these bio composites can be reduced by 75 % with comparable mechanical properties. A bio based field hockey stick as a demonstration case for high value applications will be delivered.

Acknowledgement Grateful acknowledgement goes to the research association Eurostars of the research project E!10039 “GreenBraid”, co-funded by EUREKA member countries and the European Union Horizon 2020 Framework Programme.

All the mentioned figures refer to the Italian version Fig. 1: Mission statement.

Fig. 2: Wrap spun yarn with parallel fibres in the core (red) and winding filament (white). Below: Twisted ring yarn.

Table: Machine settings.

Fig. 3: Wrap spun yarns of jute fibres and polymer filament. A coarser yarn above shows higher undulation than the finer yarn below.

Compositi

51

Giuseppe Chidichimo – Dipartimento di Chimica e Tecnologie Chimiche, Università della Calabria

Il progetto ginestra Ricerca, risultati e applicazioni

L

a ginestra (Spanish broom/Spartium Junceum) è una pianta della flora mediterranea ampiamente diffusa in vari continenti, costituita da arbusti molto ramificati nei quali – soprattutto i rametti più giovani, denominati vermene – hanno un altissimo contenuto di fibra cellulosica. In particolare le vermene sono costituite da un cilindretto lignino-cellulosico centrale cavo, denominato ginestrulo, il cui diametro si restringe gradualmente verso la sommità, sul quale sono “incollate”, per mezzo di piccole quantità di lignine e pectine, delle fibre di cellulosa pura. Storicamente tutte le popolazioni mediterranee hanno utilizzato le fibre cellulosiche della ginestra, che costituiscono all’incirca il 20% in peso dell’intero vegetale secco, come materiale tessile, impiegando processi artigianali molto lunghi. I processi di estrazione della fibra tessile erano per lo più basati su una macerazione del ve-

Regions

Number of plants

Vermen quintals per day

Person working Per year

Toscana

6

265

79.500

Umbria

6

175

52.500

Calabria

12

112

33.600

Tab. 1

Fig. 1

52

Compositi

getale in acqua, possibilmente corrente: mazzetti di vermene venivano immersi nei ruscelli per decine di giorni e poi battuti ripetutamente, fino a causare la disgregazione del ginestrulo centrale e fare emergere le fibre cellulosiche esterne.

Durante il fascismo la politica autarchica spinse il regime a favorire la nascita di veri e propri stabilimenti industriali per l’estrazione della fibra di ginestra. La tabella 1 riporta il numero e potenzialità degli stabilimenti industriali dediti all’estrazione della fibra di ginestra, presenti in alcune regioni italiane.

Secondo una stima del 1936 la produzione di ginestra in Italia poteva essere compresa tra 700.000 e 1.200.000 tonnellate.

Dopo la guerra il mercato delle fibre naturali si ridusse enormemente a causa di nuove tecnologie chimiche che portarono allo sviluppo di fibre dai prodotti petroliferi. Sull’abbandono delle fibre di ginestra nel tessile giocarono almeno due fattori differenti. In primo luogo l’estrazione della fibra cellulosica dal vegetale non poteva essere ridotta ad un puro processo di tipo meccanico, come per esempio avveniva nel caso del lino o della canapa, e non sono stati sviluppati, fino a tempi recenti, nuovi processi semplici, veloci e rispettosi dell’ambiente, per ottenere elevate quantità di fibra di ginestra a costi competitivi. Inoltre

l’impiego dei materiali estraibili dalla ginestra riguardava soprattutto il 20% del vegetale (la fibra cellulosica presente sulla corteccia esterna delle vermene). Entrambe queste limitazioni sono oggi superate dalle ricerche innovative condotte presso il Dipartimento di Chimica e Tecnologie Chimiche, ed il Dipartimento di Meccanica dell’Università della Calabria, nell’ambito di progetti finanziati dal MIUR sui materiali avanzati, in collaborazione con grandi aziende del settore automobilistico (Centro Ricerche Fiat, ADLER SPA) e con PMI calabresi della nautica (Borrone), dell’industria del mobile (Sirianni), dell’industria plastica/shopper (Filadel). Ha partecipato all’attività di ricerca anche una grande impresa tessile (Linificio e Canapificio Italiano del Gruppo Marzotto). È stato realizzato anche un Fig. 2

progetto sui materiali compositi per i pannelli isolanti per l’edilizia ed altri settori industriali, finanziato dalla Regione Calabria, presentato attraverso il Polo dei Materiali, il cui soggetto gestore è Calpark, Parco Scientifico e Tecnologico della Calabria. Vi hanno partecipato anche PMI calabresi del settore geomatica (Epsilon), nautica (Borrone), della ricerca e certificazione nel campo dell’isolamento termo-acustico (Zetalab).

L’avvio del progetto di ricerca sulla ginestra è stato stimolato da Enti territoriali calabresi, come la Comunità Montana del Medio Tirreno e il Comune di Cetraro. Hanno aderito di recente al progetto anche il Parco del Pollino, il Parco della Sila, l’ARSAC, l’azienda regionale per lo sviluppo agricolo calabrese, oltre a varie imprese agricole e industriali locali e nazionali appartenenti a diversi settori.

Questi progetti di ricerca hanno permesso di sviluppare un impianto pilota ibrido chimico-fisico-meccanico, che consente la separazione in modo automatico delle diverse tipologie di fibre estraibili dalla ginestra e sono stati messi a punto nuovi materiali compositi che trovano applicazione in vari settori industriali, utilizzando varie tipologie di fibre della ginestra, ma anche la pianta della ginestra nella sua interezza. L’impianto pilota automatizzato realizzato nell’ambito del progetto MATRECO (MAteriali per il Trasporto ECOcompatibile), finanziato dal MIUR, è in grado di trattare all’incirca una tonnellata/ giorno di materiale vegetale a ciclo chiuso e continuo. Consente inoltre il riciclaggio dell’unico reattivo chimico utilizzato, l’idrato sodico, che viene recuperato dai ligninati e pectinati. L’intero processo di separazione delle fibre della ginestra dura all’incirca 20 minuti. La sperimentazione consente ora di scalare il processo a livello industriale e di favorire l’avvio di una filiera produttiva della ginestra. La proposta di progetto, già presentata di recente anche all’Assessorato all’Agricoltura della Regione Calabria nell’ambito dei PIF, Progetti Integrati di Filiera, è suscettibile di interessanti sviluppi in tempi brevi.

Nella figura 1 sono raffigurati i due tipi di fibre estratte dalla ginestra ed esempi di manufatti che dagli stessi possono essere estratti.

Le fibre cellulosiche consentono l’ottenimento di filati e tessuti innovativi. È da considerare che la fibra cellulosica della ginestra ha un’organizzazione spaziale molto più amorfa rispetto a quella di fibre cellulosiche estratte da altre piante liberiane, come lino e canapa. Questo consente l’ottenimento di tessuti molto più traspiranti rispetto all’umidità, particolarmente adatti alla stagione estiva. Per lo stesso motivo il modulo elastico delle fibre cellulosiche della ginestra è superiore di quasi il 20% rispetto ad altre fibre cellulosiche.

Il ginestrulo, fibra lignina cellulosica di bassa densità e di buona resistenza meccanica, rappresenta quasi il 70% della ginestra secca, e risulta essere, a sua volta, un materiale eccellente per la fabbricazione di pannelli impiegabili sia nell’industria mobiliera sia in edilizia.

Entrambe le fibre e la ginestra, intesa nella sua integralità, sono suscettibili di essere combinate con altri materiali, per ottenere compositi innovativi. Il numero di collanti e polimeri con cui le fibre menzionate possono essere combinate è praticamente illimitato.

Le fibre di ginestra micronizzate funzionalizzate superficialmente e combinate con altri materiali consentono l’ottenimento di materiali innovativi, dove le fibre stesse non sono semplicemente degli additivi di materiali polimerici preesistenti ma diventano parte integrante di strutture polimeriche. Ne derivano nuovi materiali contemporaneamente molto leggeri e molto resistenti. Nella figura 2 si illustra un esempio di fibra cellulosica di ginestra micronizzata e funzionalizzata. È servita a preparare, nell’ambito del progetto MATRECO, nuovi materiali poliuretanici che hanno una resistenza molto più elevata rispetto ai poliuretani tradizionali, e che un’importante multinazionale del settore automotive ha in programma di utilizzare in componenti di auto di nuova generazione.

QUALITY DRIVES PRODUCTIVITY Perfetto la prima volta.

La millesima. Sempre.

30.BI-MU 4 - 8 OTTOBRE 2016 FIERAMILANO

- Il progetto ginestra Nella figura 3 vengono illustrate le proprietà meccaniche (modulo elastico e resistenza a flessione) di materiali poliuretanici ottenuti impiegando fibre funzionalizzate di cellulosa estratte dalla ginestra, al variare della percentuale di fibre presenti nel sistema. È subito evidente il miglioramento dei parametri meccanici dei materiali con il graduale incremento della fibra.

Molto interessanti sono le possibilità offerte nel campo dell’edilizia dalle tecnologie basate sulla funzionalizzazione delle fibre e la loro successiva copolimerizzazione con quantità limitate, (dell’ordine del 30% in peso) di monomeri usualmente impiegati nella preparazione di resine e polimeri di vario tipo (ad esempio: resine epossidiche, precursori di poliuretani, precursori di poliesteri etc.). Nel seguito denoteremo le fibre di ginestra con l’acronimo (FG). Esse possono essere assimilate a dei cilindretti, di varia lunghezza, aventi diametri micrometrici, la cui superficie è cosparsa di gruppi chimici del tipo idrossilico (-OH). Le fibre di natura minerale (argille, cementi, pomice etc.) sono generalmente disponibili in polveri contenenti particelle a composizione variabile, ma che comprendono sempre una percentuale significativa di ossidi, le cui superfici esterne espongono un cospicuo numero di gruppi idrossilici. Anche nei confronti di questo tipo di fibra può essere quindi impiegata una strategia di funzionalizzazione delle superfici esterne delle particelle, analoga a quella impiegata nelle fibre di natura vegetale. Sarà di seguito utilizzato l’acronimo FM per definire questo tipo di fibre consistenti di polveri minerali di tipo cementizio.

Sulla base di queste considerazioni abbiamo sperimentato, nell’ambito del progetto MACPOFIN promosso da Calpark/ Polo di innovazione regionale sui materiali della Regione Calabria, la possibilità di ottenere compositi di fibre miste funzionalizzate, minerali e vegetali, nei quali entrambi i tipi di fibre entrino in co-polimerizzazione con monomeri in grado di collegare chimicamente le micro particelle in networks tridimensionali. Va tenuto presente che i materiali durante una prima fase di mescolamento dei vari componenti hanno la consistenza di paste più o meno fluide, alle quali può essere conferita la forma desiderata per mezzo di processi di stampaggio.

A livello di laboratorio sono stati realizzati pannelli di superficie 50x50 cm2, con uno spessore di circa 3 cm. Se nepuò vedere una illustrazione nella figura 4.

Di questi pannelli sono state studiate le proprietà meccaniche, di isolamento termico ed acustico, la densità ed il comportamento alla fiamma. Alcune delle proprietà sono riportate nella tabella 2.

I dati permettono di fare delle considerazioni molto interessanti. Il confronto tra le

54

Compositi

Fig. 4: Pannelli di materiali compositi di fibre vegetali e minerali combinate con resine epossidiche a sinistra e con resine poliuretaniche a destra.

Fig. 3 diverse tipologie di resine impiegate per co-polimerizzare le fibre mostra che l’impiego di diversi precursori è fondamentale per diversificare le proprietà dei materiali compositi, in funzione delle finalità che debbono avere in un fabbricato. I compositi di natura epossidica possiedono ottime proprietà meccaniche a densità relativamente basse, mentre quelli di natura uretanica sono estremamente leggeri, anche per la concomitante espansione del composito, dovuta alla reazione del precursore isocianatico con l’umidità presente nel sistema.

I compositi uretanici, pur non avendo elevata resistenza meccanica, possiedono elevate proprietà dì isolamento termico ed acustico ed ottima resistenza al fuoco.

I prototipi prodotti dimostrano che l’impiego di fibre di ginestra funzionalizzate in composizione con altri materiali quali fibre minerali, ritardanti di fiamma, co-monomeri organici, etc. consente di gradua-

re le proprietà dei materiali, in modo da rispondere alle esigenze dei vari settori industriali. I costi dei materiali di partenza sono particolarmente bassi, soprattutto per quanto attiene alle fibre di ginestra.

Sulla base dei risultati delle ricerche condotte, del know-how accumulato e dei brevetti depositati riteniamo che siano state create le condizioni per far nascere in Italia una filiera produttiva della ginestra. Ciò con il concorso delle aziende e gruppi di ricerca che hanno già collaborato a ricerche dell’Unical e di altri che vorranno eventualmente aderire, partendo dalla valorizzazione dei tanti ginestreti spontanei esistenti, e dalla valorizzazione degli impianti pilota e materiali da noi sviluppati. A tal fine stiamo elaborando nuovi progetti da presentare sia alla Regione Calabria e sia a vari soggetti Nazionali ed Europei per la promozione della ricerca scientifica, dell’innovazione e dello sviluppo produttivo.

N

% FG

% FM

% other additives

% epossidic Precursors

Elastic Modulus MPa

1

10

55

1

34

20273

73

1,5

2

20

40

2

38

10583

25

1,2

3

30

30

2

38

2840

24

1,1

4

40

20

2424

25

1,1

4,2

0,25

5

30

–

3

37

% fire breakings

% urethane precursors

20

50

61

Flexural Density Strength g/cc MPa

6

20

20

20

40

58

4,1

0,30

7

30

–

30

40

39

1,3

0,22

8

30

–

20

50

56

4,0

0,23

Tab. 2

Giuseppe Chidichimo – Dipartimento di Chimica e Tecnologie Chimiche, Università della Calabria

The project Spanish Broom Research, results and applications Fig. 1

S

panish broom is a spontaneously growing shrub of the Mediterranean flora, largely diffuse even in other continents. It is an interesting Liberian plants, being constituted by many short branches, called “vermene”, containing a high content of easily removable cellulose fibers. Each vermena is made by a central tubiform lignin/cellulosic structure, the “ginestrulo”, which diameter gradually reduces from about 2 mm at the insertion point to less than 0.5 mm at the top, and being covered by a cortex made of cellulose fibers glued together by small quantities of pectines and lignines molecules.

Historically, all Mediterranean populations used Spanish broom cellulose fibers, which represent the 20% in weight of the dry vegetable, as textile fibers, by applying traditional tiring process of extraction of the pure fibers from the vegetable.

These processes were based on the digestion of the plant in possibly running water. Bunches of “vermene” were kept in the water of some natural stream for tens of days and then beated repeatedly to cause the disaggregation of the ginestrulo and the gradual separation of the emerging cellulose fibers. The fascist autarchic policy adopted during the fascism, drove the Italian govern to favor the establishment of many Spanish broom fiber industrial plants. The number and potentialities of Spanish broom industrial plants, settled in some of the Italian Regions are reported in the table 1.

According to an appraisal made in 1936, the production of Spanish broom fibers in Italy could be comprised between 700.000 and 1.200.000 tons.

After the Second World War the natural fiber market went deeply down because

the new chemical technologies brought to the development of innovative synthetic fibers from petroleum.

The effect was particularly dramatic for the Spanish broom market because of two further factors. The first inconvenient was linked to the fact that the fiber process could not become a pure mechanical one, as it was in the case of flax and hemp: up to recent time, no fast, environmental friendly and low cost new processes of fiber production from Spanish broom could be developed, due to the branched structure of the shrub. Further, only the 20 % of the vegetable mass was used in the textile sector and no use was made of the ginestrulo. Both these limitations have been overcame through the research activity conducted at the Chemistry and Chemical Technologies Department, as well as the Mechanical Department of Calabria University, in the frame of research project on advanced materials, founded by MIUR (Italian Ministry of Instruction, University and Research).

These research have been conducted in collaboration with important Firms working in automotive (Fiat Research Center, ADlER SPA), textile (Linificio e Canapificio Italiano del Gruppo Marzotto); and Calabrian SMEs from boating (Borrone S.r.l.), furniture (Sirianni S.r.l.), shopper (Filadel S.r.l.) sectors. A further project concerning the development of new fiber composite materials for building application, applied by Calpark, the Calabrian Innovation Pole on Advanced Materials, and founded by the Calabria Regional Government, has been conducted at CTC Department of Calabria University in collaboration with Epsilon (Geomatic sector), Zetalab (Certification of acoustic and thermal insulating materials).

These research projects have been stimulated by Calabrian Institutions such as the Comunità Montana del Medio Tirreno and the Cetraro City Hall; and recently, Spanish broom industrial applications have aroused the interest of other institutions such as the National Park of Pollino, the National Park of Sila, of the ARSAC (Azienda Regionale Sviluppo Agricolo Calabrese) and several SMEs from the agricultural and industrial sectors.

The research activities allowed the development of a hybrid chemical-physical-mechanical pilot plant, for the automatic separation of the Spanish broom different fibers; and the development of new composites of these fibers as well as composites of the Spanish broom as a whole, for several industrial applications. The pilot plant realized in the frame of MATRECO (MAteriali per il TRasporto ECO compatibile) project, founded by MIUR allows to treat 1 ton. of vegetable per day, and the recycling of the only chemical used in process (Sodium Hydrate) which is recovered from the ligninates and pectinates. The entire process of fiber separation from the raw materials takes only 20 minutes. This experimentation can be now scaled at the industrial level and to start a Spanish broom manufacturing spinneret. This proposal has been recently made to Agriculture Department of Calabria Region in the framework of PIF European projects and could bring shortly to new interesting developments.

The figure 1 shows the two different type of fibers which can be produced from Spanish broom, as well as some manufactured items that can be obtained from these fibers.

The cellulose fibers allow the production of innovative fabrics. It must be considered that the Spanish broom cellulose fibers have an accentuated amorphous morphology with respect to other cellulose fibers extract from other Liberian plants such as flax or hemp. This allows to obtain fabrics more permeable to humidity and particularly useful in warm time. For the same reason the elastic module of Spanish broom cellulose fibers is bigger about 20% with respect to other cellulose materials.

The ginestrulo, lignine-cellulose fiber with a quite low density and a good mechanical strength, represents the 70% of the dry vegetable, showed to be a good starting material to produce woody panels for the building and furniture sectors.

Both the fibers and the Spanish broom

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- The project Spanish Broom as a whole, can be mixed with other materials to give a variety of innovative materials. The number of polymer and adhesive materials which can be added to these fibers is practically not limited. Micronized Spanish broom fibers (fibers reduced at dimension of tens of microns) and functionalized at surface level (insertion of functional chemical groups at the surface) and combined with other materials, allow the realization of innovative materials, where the fibers are not simply mixed with additives or pre-existing polymers, but they become an integral part of new polymeric structures. The resulting materials are not only more light, but contemporaneously more mechanical strong with respect to traditional polymers.

The figure 2 shows an example of micronized and functionalized cellulosic Spanish broom fibers, which has been used, in the frame of MATRECO project, above mentioned, to obtain urethane composites, having mechanical strength and elasticity much bigger with respect to traditional polyurethanes, which is now applied by an important multinational automotive company to prototype new innovative car components.

The figure 3 shows the variation of mechanical properties (elastic modulus and flexural strength) of the mentioned new urethane/fibers polymers, as a function of the percentage of fiber content.

The improvement of mechanical parameters with the gradual increase of the fiber content is immediately evident from the figure 3.

The possibility to obtain new building materials by these new technologies based on the copolymerization of functionalized natural fibers with limited amount (quantities in the order of 30wt%) of monomers usually employed in the synthesis of conventional polymers (such as, for example, precursor of epossides, or urethanes, or polyesters polymers) appears to be very attractive in the field of building industry.

Particularly interesting is the possibility to make composites where vegetable and mineral fibers are mixed in a copolymerization process with other components.

Spanish broom fibers and mineral fibers will be defined with the acronym FG and FM in the following. Both these type of fibers can be considered as particles bearing hydroxyl (-OH) group at the surfaces.

Mineral fibers such as cement, clay, pumice are constituted by metal oxides hydrated in such a way to expose numerous OH groups at the surfaces. The functionalization of mineral and vegetal fibers can be done at the same time and in a similar way. The reason to mix vegetal and mineral fibers in building composites is that the two type of fibers can control different properties of the final composites.

Mineral fibers give an increase of the

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mechanical compression strength, while vegetal fibers improve the elastic module and lower the density.

On the basis of these considerations we have produced new prototypes of building composites by copolymerizing mixed functionalized Spanish broom and mineral fibers (cement) with monomers able to connect in a tridimensional chemical network the different particles. It must be also considered that the mixtures, before their curing, behave as viscous fluid pastes and that allows the possibility to give a shape to final materials by using compression molding or injection molding techniques. We have applied compression molding processes to produce 50x50 cm2 panels: some of which are shown in the figure 4.

The table 2 shows the variation of the mechanical properties and density with variation in composition.

Data shown in the above table allow to drive some interesting conclusion. The comparison between materials obtained by using different co-monomers (epoxides, or urethanes in table) shows that the properties of composites depend dramatically on the copolymerizing molecules used to connect the fibers, and this allows to widen the range of the material properties to cover the requirement imposed by the several functionalities needed in a modern building. Epoxides precursors give materials having good mechanical properties and are relatively light so they could be used for external component, The urethanes panels are extremely light due to the expansion caused by the reaction of isocianate residues with the humidity left on the fibers.

These urethane composites were found thermal an acoustic good insulators, and flame retardant as well, despite to their not high mechanical strength. Our prototypes shows that by inserting into the composite formulations, conjunctively to functionalized Spanish broom fibers, other components such as mineral fibers, flame retardant, organic co-monomers, etc., the properties of the final products can the graduated according to specific requirements given by different functionalities of the materials, or by different industrial sectors.

On the basis of these results, of the accumulated know-how, and filed patents, we believe that we have opened the possibility to start a productive chain linked to Spanish broom industrial applications.

We would like to join in this perspective the companies, firms, research group having participated to the research developed at Calabria University, and other consortium member that would like to join us in the next future, to valorize the wide extension of soil covered by spontaneous growing Spanish broom existing in

Calabria and on Mediterranean territories.

We would like as well to give a productive perspective to the developed pilot plant and prototipes. With this intent we are ready to apply new development projects both to our Calabria Regional government, and to other national and European institutions.

BIBLIOGRAPHY

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All the mentioned figures refer to the Italian version Fig.4: Panels obtained by copolymerizing mixture of Spanish broom and mineral fibers with eposside precursors (left) and urethane precursors (right)

AREVO LABS

Motore in plastica stampato in 3D con il PEEK Matti Holtzberg, presidente di Polimotor LLC, ha dato vita al progetto Polimotor 2 con l’obiettivo di realizzare un propulsore per auto sportive in materiale plastico. Questo motore sarà montato su una vettura da corsa che parteciperà a una competizione su pista. L’azienda Arevo Labs ha realizzato alcuni componenti del motore utilizzando la stampa 3D. Nello specifico ha creato un condotto di mandata carburante e un corpo farfallato utilizzando Reinforced Filament Fusion (RFF), una nuova tecnologia per la stampa 3D di materiali compositi. L’obiettivo principale di Arevo Labs era quello di ridurre considerevolmente il peso del manufatto: il peso finale è risultato di 1/3 in confronto alle parti in alluminio A tale scopo è stato utilizzato il polimero PEEK (Poli-Eter-Eter- Chetone ) rin forzato con fibra di carbonio. La sostituzione dell’alluminio con il PEEK consente di ridurre

il peso del componente e offre un funzionamento ad alte temperature, garantendo elevate prestazioni meccaniche e resistenza chimica (soprattutto al carburante).

Rispetto allo stampaggio ad iniezione, la tecnologia RFF di Arevo Labs consente di ottenere un materiale più resistente, in quanto è possibile effettuare un controllo preciso dell’orientamento delle fibre. Inoltre il software Arevo permette di ottimizzare il percorso dell’utensile in modo da ottenere maggiore tenacità a fronte di un minor utilizzo di materiale.

Il motore, interamente realizzato in plastica e testato da Polimotor, sarà installato nell’autovettura Norma M-20 per competere nel 2016 nella gara di Lime Rock Park, Connecticut, Stati Uniti.

Advanced Engineering 2016 set for its return 2-3 November, Birmingham’s NEC Advanced Engineering, the UK’s largest annual engineering trade show, will return to Birmingham’s NEC on 2 & 3 November 2016.

The show, which is set to have more exhibitors on board than ever before, will also host the largest open conference of its kind.

EXHIBITORS The show has over 450 companies already booked and with few months still to go, it is set to have its largest exhibitor base yet. Many exhibitors will be using the show floor to launch the latest products and services to the UK market. As well as show regulars, there will be a number of major first time exhibitors at this year’s show. These include Performance Plastics, Senior Aerospace, Breton SpA, Ebalta Distribution, McCarthy Environmental Ltd and British Textile Machinery Association.

SHOW SUPPORT In addition to a wealth of industry leading exhibitors, Advanced Engineering has gained support from a number of respected industry bodies, associations and organisations. This includes Composites UK, NetComposites, The Engineering Integrity Society, GTMA and North West Aerospace Alliance. The IMECHE is also on board as an official show supporter. It will be running its co-located conferences which focus on the aerospace and automotive sectors. The Manufacturer will run its Smart Factory Expo in partnership with Advanced Engineering, as part of a series of events to examine Britain’s response to Industry 4.0.

The Manufacturer Live events include the two-day exhibition, The Manufacturer Top 100, The Manufacturer Annual Leaders Conference and The Manufacturer MX Awards.

OPEN CONFERENCE Advanced Engineering will host the most comprehensive Open Conference programme of its kind. Visitors will gain access to all conference forums which will span key industry sectors, including aerospace, automotive, motorsport, marine, civil engineering. It features four ‘shows within a show’: Automotive Engineering Show, Aero Engineering Show, Composites Engineering Show and Performance Metals Engineering. Throughout the two-day conference there will be a number of insightful and educational sessions from leading industry experts. Sessions confirmed so far include the likes of Jaguar Land Rover, Innovate UK, Magna International, SMMT, BOC, KTN, National Instruments, Women’s Engineering Society and many more.

SHOW FEATURES The conference will also include on-floor feature displays of some of the world’s leading engineering projects, giving visitors unique access to the latest innovations. At the 2015 show these included the ARION1 Land Speed Bicycle, Vestas Sailrocket 2, the Facebook Aquila Solar Plane wing, and Tesla’s Model S electric car.

Advanced Engineering will also run alongside Lab Innovations, the UK’s only event dedicated to laboratory professionals. Visitors will have the opportunity to access both shows with one badge.

For further information about Advanced Engineering 2016, please visit www.advancedengineeringuk.com or contact one of the Easyfairs team on +44 (0)20 8843 8800.

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Sara Coppola e Pietro Ferraro – CNR Istituto di Scienze Applicate e Sistemi Intelligenti

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Fabbricazione e prototipazione rapida Tecniche emergenti e prospettive nei diversi settori industriali

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e emergenti tecnologie e i nuovi materiali impiegati nei moderni dispositivi richiedono lo sviluppo di nuovi processi di fabbricazione ad elevata risoluzione e di prototipazione rapida, per far fronte alla necessità di ottenere alta affidabilità ma con costi ridotti di produzione. Negli ultimi anni si sono affermate nuove tecnologie di fabbricazione e di produzione del tutto innovative rispetto alle classiche metodiche. Queste sono essenzialmente basate sulla deposizione diretta del materiale. Diverse sono le classi e tipologie di tecniche proposte e ciascuna prende il nome in funzione delle caratteristiche del processo di manipolazione del materiale. Si parla per esempio di stampa 3D, stampa a getto d’inchiostro (ink-jet printing), electrospinning, elettro-spray, additive manufacturing, ecc. I vantaggi di queste tecniche sono molteplici: semplicità d’uso, velocità, risparmio energetico, eco-compatibilità. Tutti i vantaggi sono essenzialmente legati al fatto che non c’è necessità di realizzare e impiegare stampi, forme, maschere per i processi e la fabbricazione avviene in un solo step di processo. Altra cosa fondamentale è che i materiali per applicazioni industriali emergenti, dall’elettronica di consumo ai pannelli fotovoltaici fino ai dispositivi biomedicali, richiedono l’impiego di materiali compositi, ovvero un materiale costituito da più materiali semplici differenti e ciascuno magari corrisponde ad una differente fase. Le suddette nuove metodiche di prototipazione rapida consentono di gestire molto bene infatti questi materiali (esempio polimeri caricati con polveri di nanoparticelle conduttive, materiali funzionalizzati, ecc.) che sono in fase liquida e che quindi consente di essere depositata in modo flessibile e additivo. Ad esempio le più avanzate tecniche di ink-jet printing permettono la stampa diretta di materiali ad altissima risoluzione (al di sotto di 100 nm). Essi offrono molteplici possibilità di utilizzo in

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Fig. 1: Stampa di dots ad alta risoluzione ottenuta utilizzando la tecnica di inkjet printing per effetto pyroelettrico.

campi diversi: display ad alta risoluzione di cellulari e computer, celle fotovoltaiche, light emitting diodes LED e nel campo futuro dei sensori elettronici “indossabili”. Infatti, tecniche di fabbricazione a modalità diretta, quali l’inkjet printing, per la fabbricazione e la micro-strutturazione di dispositivi, possono sostituire processi costosi e lunghi quali quelli litografici. Di seguito viene presentata e discussa una nuova tecnica di printing di tipo elettroidrodinamico, ovvero che usa campi elettrici per manipolare e dispensare in modo diretto il materiale composito. Il metodo, brevettato dai ricercatori dell’Istituto di Scienze Applicate e Sistemi Intelligenti (ISASI-CNR), consente di depositare liquidi e materiali polimerici ad alta viscosità con risoluzione spaziale molto elevata: si riescono a scrivere circuiti elettronici ad altissima risoluzione (nanometri). I campi elettrici in grado di attivare il processo di scrittura e deposizione sono attivati per mezzo dell’effetto piroelettrico. Uno piccolo ma controllato sbalzo di temperatura consente di generare i campi elettrici necessari per gestire l’inchiostro di materiale composito. L’apparato utilizzato per questa tecnica di printing diretta è piuttosto semplice e consiste in due substrati ed una fonte di calore. Sul substrato di base viene dispensato il materiale da stampare mentre il cristallo, che costituisce la parte superiore del sistema, è sottoposto ad un gradiente di temperatura generando delle cariche elettriche di superficie. Quando queste cariche non sono compensate inducono un campo elettrico molto forte in grado di stampare il materiale di interesse sotto forma di dots (Fig.1) o linee.

Il metodo proposto è molto flessibile e può trovare applicazione per i materiali compositi in diversi settori tecnologici.

Una delle aree principali di applicazione dell’ink-jet printing è certamente la fabbricazione di dispositivi elettronici. Infatti, la cosiddetta “printed electronics” rappresenta un mercato emergente con la potenzialità di raggiungere il valore di centinaia di milioni di dollari (Fig.2).

Ecco alcune considerazioni che motivano lo sviluppo di questo settore: • un interesse sempre crescente per la realizzazione di dispositivi elettronici che possano essere indossati o direttamente integrati nel corpo umano. In questo campo è evidente la necessità di utilizzo di materiali compositi compatibili con substrati flessibili e/o deformabili.

• Alcuni materiali compositi e attivi (come ad esempio i semiconduttori organici ed i biomateriali) non possono essere processati da un punto di vista termico, chimico e meccanico con i processi di base tradizionalmente utilizzati per l’industria dei semiconduttori, come la litografia.

Fig. 2: Dispositivi elettronici per il settore sanitario.

Fig. 3: Stampa diretta di fibre polimeriche ottenuta utilizzando la tecnica di inkjet printing per effetto pyroelettrico.

• Si sta registrando un bisogno sempre crescente di tecniche di fabbricazione di dispositivi elettronici a basso costo e con un approccio ecologico, minimizzando i materiali di scarto ed i rifiuti.

L’inkjet printing rappresenta una tecnologia innovativa in risposta a queste problematiche, già usata da molte aziende leader in diversi settori industriali. Nell’ambito della printed electronics un aspetto di innovazione consiste proprio nel realizzare componenti di device, elettrodi, pad, interconnessioni, contatti, con sufficiente risoluzione e conducibilità elettrica. Ecco quindi che la produzione di inchiostri multifunzionali e compositi occupa un ambito di rilievo nella ricerca scientifica per la possibilità di inglobare nanoparticelle metalliche, nanotubi di carbonio ed altre forme di nanomateriali conduttivi. Il sistema di pyro-inkjet printing proposto si offre come metodo altamente flessibile per il printing anche di inchiostri conduttivi. Infatti, non richiede una siringa o un ugello (nozzle) dal quale dispensare il materiale, evitando in questo modo tutte le problematiche di clogging ed otturazione comuni alle stampanti 3D convenzionali (Fig.3). Inoltre, l’inkjet printing può trovare applicazione anche per la fabbricazione di display in sostituzione alla tecnica di spin-coating e per la realizzazione di sensori.

Di particolare interesse nel settore industriale dei display è l’utilizzo del printing diretto per la fabbricazione di microlenti funzionalizzate per dispositivi OLED. Lo studio dei principi di funzionamento di un LED organico è di fondamentale im-

portanza per individuare tutti i meccanismi che ne condizionano l’efficienza e la vita media. Quest’ultima può essere migliorata grazie ad un favorevole cambiamento del punto di lavoro che ne riduca lo stress elettrico, rendendo quindi appetibile il dispositivo OLED per una sempre più ampia gamma di applicazioni sul mercato opto-elettronico. Le performance dei dispositivi OLED, ed in particolare della loro efficienza, sono collegati a molti fattori periferici, che sono tutti da prendere in esame per realizzare un’efficace strategia di ottimizzazione. L’inkjet printing può assumere un ruolo importante anche in questo settore consentendo la fabbricazione di una matrice di microlenti per attenuare le perdite ottiche, condizionate dai diversi indici di rifrazione dei materiali utilizzati. Le perdite ottiche risultano cruciali per migliorare le performance dei dispositivi e per comprendere al meglio gli andamenti opto-elettronici degli stessi. La luminosità e l’efficienza sono fattori di estrema importanza per l’utilizzo di dispositivi OLED in diversi campi della tecnologia rendendoli strumenti competitivi rispetto alle tecnologie convenzionalmente utilizzate. Per questo motivo l’estrazione della luce assorbita dagli OLED e più in generale da dispositivi elettroluminescenti multilayer rappresenta uno degli aspetti più importanti su cui lavorare per migliorarne l’efficienza. Molte strategie sono state testate per migliorare l’accoppiamento ottico in un dispositivo OLED tra cui la fabbricazione di una matrice di lenti in materiale composito per migliorare l’efficienza del processo di estrazione della luce.

La strategia scelta può essere migliorata traendo spunto dall’esperienza pregressa e ottimizzando la scelta della geometria e dei processi. Uno dei metodi più semplici consiste nell’aumentare la rugosità dell’interfaccia tra il substrato e l’aria; questa tecnica favorisce il passaggio della luce intrappolata nel substrato e scatterata in uscita a diversi angoli con maggiore possibilità di emissione, raggiungendo anche un miglioramento dell’efficienza pari al 30%. Questo effetto può essere enfatizzato utilizzando materiali compositi con opportune caratteristiche, come ad esempio delle sfere di vetro o un layer aggiuntivo in cui le particelle aumentano la possibilità di scattering dei fotoni e l’emissione dal substrato (Fig.4).

Quest’ultima applicazione garantisce buoni risultati ma il profilo di emissione risente del cambio indotto dalla presenza delle microlenti. In particolare, l’utilizzo di un nanofiller in una matrice polimerica (composito nanoparticellare) può consentire di modulare le proprietà del nanocomposito utilizzando metodi di fabbricazione già noti. L’interesse crescente in array e matrici di lenti polimeriche è

Compositi

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- Fabbricazione e prototipazione rapida -

Fig. 5: Esempi di celle solari.

Fig. 4: Array bidimensionale di microlenti composite realizzate in matrice polimerica con nano-cristalli. l­egato al fatto che è abbastanza semplice incorporare nanocristalli organici (NCs) o quantum dots (QDs) in una resina polimerica trasformando micro-elementi ottici inizialmente passivi in componenti fotoniche attive, combinando metodi di processi di materiali organici con proprietà di efficienza luminosa presentata da alcuni tipi di particelle di riempimento (nanofiller). Questi materiali compositi possono essere stampati direttamente utilizzando l’inkjet printing e aprono le porte a nuovi tipi di applicazioni, quali cristalli fotonici e celle solari innovative, migliorandone l’efficienza.

Sempre più frequentemente, infatti, la tecnica innovativa di ink-jet printing è utilizzata per la fabbricazione di celle e pannelli solari, come nel caso di celle organiche ibride di terza generazione (Fig.5).

Infatti, la tecnica di printing diretto si propone come valida alternativa ai processi di sputtering ed evaporazione, tradizionalmente usati per la fabbricazione di controelettrodi. Il processo di ink-jet printing consente una deposizione su larga scala ma con risoluzione micrometrica del materiale composito di interesse su substrati rigidi o su superfici flessibili. I risultati dei primi processi di applicazione di inkjet printing per la fabbricazione di celle mostrano un’alta flessibilità di processo dell’applicazione associata alla flessibilità di printing di una vasta gamma di materiali (quali ad esempio ink compositi di natura nanoparticellare). La flessibilità del processo di printing consente di patternare in modo selettivo le superfi-

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Compositi

ci di interesse riducendo notevolmente i costi di dotazione, manutenzione e funzionamento dei sistemi complessi usati per lo sputtering, comunemente utilizzato per celle fotovoltaiche. Infatti, il sistema di printing diretto non richiede l’applicazione di alti valori di tensioni e quindi di generatori o tipi particolari di elettrodi ad esso dedicati, offrendo flessibilità nella scelta del materiale da trattare e potenzialità di integrazione nei dispositivi. In riferimento al particolare processo di printing attivato per effetto piro-elettrico si riesce ad eliminare un ulteriore ostacolo al printing di polimeri, ovvero l’utilizzo di siringhe o ugelli consentendo la manipolazione di ink polimerici compositi anche ad alta viscosità (100 cp).

Considerata la grande flessibilità descritta del processo di inkjet printing, la sua applicazione è stata testata anche in ambito biotecnologico, dove è richiesto il patterning di molecole e soft matter ad alta risoluzione. Infatti, per la natura sensibile intrinseca a questo tipo di materiali, tecniche di manipolazione dirette e a singolo step sono da preferire alle tecniche convenzionali ad esempio litografiche. Alcune recenti applicazioni di ricerca ed industriali prevedono la realizzazione di microarray di DNA e proteine (Fig.6).

Mentre una seconda area di interesse riguarda lo studio di interazione tra cellule e substrato per applicazioni nel campo dell’ingegneria dei tessuti, biosensoristica, studi di meccanica e dinamica cellulare e test di farmaci. La possibilità di effettuare un pattern di questi materiali su scala nanometrica con un controllo preciso della geometria e delle dimensioni in 3D è un elemento indispensabile e critico per molte applicazioni future.

I continui sviluppi delle tecnologie di printing diretto offriranno in futuro prospettive di produzione su larga scala impensabili solo qualche anno fa. Le caratteristiche di versatilità della tecnica consentiranno di fabbricare senza costi di investimento (fatta eccezione per quelli di progettazione) per attrezzature, prototipi, sviluppo di processi lunghi e complessi,

Fig. 6: Array di molecole di DNA. dispositivi a basso costo, indipendentemente dal fattore di scala legato a numeri elevati di serie.

BIBLIOGRAFIA

Bruno Andò, Salvatore Baglio, Gaetano L’Episcopo, Cristian Lombardo, Vincenzo Marletta, Ilenia Medico, Stefania Medico, “Prototipazione rapida di sensori: tecnologie, materiali e applicazioni” Tutto Misure Anno: XIV N. 2 Luglio 2012 S. Coppola, V. Vespini, G. Nasti, O. Gennari, S. Grilli, M. Ventre, M. Iannone, P. Netti, P. Ferraro, “Tethered pyro-electrohydrodynamic spinning for patterning well-ordered structures at micro- and nanoscale” Chemistry of Materials 26, 3357-3360 (2014).

S. Grilli, L. Miccio, O. Gennari, S. Coppola, V. Vespini, L. Battista, P. Orlando, P. Ferraro, “Active accumulation of very diluted biomolecules by nano-dispensing for easy detection below the femtomolar range” Nature Communications 5, doi:10.1038/ncomms6314 (2014).

S. Coppola, G. Nasti, B. Mandracchia, V. Vespini, S. Grilli, V. Pagliarulo, P. Pareo, M. Manca, L. Carbone, G. Gigli, P. Ferraro, “Twofold Self-Assembling of Nanocrystals into Nanocomposite Polymer”, IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics 22, 7132694 (2016).

V. Vespini, S. Coppola, M. Todino, M. Paturzo, V. Bianco, S. Grilli, P. Ferraro, “Forward electrohydrodynamic inkjet printing of optical microlenses on microfluidic devices”, Lab on a Chip - Miniaturisation for Chemistry and Biology 16, 326-333 (2016).

P. Ferraro, S. Coppola, S. Grilli, M. Paturzo and V. Vespini, “Dispensing nano-pico droplets and liquid patterning by pyroelectrodynamic shooting”, Nature Nanotechnology 5, 429-435 (2010).

Sara Coppola e Pietro Ferraro – CNR – Istituto di Scienze Applicate e Sistemi Intelligenti

Fabrication and prototypes Emerging techniques and points of view for industrial companies

T

he emergent technologies and new materials employed for the modern devices require the development of new fabrication high resolution processes at the aim to gain versatility, reliable products but produced with affordable cost. In the recent years new fabrication methods have been invented overcoming the traditional processes. Those emerging techniques are mainly based on direct on-demand process. Different classes of techniques have been exploited in relation to the method used for the dispensing process of the material. 3D-printing, ink-jet printing, electrospinning, electro-spray, additive manufacturing, are just few of the possible methods of printing. All those approaches have some significant advantages in terms of speed, simplicity, energy saving, green-process. The dispensing approaches are direct and simple, they don’t require molds, masks and multi-steps lithographic processes and could be used for the direct printing of composite materials. Nowadays composite materials are a fundamental component in a lot of industrial devices (biomedical devices, solar cells, flexible electronics, aerospace industry) and they can be printed directly by additive manufacturing and 3D printing. It is also important to consider that ink-jet printing enable the direct, additive patterning of new materials with a resolution that can extend below 100 nm to provide unique opportunities not only in scientific studies but also in a range of applications that includes printed electronics, tissue engineering, and photonic and plasmonic devices obtained by direct printing from polymer solutions could offer interesting advantages like easy fabrication approach and the use of sustainable/user-friendly materials. High definition displays, photovoltaic devices, semiconductor solar cells, light emitting diodes, sensor, biochemical assays and wearable electronics offer just an example of the considerable extension of interest for the micro-technologies industries. Techniques for fabricating structures on surfaces at micrometer and nanometer length scales are critically important to many existing and emerging technologies. The electronics industry has been the strongest driver for the development of lithographic methods as routes to dense integrated circuits that combine different materials and structures patterned at high resolution and with precise registration on semiconductor wafers.

In this article we propose an innovative technique based on electrohydrodynamically induced flows drived by the pyro-electric effect activated onto a Lithium Niobate (LN) crystal. The method, a patent of the Institute of Applied Sciences and Intelligent Systems (ISASI-CNR), succeeds in printing liquid and high viscous polymers achieving very high resolution (nanometers). The electric field used for the dispensing and printing process is activated by the pyro-electric effect as a consequence of a temperature gradient. The set-up used for the direct printing process is very simple and consists just of two plates and a heat source.

A microscope glass slide forms the base of the liquid reservoir (which could be a drop or a film), and the LN crystal acts as an auxiliary plate that drives the process.

A pointwise thermal stimulus is applied to the LN crystal to induce the pyroelectric effect locally. At equilibrium, the spontaneous polarization Ps of the LN crystal is fully compensated by the external screening charge, and no electric field exists.

According to the pyroelectric effect, the temperature change causes a variation of the polarization of the crystal, which builds up an electric field used for the no contact manipulation and printing of liquids in form of separate dots or continuous line (Fig.1). The approach proposed is very flexible and could find application in different field of technology and used for composite or multiphase materials.

One of the most prominent areas of application for e-jet printing is in the fabrication of electronic devices. Printed electronics is an emerging field that is expected to reach a market value of several hundred billion dollars (Fig.2). Several different considerations motivate the development of this industry: • There is strong interest in unusual forms of electronics devices that can be worn or integrated with the human body; these require fabrication approaches that are compatible with flexible/stretchable substrates and curved or structured surfaces • some active materials (i.e., organic semiconductors, biomaterials for sensing) are chemically, mechanically, or thermally incompatible with traditional approaches from the existing semiconductor industry, such as photolithography • there is a need for low-cost and environmentally friendly fabrication of electronic devices where the material usage is minimal.

Ink-jet printing technology represents a leading fabrication approach for this area, and is already used by several companies. As with conventional electronics, reductions in critical device feature sizes decrease operating voltages, increase switching speeds and increase levels of integration. E-jet printing has a strong potential to extend these trends by enabling structures in printed electronics at sub-micrometer and nanometer length scales. One challenge in printed electronics is to define device components such as interconnects, electrodes, and contact pads with sufficient resolution and electrical conductivity. Conducting inks must offer properties (e.g., viscosity, surface tension) that allow flow through the tips of fine nozzles. These requirements focus research on inks that exploit metal nanoparticles, carbon nanotubes, and other conductive nanomaterials. The pyro-inkjet printing proposed could be used with a flexible approach for the printing of conductive materials (i.e. metallic nanoparticles, carbon nanotubes, graphene, silver powder..), it has also the advantage of overcoming some of the drawback of conventional printing systems, in fact, this method doesn’t require electrodes, high voltage power supply and nozzles allowing the printing od high viscous polymeric materials overcoming the problems of nozzle clogging very common for commercial 3D printers (Fig.3). E-jet printing may also find use in the fabrication of displays.

The experimental research showed that e-jet printing technology can define alignment layers in liquid crystal displays as a replacement for the conventional spin coating process.

Moreover, the same technique could be used for the fabrication of microlens array and matrix integrated onto OLED devices. Microlens arrays, which generally refer to 2-D arrays of small lenses with diameters in the range of ten to hundreds of micrometers, represent important types of miniaturized optical components used in a wide range of applications. Only very recently polymer-based nanocomposite materials have attracted considerable interest because of their excellent properties compared to polymeric materials. In fact, the incorporation of nanofillers into the polymer matrix could modulate the resulting properties of the nanocomposite produced and, at the same time, allows one to use the existing fabrication methods. The grow-

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- Fabrication and prototypes -

Together we can do extraordinary things bighead.co.uk

ing interest in arrays of polymer microstructures is due to the fact that it is relatively easy for polymers to incorporate colloidal inorganic nanocrystals (NCs) or quantum dots (QDs), thus transforming originally passive micro-optical elements into active photonic components by combining the processability of organic materials with efficient luminescence displayed by the nanofillers (Fig.4). This has been proved to be of great interest for novel applications such as the fabrication of photonic crystals and, notably, of innovative solar cells showing enhanced efficiency.

The prospective of using direct-write printing techniques for the manufacture of organic photovoltaics (OPVs) has made these techniques highly attractive (Fig.5). OPVs have the potential to revolutionize small-scale portable electronic applications by directly providing electric power to the systems. However, no route is available for monolithically integrating the energy-harvesting units into a system in which other components, such as transistors, sensors, or displays, are already fabricated. The fabrication and the measurement of inkjet-printed, air-processed organic solar cells has been tested experimentally and represents a very promising tool for the industrial compartment. Highly controlled conducting and semiconducting films using engineered inks for inkjet printing enable good efficiencies for printed OPVs between ≈2 and 5% power conversion efficiency. The results show that inkjet printing is an attractive digital printing technology for cost-effective, environmentally friendly integration of photovoltaic cells onto plastic substrates. Related to the applications described above, e-jet printing has been explored also in biotechnology, where high-resolution patterning of biomolecules and other soft materials is often needed. Due to the sensitive nature of such materials, single-step direct additive printing approaches are advantageous over conventional lithographic methods, particularly in the case of arrays of multiple species on a single substrate. Several publications demonstrate the use of e-jet printing in the fabrication of DNA and protein microarrays (Fig.6). A second area of interest within the field of biotechnology is in controlling cell–substrate interactions for tissue engineering, drug assays, and basic studies of cell behavior. Here, patterning of materials that serve as attachment sites or as environments to support cell growth is often a goal.

The possibility of patterning such materials at the nanoscale with control over their geometry and sizes in three dimensions may be a critical enabler for future applications.

Last but not at least E-jet printing may find additional application in sensing platforms. E-jet printing can not only be used to fabricate whole sensors, but also for site-specific delivery of analytes to enable capabilities that are not present in conventional systems.

The incessant development of direct printing technologies opens the way to large area fabrication method with high versatility and low cost of investment (except those of design) for equipment, prototypes independently from the scale factor associated to high serial numbers.

All the mentioned figures refer to the Italian version Fig. 1: Patterning pico-droplets using the pyro-inkjet printing approach.

Fig. 2: Printed electronics for healthcare.

Fig. 3: Printing polymeric fibers using the pyro-inkjet printing.

Fig. 4: 2D microlens array in polymeric matrix with nanocrystal filler.

Fig. 5: Photovoltaics solar cells.

Fig. 6: DNA array.

BIESSE GROUP

Uniteam entra nel Gruppo Biesse Biesse Group società multinazionale con sede a Pesaro attiva nel mercato delle macchine e sistemi per la lavorazione del legno, vetro, pietra, materiali compositi e quotata al segmento STAR di Borsa Italiana, ha annunciato l’acquisizione del 100% delle azioni di Uniteam S.p.A., azienda industriale veneta specializzata dal 1991 nella progettazione e realizzazione di centri di lavoro a controllo numerico multiassi destinati in particolar modo al settore dell’edilizia in legno, alla lavorazione di materiali avanzati ed applicazioni speciali che vanno dall’automotive alla prototipazione, fra i tanti.

Un’unione all’insegna dell’integrazione sinergica, assicura-

no i vertici delle due aziende. Entrambe le realtà, infatti, potranno trovare giovamento e beneficio da questo accordo: Biesse Group estenderà ulteriormente la propria gamma di prodotto, arricchendo, grazie anche al know-how Uniteam, la gamma dei prodotti e applicazioni per la lavorazione dei materiali plastici e compositi avanzati. Uniteam, lato suo, potrà trarre vantaggio dalla innegabile visibilità internazionale del Gruppo che si pone a livello globale tra i main player delle macchine industriali.

Due realtà di dimensioni diverse ma entrambe guidate dagli stessi valori di fondo, dove innovazione e tecnologia sono alla base di ogni progetto e Ricerca e Sviluppo sono considerati ingredienti imprescindibili per la crescita industriale.

HEXAGON

Nuova acquisizione nei sistemi di misura 3D Hexagon AB, azienda esperta nella fornitura di tecnologie informatiche che incrementano la produttività e la qualità nelle applicazioni geospaziali e industriali, ha annunciato oggi l’acquisizione di AICON 3D Systems, azienda specializzata nella fornitura di sistemi di misura 3D ottici e portatili senza contatto per la produzione industriale.

Fondata nel 1990 e con sede a Braunschweig in Germania, AICON soddisfa da oltre 25 anni le esigenze di misura di prestigiosi costruttori automobilistici e aziende nei settori aeronautico e aerospaziale, cantieristica, energie rinnovabili e ingegneria meccanica. Il suo portfolio di tecnologie comprende macchine di misura a coordinate portatili per applicazioni universali e sistemi di misura 3D che consentono monitoraggio, assicurazione qualità e controllo in produzione efficienti e di elevata precisione.

Con oltre 140 dipendenti, AICON ha una presenza diretta in Germania, filiali in Cina, Corea, Giappone e USA, nonchè una rete di rivenditori nel mondo, supportate da risorse per il supporto locale.

“AICON è un marchio riconosciuto con una forte core competence tecnica in tutti i suoi team di sviluppo, e la sua gamma di scanner rappresenta una complementarità strategica,” afferma Ola Rollén, Presidente e CEO di Hexagon. “Vediamo opportunità anche per l’espansione internazionale del più ampio

portfolio di AICON, grazie alla presenza globale di Hexagon”.

I CEO di AICON 3D Systems, Carl-Thomas Schneider e Werner Bösemann, hanno inoltre commentato: “Entrare a far parte di Hexagon è una grande opportunità che ci permette di portare i nostri prodotti di scansione AICON a un’ampia platea di clienti in tutto il mondo”.

Compositi

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COMEC INNOVATIVE

Tow Preg: a further step in filament winding production Filament winding, together with composite materials, is one of the most competitive technology combination for the production of parts (rollers, pipes, convex geometries just to mention a few).

Over the years and in the near future, this technology is able to meet the growing demand of parts for the automotive and transportation applications, not only for structural parts, but also for other applications like pressure vessels, thanks to the development of the CNG, LPG and Hydrogen technology.

A key feature for the success of filament winding and composite materials technology combinations is the improvement of the manufacturing process to reduce costs and to increase the overall quality.

The main manufacturing disadvantage to overcome is the fiber impregnation method in open bath. The main drawback of the open bath is that a wide resin surface is affected by the exposition to air moisture. On top of that, the temperature variations in the resin bath and the change of viscosity of resin itself affect the impregnation quality and the final quality of the parts.

Moreover, in most cases, the parameters of the impregnation can not be adjusted while the fibers are being drawn in the impregnation bath.

Comec has developed an innovative impregnation low pressure process by applying a low hydrostatic pressure on the resin and wetting the fibers exploiting a capillary pressure effect.

This patented process allows to avoid the resin backflow and the fibers’ abrasion caused by the high compaction rate of the fibers.

The Comec tow preg machine can process carbon, aramid, glass, PE, basalt and most of the natural fibers. Additional advantages are the full distribution of the resin inside the tow, the capability to produce tow preg with both thermoplastic and thermosetting resin types. A very short set up time and a high

High production Tow-Preg Line

Lab Scale Tow-Preg Line

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Compositi

4/5 % of resin = K x (line speed x viscosity of resin x width of tow) Tension

Mass production Tow-Preg Line rate production speed are also guaranteed.

The machine is equipped with a special unwinding unit able to reduce the dust quantity and the fiber tension stress. A special volumetric system is able to ensure the exact percentage of resin at different line speeds; a special spreading unit allows uniform impregnation. A tailored rewinding unit produces consistent bobbins avoiding any fiber twist. The machine is equipped by a software enabling just one operator easily manage and check all the functions and parameters.

Comec Innovative is an Italian Company established in 1965.

Main markets are: aeronautic, defence, automotive and energy sectors. Comec Innovative supplies TowPreg lines, ATL robots, FW, RTM systems, ATP-AFP, Thermoplastic prepreg line, etc.

The partnerships with Universities, Institutes and raw material suppliers allow Comec Innovative to be on the technological fore front.

Comec Innovative is a strategic partner, delivering the latest tailored technologies, qualified R&D services and line revamping, focusing on system integration and process automation.

ITALMATIC

Sistema di controllo e supervisione Un sistema di controllo e supervisione veloce, performante e con interfaccia user-friendly è il miglior biglietto da visita che un’azienda fabbricante di macchinari ad alta tecnologia possa presentare a tutti i suoi potenziali clienti nei settori Aeronautica, Spaziale, Automotive e Racing. In quest’ottica, Italmatic, ha elaborato uno SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) accessibile a tutti gli operatori dell’autoclave, suddiviso su diversi livelli protetti da password per permettere ogni variante di gestione ciclo si renda necessaria e produrre tutta la reportistica di dettaglio necessaria. L’immediata familiarità che si rag-

giunge con l’utilizzo del sistema Italmatic ed il passaparola tra gli operatori di mercato hanno portato, solo nell’ultimo, a diverse commesse con oggetto la sostituzione del software installato dal fabbricante originale dell’autoclave, con il software Italmatic.

Questo software è installato su tutte le fabbricazioni aziendali, quindi autoclavi ma anche forni e presse per il trattamento di materiali termoindurenti e termoplastici. Ecco alcune funzionalità che fanno prediligere il software Italmatic: • controllo dinamico su temperatura, con possibilità di adeguare ogni singolo ciclo in funzione del pezzo inserito, incluso inserimento dei codici seriali dei pezzi • configurazione cicli con definizione del carico interno, delle termocoppie e linee vuoto collegate.

• funzione di ricerca per ciclo, ricetta, lotto, data o commento • generazione di report in formato PDF per allarmi, eventi e trend, in maniera automatica.

• possibilità di messa in pausa del ciclo, effettuare un aborto ciclo controllato o cambio parametri ricetta a ciclo in corso • reportistica avanzata approfondita con individuazione di eventuali parametri fuori specifica.

C.R.M. DI MAZZOCCATO ARTURO & FIGLI

Flessibilità del PCD nella lavorazione di compositi Come si coniugano flessibilità e resistenza nel PCD, uno dei materiali da taglio più duri?

La durezza di uno spigolo tagliente PCD ha molteplici vantaggi: • qualità costante • durata: centinaia, migliaia di pezzi eseguiti prima della necessaria riaffilatura • riduzione tempi settaggio macchine utensili Con le opportune tecnologie eccone un altro: • soluzioni flessibili a tagliente policristallino.

Spigoli, angoli, raggi assumono le forme adatte a risolvere le necessità produttive, per la capacità C.R.M. a sviluppare sempre nuovi utensili in funzione di quanto richiesto. Nasce quindi un ulteriore vantaggio: • risparmio di risorse dedicate alla ricerca ed all’acquisto di materiale standard a catalogo, dove è l’utilizzatore a doversi destreggiare, cercando di adattare un utensile standard a programmi complessi di macchine utensili evolute ed alle caratteristiche e i vincoli delle lavorazioni, per farne la migliore soluzione per il proprio processo. Spreco di energie e di tempo significativo, ancorché difficilmente quantificabile.

Perché allora non lasciare a C.R.M. Mazzoccato s.r.l., produttore dell’utensile flessibile in PCD, i problemi dello sviluppo e della progettazione, concentrandosi unicamente sui propri processi?

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Dagli NDT tradizionali alla tomografia La tomografia industriale computerizzata (industrial CT) è un metodo di controllo non distruttivo a raggi X che si è molto affermato negli ultimi anni.

La tomografia, partendo da alcune migliaia di radiografie digitali, permette di ottenere il volume tridimensionale dell’oggetto analizzato. Scorrendo il volume 3D è poi possibile, in modo completamente non distruttivo, analizzare tutte le sezioni dell’oggetto reale e eseguirne il completo controllo difettologico e dimensionale. Per ottenere questo risultato, il componente in esame viene posto all’interno di un bunker radiografico e fissato a una tavola rotante ad alta precisione che si trova tra la sorgente radiogena ed il detector digitale. Durante l’emissione dei raggi X, l’oggetto viene posto in

Figura 1: Risultato dell’analisi PA-UT.

Figura 2: Risultato dell’analisi termografica.

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rotazione e il detector acquisisce le proiezioni radiografiche a ogni step di rotazione. Terminata l’acquisizione, un algoritmo di ricostruzione permette di risalire dalle proiezioni radiografiche 2D al volume tomografico tridimensionale.

Il centro tomografico TEC Eurolab si avvale di due sistemi tomografici North Star Imaging di ultima generazione: un sistema microfocus X5000 da 240 kV e un sistema X7500 ad alta potenza (450 kV) capace di analizzare anche fusioni di grandi dimensioni e particolari in leghe pesanti. Questa strumentazione, unica sul territorio nazionale, consente di combinare le migliori precisioni di analisi (risoluzione tomografica fino a 5 µm) con i maggiori spessori attraversabili e le massime dimensioni scansionabili (fino a

1200 mm di diametro e 3 m di altezza).

Per comparare i risultati ottenibili da differenti tecniche non distruttive è stata eseguita l’analisi di un supporto volante in fibra di carbonio tramite ultrasuoni phased array, termografia lock-in e tomografia industriale.

Il supporto volante è stato selezionato in quanto ha caratteristiche geometriche tali da risultare proficuamente controllabile con le tre differenti tecniche. Si tratta di un tubolare avente altezza di 360 mm, diametro esterno di 26 mm e spessore di parete di 3 mm. Nel seguito si presentano gli esiti dell’indagine e il confronto fra le tecniche.

Ultrasuoni Phased Array (PA-UT) Come il controllo classico a ultrasuoni, la tecnica Phased Array si basa sulla propagazione di un fascio UT all’interno del materiale. Si differenzia dal controllo UT tradizionale in quanto, anziché un singolo trasduttore, si utilizza una matrice (array) di trasduttori che vengono eccitati in modo differente. Questo garantisce che le discontinuità presenti nel materiale vengano investite da diverse angolazioni, migliorandone la rilevabilità.

La figura 1 mostra il segnale ottenuto dalla scansione phased array: la colorazione blu identifica le zone in cui il segnale ultrasonoro ha attraversato completamente il componente ed è stato riflesso in superficie dopo aver raggiunto la parete interna del tubolare.

La colorazione giallo/verde identifica le zone in cui il segnale è stato riflesso prima di raggiungere il bordo interno, documentando una discontinuità all’interno del materiale. Il controllo, eseguito manualmente traslando la sonda ultrasonora sul campione in esame, permette di individuare chiaramente la delaminazione. Considerata l’influenza dell’operatore, per la messa a punto del controllo e per l’interpretazione dei risultati risulta però molto importante l’esecuzione di analisi preliminari su blocchi campione.

Termografia lock-in Le tecniche termografiche sono basate sul rilievo di anomalie termiche sulla superficie del componente dovute alla presenza di discontinuità interne o a variazioni delle proprietà del materiale che costituiscono un ostacolo alla diffusione termica. In particolare, la termografia lockin è basata sulla trasmissione di onde termiche generate mediante una sorgente

di calore esterna opportunamente modulata. Una termocamera misura la temperatura superficiale del materiale e, tramite algoritmi di post-processing, è possibile risalire all’ampiezza e alla fase del segnale termico. Le zone difettate originano una risposta termica differente, rilevabile come variazione di fase del segnale stesso. La figura 2 presenta l’immagine termografica della zona soggetta a delaminazione, caratterizzata da una netta variazione di fase del segnale. La profondità del distacco non è però facilmente misurabile.

Tomografia industriale computerizzata (CT): Per ottimizzare la risoluzione di scansione (50 µm) sull’intera altezza del componente, è stata eseguita una scansione elicoidale. Con questa tecnica, il detector digitale e la sorgente RX traslano verticalmente durante la rotazione del campione.

La figura 3 presenta due sezioni significative del volume tomografico 3D ottenuto.

A sinistra è riportata la sezione trasversale, ortogonale all’asse del campione, in cui sono ben evidenti diverse delaminazioni; a destra è invece riportato lo sviluppo planare della sezione cilindrica (di cui è riportata in fucsia la traccia sul-

Figura 3: Sezioni del volume tomografico 3D ottenuto dalla scansione. la sezione trasversale). Oltre alla delaminazione principale, individuata anche dagli altri metodi, è possibile documentare delaminazioni di dimensioni minori e porosità diffuse. Risulta inoltre verificabile l’orientamento di ogni strato di fibre.

Ciascuna discontinuità è perfettamente localizzabile in un sistema di riferimento CAD e le dimensioni dei difetti sono misurabili con accuratezza centesimale. La completezza e la precisione del metodo consentono quindi un controllo diagnostico completo del componente, sia per

la verifica qualità sia per la progettazione di eventuali riparazioni. Confrontando le tre tecniche si conclude che tutte hanno permesso il rilievo della delaminazione maggiore, ma la qualità e la quantità di informazioni fornite dalla tomografia non è ottenibile da ultrasuoni e termografia.

APPLICAZIONI La tomografia industriale è in grado di assistere le industrie aeronautiche e automotive nello sviluppo e nella validazione di nuovi prodotti (First Article Inspection).

Dagli NDT tradizionali alla tomografia

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Figura 4: Tessuto CFRP ulteriormente rinforzato con singolo strato di fibra di vetro. La tomografia ha permesso di evidenziare la propagazione della frattura nel tessuto di rinforzo.

Riunendo in una singola analisi non distruttiva la verifica dimensionale e il controllo difettologico completo, consente infatti di ridurre drasticamente il time to market.

La possibilità di analizzare prodotti complessi e multi-materiale senza distruggerli o smontarli rende inoltre la tomografia un irrinunciabile strumento per la riduzione dei rischi e la failure analysis.

Di seguito si dettagliano alcune delle applicazioni del metodo tomografico.

• Valutazione difetti e danneggiamenti con procedura manuale o semiautomatica. È possibile individuare e quantificare le discontinuità volumetriche o lineari presenti nel materiale, qualunque sia la loro orientazione nello spazio. Tali informazioni possono essere esportate e utilizzate anche per la simulazione strutturale FEM dei componenti reali anziché delle matematiche ideali.

• Controllo dimensionale completo sia tramite verifica di quote specifiche sia con confronto CAD 3D. Grazie all’utilizzo dei raggi X e alla ricostruzione tridimensionale risultano rilevabili tutte le dimensioni, interne ed esterne, senza limitazioni dovute all’accessibilità fisica o visiva. È inoltre possibile eseguire la mappatura completa degli spessori di parete, indipendentemente dal processo produttivo e dal materiale utilizzato.

• Reverse engineering dall’oggetto reale al disegno CAD. in seguito alla ricostruzione del volume 3D è possibile segmentare la superficie del componente estraendone la matematica completa in formato STL. In seguito è poi possibile completare il processo di reverse engineering fino all’ottenimento di modelli CAD parametrici o in formato STEP. • Analisi orientazione fibre dei materiali compositi. Nei componenti CFRP è possibile studiare l’orientamento delle fibre, verificandone la conformità al progetto. I componenti stampati con rinforzi a fibra corta possono inoltre essere analizzati per individuare le sezioni di congiunzione dei flussi plastici e per validare le eventuali simulazioni di processo.

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