Compositi n° 30 dicembre 2013 by Tecnedit Edizioni

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

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Organo ufficiale di Assocompositi

anno VIII - numero 30 dicembre 2013

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10-09-2007

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Pagina 31

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Prof. Roberto Frassine Presidente Assocompositi

editoriale

The composite materials have several environmental advantages compared to other structural materials, such as a very low "carbon footprint" during the lifecycle and the considerable energy savings given by their lightness. Quite often, however, barriers are raised to their use, since erroneously they are believed not to be recyclable. It has been demonstrated by several studies, and recently reaffirmed at the European level that there are many processes, including the use in cement kilns, which makes the reuse of these materials fully compatible with the definition of recycling present in the European waste directive. The case cited, in particular, is a "reprocessing " in which new materials are obtained for other purposes. For this reason Assocompositi, in cooperation with CSI, has developed a set of regulations for the certification of recyclable composite materials: this is the first initiative of its kind conducted in the Country. It will allow companies to certify their products, processes and services for composite products and to use the corresponding logo. We believe that this initiative will contribute to state objectively the sustainability of composites and dispel many misconceptions that still occur today in respect of our materials.

I materiali compositi hanno diversi vantaggi di tipo ambientale rispetto agli altri materiali strutturali, come ad esempio un “carbon footprint” molto basso durante il ciclo di vita e il notevole risparmio energetico dato dalla

editoriale

Composites and Sustainability

Compositi e sostenibilità

loro leggerezza. Spesso però trovano barriere

al loro impiego in quanto erroneamente ritenuti non riciclabili. È stato ampiamente dimostrato da numerosi

studi e recentemente riaffermato anche in sede europea che esistono molti processi, tra cui

l’utilizzo nei forni dei cementifici, che rendono il riutilizzo di questi materiali pienamente compatibile con la definizione di riciclaggio contenuta nella Direttiva europea dei rifiuti. Nel caso citato, in par ticolare, si tratta di un processo di “ritrattamento” in quanto si ottengono materiali da utilizzare per altri fini. Per questo motivo Assocompositi, in collaborazione con CSI, ha messo a punto un Regolamento per la cer tificazione dei

materiali compositi riciclabili da poco pubblicato: si tratta della prima iniziativa di questo genere

condotta sul territorio nazionale. Il regolamento consentirà alle aziende di cer tificare i loro prodotti, processi e ser vizi per manufatti in

composito e di poter apporre il relativo marchio di cer tificazione. Siamo convinti che questo marchio potrà contribuire ad affermare

oggettivamente la sostenibilità dei compositi e a dissipare molti pregiudizi che oggi ancora si

manifestano nei confronti dei nostri materiali.

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21/11/13 17:24

Sommario 21

INTERVISTA

>> 39

Anno VIII – Numero 30 Year VIII – Issue 30 Dicembre 2013 December 2013

Certificare la qualità Intervista a Fiorenzo Spadoni

Periodicità trimestrale Quarterly review

abbonamento Italia abbonamento Estero una copia

€ 25,00 € 50,00 € 7,00

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

MATERIALI

Pubblicità e Marketing Via Delle Foppette 6 20144 Milano - Italy tel. +39 0236517115 fax +39 0236517116 e-mail: marketing@tecneditedizioni.it

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

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COSTRUZIONI

Tessili tecnici e compositi intelligenti multifunzionali Smart multifunctional technical textiles and composites Giannicola Loriga, Clemente Fuggini, Donato Zangani

NAUTICA

Processo infusivo per uno scafo in biocomposito Infusion process for a biocomposite hull Andrea Crucianelli, Gianluca Massaccesi, Andrea Ratti e Cristian Ferretti

SPECIALE NAUTICA

PROGETTAZIONE

L’energia del vento a portata di casa Wind energy at your home Luca Olivari

CARATTERIZZAZIONE MATERIALI 51 Comportamento statico e dinamico di laminati ibridi Static and dynamic behaviour of hybrid composites Marco Valente, Fabrizio Sarasini, Giovanni Pulci, Francesco Marra, Jacopo Tirillò e Carlo Santulli

COMPOTEC 2014

Una nuova sfida, un nuovo inizio

In mostra le novità per il primo equipaggiamento nell’automotive

31 42 8

MADE EXPO

Sempre più internazionale

51 45

Stampa - Printed by Grafteam 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 Ufficio Commerciale Sales office Ramona Foddis

VETRINA

ALUMOTIVE 2014

Progetto grafico impaginazione e fotolito Photo type – setting Lodovico Pieropan

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 Enrico Bernando Andrea Crucianelli Cristian Ferretti Clemente Fuggini Giannicola Loriga Mauro Marangoni Francesco Marra Gianluca Massaccesi Luca Olivari Giovanni Pulci Andrea Ratti Carlo Santulli Fabrizio Sarasini Fiorenzo Spadoni Jacopo Tirillò Marco Valente Donato Zangani

Compositi

Campagna Associativa 2014 Assocompositi è l’Associazione di riferimento del settore dei materiali compositi in Italia: raggruppa oltre 50 aziende e svolge attività di tutela dell’industria, del mercato e dei rappor ti con le istituzioni, nonché di promozione costante

della cultura dei compositi. L’Associazione ha mantenuto invariate le quote di adesione potenziando i propri ser vizi tecnici e normativi, offrendone di nuovi pensati su misura per le aziende e i professionisti del settore

Assocompositi lancia la prima certificazione italiana per i compositi riciclabili

∎ Nuovi Soci

Assocompositi, in collaborazione con CSI, ha messo a punto un regolamento per la certificazione dei materiali compositi riciclabili: si tratta della prima iniziativa di questo genere condotta sul territorio nazionale. Il regolamento consentirà alle aziende di certificare i loro prodotti, processi e servizi per manufatti in compositi plastici fibrorinforzati (FRP) e di poter apporre il relativo marchio di certificazione. I Soci Assocompositi potranno usufruire di tariffe agevolate per il rilascio e per il mantenimento della certificazione. Per ulteriori informazioni contattare la nostra Segreteria.

Pubblicati gli Atti 3° del Convegno nazionale Assocompositi Sono disponibili online in www.assocompositi.it gli atti dell’ultimo Convegno dell’Associazione tenutosi dal 22 al 24 maggio 2013 presso il Castello del Valentino di Torino in collaborazione con Torino Piemonte Aerospace e con il Politecnico di Torino. Gli Atti sono pubblicati con il codice ISBN 9788890798719.

●●● News da EuCIA ●●

Lanciato il World Pastics Council

I principali produttori di materie plastiche e resine si sono riuniti durante K 2013 per lanciare il nuovo World Plastics Council, che darà la possibilità ai produttori di materie plastiche da tutto il mondo di potersi incontrare per condividere idee, progetti e know-how. Il WPC faciliterà un approccio unitario per affrontare le opportunità e le sfide che attendono il settore a livello mondiale.

Compositi

dei materiali compositi. Per i nuovi Soci Ordinari che sottoscrivano entro fine dicembre l’adesione per il 2014 è prevista un’offer ta vantaggiosa. Per ulteriori informazioni: info@assocompositi.it

Siamo lieti di dare il benvenuto tra i nostri Soci ordinari a: - HP Composites, partner ideale nella trasformazione dei materiali compositi avanzati attraverso la gestione dell’intero processo produttivo. Il rilevante know-how tecnologico si esprime con particolare attenzione al mercato automotive su attività di prototipazione, sviluppo prodotto, industrializzazione, progettazione attrezzature, sviluppo di tecnologie e processi, produzioni racing e speciali. Alta tecnologia e manifattura si condensano in un’azienda in cui le risorse impegnate vantano esperienza pluriennale nel mondo dei compositi e hanno partecipato in particolare ai più importanti progetti racing e stradali degli ultimi venti anni. La struttura è posizionata nella “Carbon Valley” del Piceno che offre le condizioni ideali in termini di attenzioni istituzionali e risorse umane qualificate.www.hpcomposites.it - Dalla Betta group, azienda veneta specializzata nella produzione di tessuti tecnici atti a soddisfare le più sofisticate ed avanzate richieste del mercato. L’attività della società riguarda essenzialmente la lavorazione dei filati di vetro, aramide, carbonio, pbo, pva, acciaio per applicazioni di tipo aeronautico, spaziale, industriale, per il settore della difesa e delle opere edili, per la nautica e lo sport e per il settore della pre-impregnazione. Dalla Betta group è una società indipendente in grado di sviluppare nuovi progetti in base alle specifiche richieste ed aspettative della clientela, mettendo al loro servizio esperienza e conoscenza tecnologica.www.dallabetta.com

(Associazione europea dell’industria dei compositi) ●●

Horizon 2020: primi bandi

Con l’avvicinarsi del lancio di Horizon 2020, la Commissione Europea sta organizzando a Bruxelles alcune giornate informative al fine di introdurre le differenti tematiche che caratterizzeranno la nuova Programmazione 2014-2020. Il primo Info Day sarà intitolato “Energy in Horizon 2020” e avrà luogo il 5 dicembre, mentre l’evento successivo sarà dedicato ai primi bandi del challenge “Smart, Green and Integrated Transport” e si svolgerà il 18 dicembre. Per info: www.apre.it

CALENDARIO PROSSIMI EVENTI 2013 Fiere

“ Area collettiva italiana al JEC 2014

L’appuntamento del 2014 con Jec Europe 2014 è fissato dall’11 al 13 marzo. Assocompositi coordinerà il padiglione italiano che ha suscitato numerose adesioni, occupando la nuova Hall 7.3. Per ulteriori informazioni contattare la segreteria dell’Associazione: info@assocompositi.it

■ ■

L’Associazione e Reed Exhibitions riconfermano anche per il prossimo anno la collaborazione per organizzare il padiglione italiano al Composites Europe 2014 che si terrà a Dusseldorf dal 7 al 9 ottobre. Per i Soci saranno come sempre disponibili postazioni preallestite di 9mq a costi fortemente scontati.

“ Seminari Tecnici a Compotec 2014

Assocompositi organizza durante la manifestazione seminari tematici: compositi per edilizia e costruzioni (5 febbraio), applicazioni per settore automotive (6 febbraio), applicazioni per settore aeronautico e materiali “smart” (7 febbraio). Si invita chi fosse interessato a presentare novità, progetti, prodotti o nuove tecnologie a prendere contatto con la nostra Segreteria.

Euromold 2013

3-6 dicembre, Francoforte (Germania) ■

ICCM 2014

30-31 gennaio, Dubai (Emirati Arabi) ■

“ Padiglione Italia a Composites Europe 2014

METS 2013

19-21 novembre, Amsterdam (Olanda)

Compotec

5-7 febbraio, Carrara (Italia) ■

Singapore Air Show

11-16 febbraio, Singapore ■

Composite-Expo

25-27 febbraio, Mosca (Russia)

Convegni&Workshop ■

NanotechItaly 2013

27-29 novembre, Venezia (Italia) ■

Wind Turbine Blade Manufacture 2013

3-5 dicembre, Dusseldorf (Germania) ■

5th German WPC Conference

10-11 dicembre, Colonia (Germania)

Materiali

di Enrico Bernardo e Mauro Marangoni

I compositi a matrice vetrosa Nei compositi a matrice vetrosa la funzione principale del rinforzo è di aumentare la bassa resistenza alla propagazione della frattura della matrici, grazie ai meccanismi di tenacizzazione descritti nell’articolo. Nel prossimo numero verranno illustrate le tecniche di fabbricazione e le prospettive di applicazione di questi materiali. compositi a matrice vetrosa e vetroceramica rappresentano un particolare tipo di compositi a matrice ceramica. In tutti i compositi a matrice ceramica i miglioramenti in modulo elastico e resistenza associati ai rinforzi hanno indubbiamente una priorità molto minore rispetto ai miglioramenti nella resistenza alla propagazione delle cricche, ovvero la più significativa debolezza dei ceramici per applicazioni strutturali [1, 2]. Le matrici vetrose, a causa del loro valore particolarmente basso di tenacità a frattura (< 1 MPa m0.5), sono ovviamente le

più critiche. Tuttavia, si dovrebbe notare che i vetri possiedono varie proprietà che favoriscono la loro applicazione come matrici: • presentano valori moderati di modulo elastico (in un intervallo tra 60 e 90 MPa): i rinforzi, specialmente sotto forma di fibre, possono fornire un aumento significativo del modulo di elasticità e un’efficace trasmissione del carico • presentano il rammollimento: diversamente dai ceramici policristallini, possono infiltrare come liquido viscoso

Fig.1: Vista schematica dall’alto di un fronte di cricca in un vetro, che si incurva tra inclusioni adiacenti

Compositi

rinforzi fibrosi, senza provocarne danni meccanici, a temperature moderate (<1000° C); si raggiunge spesso la completa densificazione [1, 3, 4], specialmente dopo l’applicazione di pressatura a caldo di polveri di vetro e rinforzi. In assenza di pressatura a caldo, ovvero con sinterizzazione pressureless (senza pressione), la densificazione dei vetri per flusso viscoso è più rapida che non la sinterizzazione di ceramici policristallini • possono essere prodotti “su misura” controllando la composizione chimica: piccole variazioni possono causare cambiamenti significativi in un’ampia gamma di proprietà, per esempio nelle temperature caratteristiche o nel coefficiente di dilatazione termica. In molti casi, le matrici vetrose possono essere convertite in matrici vetroceramiche: un composito può essere prima trattato con la matrice allo stato vetroso e poi cristallizzato, ottenendo una maggiore stabilità ad alta temperatura • possiedono una notevole stabilità chimica: i rinforzi possono essere stabili fino a temperature dell’ordine di 1200° C, se la matrice vetrosa è cristallizzata; inoltre, si può considerare che, diversamente dai polimeri, i vetri non sono infiammabili, e non sono suscettibili di deterioramento a causa di umidità o olii e combustibili • sono economicamente attraenti: le materie prime per la realizzazione della maggior par te dei vetri impiega-

Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università degli Studi di Padova

ti come matrici sono piuttosto economiche e di ampia disponibilità; anche i processi di fusione del vetro sono ben consolidati. Inoltre, sono disponibili grandi quantità di vetro proveniente da operazioni di riciclo.

MECCANISMI DI TENACIZZAZIONE Il controllo della propagazione delle cricche dipende dalle interazioni tra cricca e rinforzo, definite come meccanismi di tenacizzazione. Gli effetti possono essere riassunti come segue: • aumento della tenacità, KC • aumento della resistenza (soprattutto a flessione) • riduzione nella dispersione dei dati di resistenza (con un aumento generale dell’affidabilità del materiale, fondamentale per le applicazioni strutturali). In letteratura sono disponibili eccellenti rassegne su questi meccanismi [5, 6, 7], dei quali nei seguenti paragrafi si fornisce una breve presentazione. ■ ■ Crack bowing (incurvamento della cricca) Un fronte di cricca, generalmente piano in un vetro, è obbligato a incurvarsi tra i punti di vincolo rappresentati dalle robuste particelle della fase secondaria (per esempio particelle Ni [8] e allumina [9]) (Fig. 1). Il tasso di rilascio dell’energia critico del composito può essere espresso come segue:

dove γ0 è l’energia super ficiale della frattura del vetro non rinforzato, T è una “tensione lineare” caratteristica del fronte di cricca e d è la spaziatura dell’ostacolo (decrescente per frazione volumica crescente della seconda fase). L’aumento (limitato) di resistenza associato all’incur vamento della cricca deriva dalla classica teoria di Griffith [σf ∝ (Gc)0,5]. ■ ■ Crack deflection (deviazione della cricca) La deflessione della cricca è riconosciuta come il principale meccanismo di tenacizzazione per fasi secondarie in forma di particelle equiassiche fino a platelets o fibre corte (inclusi i whiskers). La de-

Fig.2: Meccanismi di deflessione della cricca, per rinforzi aventi un coefficiente di dilatazione termica più alto (a sinistra) o più basso (a destra) della matrice vetrosa

Fig.3: Aumento della deflessione della cricca fornito da inclusioni con alto aspect ratio

viazione nasce dalla differenza nelle caratteristiche termoelastiche delle fasi, che dà luogo a un sistema di sforzi residui nel raffreddamento dei compositi a partire dalla temperatura di produzione. I rinforzi con coefficiente di dilatazione termica maggiore di quello della matrice de-

terminano un effetto di crack tilting (Fig. 2, a sinistra): le cricche si propagano intorno al rinforzo, mentre la porzione di matrice circostante è schermata dagli sforzi tangenziali residui di compressione. Al contrario, quando il coefficiente di dilatazione termica della matrice supera

Compositi

Materiali

quello del rinforzo, gli sforzi residui sono di compressione in direzione radiale e di tensione in quella tangenziale: le cricche sono in un certo modo attratte verso la fase secondaria, attorno alla quale la propagazione nella matrice vetrosa è favorita da sforzi tangenziali residui di trazione (Fig. 2, a destra). Quando una cricca viene deviata, il modo di frattura passa da un modo I puro (modo d’apertura, direzione della cricca e del carico mutuamente perpendicolari), governato dal fattore d’intensità di sforzo KI, a un modo misto (modo I con modo II, e modo III, governati anche dai fattori KII e KIII), con un conseguente aumento del valore critico del tasso di rilascio dell’energia (per il modo I semplice, GC=KIC2(1-ν)2/E, dove E e ν sono il modulo di Young e di Poisson). La distribuzione degli sforzi residui è ovviamente influenzata dall’estensione dell’inter faccia matrice-rinforzo, a

debonding

pull-out Fig.4: Rappresentazione schematica di eventi di distacco e pull-out

Fig.5: Rappresentazione schematica di tenacizzazione per mezzo di filamenti duttili

Compositi

sua volta dipendente sia dalla frazione in volume sia dall’aspect ratio (super ficie specifica) del rinforzo. Una quantità limitata di fibre corte può fornire un aumento di tenacità più rilevante rispetto a particelle equiassiche in maggior frazione volumica; dischi (o platelets) generano un effetto intermedio [10,11] (come mostrato dalla Fig. 3, inclusioni con alto aspect ratio provocano una deviazione più consistente). I whiskers, che possiedono un rappor to tra lunghezza e diametro par ticolarmente alto (diametro <1µm, lunghezza di circa 100µm), possono por tare a compositi con una tenacità vicina a 5 MPa m0.5 (per esempio whiskers di SiC [12,13]). La pericolosità dei whiskers e le difficoltà nell’ottenere una dispersione omogenea hanno obbligato la ricerca sui compositi a concentrarsi principalmente sui platelets, cioè monocristalli a forma di disco (diametro in un inter vallo di 5-10 µm, spessore di 0,51 µm; esempi comuni sono i platelet in Al2O3 o SiC [14-17]); la tenacità può essere aumentata fino a 3.5 MPa m0,5 con un 30% in volume di platelet [17]. ■ ■ Distacco (debonding) e pull-out Quando una cricca si avvicina a fibre lunghe e parallele può procedere semplicemente troncandole o per distacco all’inter faccia matrice-fibra e con un parziale pull-out delle fibre (Fig. 4), con una grande dissipazione di energia. Si possono ottenere enormi incrementi nella tenacità [3]. Deve essere raggiunto un compromesso fondamentale concernente la resistenza dell’inter faccia matrice-fibra: • l’inter faccia non deve essere troppo debole, poiché un trasferimento di carico tra matrice e fibre è desiderato • l’inter faccia non deve essere troppo resistente, affinché avvengano il distacco e il pull-out Secondo il semplice modello proposto da Matthews e Rawlings [6], si dovrebbe far riferimento al ben noto concetto di lunghezza critica per compositi fibrosi:

dove σf,fail è il carico di rottura della fibra, D è il diametro e τ è lo sforzo di taglio all’interfaccia, supposto costante. Se

una fibra è più corta della lunghezza critica, lo sforzo di trazione assegnatole non può superare il carico di rottura, e la frattura del composito è dovuta ad altri eventi come la frattura della matrice o il pull-out delle fibre. La massima lunghezza di distacco corrisponde a metà della lunghezza critica; conseguentemente, il lavoro massimo necessario al distacco è proporzionale allo stesso parametro. Un concetto analogo regola il lavoro, molto più consistente, per il pull-out (Wpull-out/Wdebonding=3 Ef/σf,fail>>1) [6]. La creazione di cricche nella matrice e il distacco determinano “ponti” di fibre (crack bridging), così che la capacità di carico del composito, dopo che si è raggiunta la resistenza di picco, decresce, ma non drammaticamente. Questo effetto è percepibile in par ticolare con fibre caratterizzate da una variabilità di resistenza relativamente alta [18]. Le fibre di carbonio offrono la tenacizzazione più significativa, a causa del loro scarso legame inter facciale. La resistenza a frattura si avvicina a 35 MPa m0,5, con una resistenza a flessione superiore a 800 MPa [3]. A differenza delle plastiche rinforzate con carbonio, i vetri rinforzati con carbonio possono essere stabili ben sopra i 150° C e mantenere resistenza anche fino a 600° C per matrici cristallizzate [2]. Fibre in SiC di origine polimerica rappresentano una valida alternativa, portando a compositi con resistenza a flessione superiore, sopra i 1000 MPa, soltanto con una lieve diminuzione della tenacità (25-30 MPa m0.5). Il successo delle fibre in SiC sta ancora una volta nell’inter faccia relativamente debole, determinata dallo sviluppo di un sottile (10-50 nm) strato carbonioso, che favorisce un significativo pullout causato dall’interazione del SiC con l’ossigeno del vetro [3]. Monofilamenti in SiC e B ad alto grado di cristallizzazione (diametro >100 µm) prodotti per deposizione chimica da vapore su substrati di carbonio o W, sebbene termicamente e chimicamente più stabili, non forniscono una tenacizzazione sostanziale a causa della loro limitata resistenza flessionale. Tuttavia, essi potrebbero essere usati per preparare compositi più rigidi, con una notevole resistenza allo scorrimento

I compositi a matrice vetrosa >> viscoso [3,19]. Le fibre in ossido, in forma di fibre di Al2O3 o vetro, sono interessanti per la possibilità di sviluppare compositi con un’alta resistenza all’ossidazione, ma sono anche critiche perché si legano fortemente a matrici vetrose e vetroceramiche, a meno che non siano rivestite con “agenti inter facciali” specifici, come SnO2 o BN. L’ossido di stagno (SnO2), essendo un ossido, è ovviamente resistente all’ossidazione ma può reagire con la matrice vetrosa. Si è trovato che il rivestimento in BN (nitruro di boro) porta a miglioramenti nella resistenza a frattura (fino a 3.3 MPa m0.5) [20]. I rivestimenti in carbonio sarebbero ancora più efficaci (tenacità superiore a 4.5 MPa m0.5), ma il vantaggio di usare compositi ossido-ossido ad alta temperatura sarebbe perso [3,21,22]. Inoltre, comprometterebbero la possibi-

lità di ottenere “compositi optomeccanici” [23-26], cioè compositi a matrice vetrosa con una trasmittanza ottica accettabile, associata alla trasparenza sia della matrice sia delle fibre, da applicarsi nell’ottica e nell’industria delle costruzioni, sia come materiali strutturali che in grado di trasmettere la luce, in finestre rinforzate, parabrezza e finestre di monitoraggio ad alta resistenza all’impatto [3]. Si possono prendere in considerazione rivestimenti in ossido trasparenti o translucidi, per esempio basati su TiO2, sebbene meno efficaci del carbonio [23]. Una considerazione finale sui vetri fibrorinforzati dovrebbe essere dedicata a sistemi che incorporano nanotubi, sia di C che di BN [27-29]. I nanotubi potrebbero essere trattati come l’estrema evoluzione delle fibre, ma i loro straordinari valori di modulo elastico e resi-

stenza a trazione sono scarsamente sfruttati, a causa di difficoltà di omogeneizzazione. In ogni caso, sono stati osser vati eventi di pull-out e crack-bridging, con rilevanti aumenti della resistenza a frattura anche per piccole aggiunte di rinforzo (4-5% in peso). Si deve osser vare che tali aggiunte limitate determinano spettacolari aumenti nelle proprietà funzionali, come la conduttività elettrica. ■ ■ Tenacizzazione per introduzione di una fase duttile L’introduzione di una fase duttile in una matrice fragile è volta a trasferire ai compositi l’alto assorbimento di energia associata alla deformazione plastica. Tale trasferimento è spesso compromesso, tuttavia, da fenomeni di distacco, pull-out e deviazione della cricca. Inoltre, molti metalli e leghe hanno un

Materiali

punto di fusione relativamente basso, così che la realizzazione di compositi è possibile solo con vetri dalle temperature caratteristiche relativamente basse: la pressatura a caldo è senza dubbio preferita alla sinterizzazione pressureless, perché permette una significativa densificazione del vetro in condizioni di alta viscosità, cioè a temperatura più bassa. Krstic et al. [30] hanno riportato che particelle in Al possono portare a valori di tenacità superiori a 6 MPa m0.5, ma hanno anche evidenziato la necessità di un forte legame inter facciale. L’adesione potrebbe essere migliorata sottoponendo le particelle metalliche a lunghi trattamenti di pre-ossidazione e introducendo opportuni ossidi, come l’ossido di cobalto, nella matrice vetrosa, come riportato più recentemente [31]. I metalli possono essere usati anche in forma di fibre o nastri cor ti, senza particolare miglioramento nella resistenza a frattura rispetto al caso di par ticelle equiassiche [32]. Una tenacizzazione più consistente è garantita da filamenti continui o tessuti bidimensionali, associati a sensibili effetti di pull-out e deformazione plastica [33] (Fig. 5).

■ ■ Tenacizzazione per trasformazione La dissipazione dell’energia di frattura nella trasformazione di una fase secondaria, attivata dall’intenso campo di sforzi intorno all’apice della cricca, può essere sfruttata anche in matrici vetrose o vetroceramiche. Sottili par ticelle tetragonali di zirconia sono state inserite in vetri preparati con processi sol-gel da alcossidi metallici, in vetroceramici per pressatura a freddo, sinterizzazione e cristallizzazione di un vetro bario-silicato, o in vetroceramici in mica o mica-apatite ottenuti da vetri calcio-fosfosilicati [34-37]. La trasformazione da struttura tetragonale a monoclina por ta a una resistenza alla frattura fino a 5 MPa m0.5; si dovrebbe tuttavia notare che dalla zirconia monoclina (fase trasformata) o da ulteriori fasi (come lo zircone, ZrSiO4) può derivare anche un qualche contributo alla tenacizzazione in termini di deviazione della cricca. Un secondo tipo di trasformazione, ripor tato da Boccaccini et al. [38], è associato all’incorporazione di par ticelle

Compositi

I compositi a matrice vetrosa

BIBLIOGRAFIA - REFERENCES

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[8] M.A. Stett, R.M. Fulrath 51, 599–600 (1968).

[28] B.J.C. Thomas, M.S.P. Shaffer, A.R. Boccaccini, Comp. Part A 40, 837–845 (2009).

[9] F.F. Lange, J. Am. Ceram. Soc. 54, 614-620 (1971). [10] K.K. Chawla, Ceramic Matrix Composites, Chapman&Hall, London, 1993. [11] M. Kotoul, J. Pokluda, P. Šandera, I. Dlouhý, Z. Chlup, A.R. Boccaccini, Acta Mater. 56, 2908-2918 (2008). [12] K.P. Gadkaree, K. Chyung, Am. Ceram. Soc. Bull. 65 , 370-376 (1986). [13] F. Ye, Y. Zhou, T. C. Lei, J. M. Yang, L. T. Zhang, J. Mat. Sci. 36, 2575-2580 (2001). [14] R. Chaim, V. Talanker, J. Am. Ceram. Soc. 78, 166-172 (1995). [15] F. Ye, J.C. Gu, Y. Zhou, M. Iwasa, J. Eur. Ceram. Soc., 23, 2203-2209 (2003). [16] A.R. Boccaccini, J. Mater. Sci. 29, 4273-4278 (1994). [17] A.R. Boccaccini, P.A. Trusty, J. Mater. Sci. Lett. 15, 60-63 (1996).

[29] N.P. Bansal, J. B. Hurst, S.R. Choi, J. Am. Ceram. Soc. 89, 388-390 (2006). [30] V.V. Krstic, P.S. Nicholson, R.G. Hoagland, J. Am. Ceram. Soc. 64, 499-504 (1981). [31] E. Bernardo, G. Scarinci, S. Hreglich, J. Eur. Ceram.Soc. 23, 1819-1827 (2003). [32] B.R. Zhang, M. Ferraris, F. Marino, J. Eur. Ceram. Soc., 17, 1381-1386 (1997) . [33] A.R. Boccaccini, J. Ovenstone, P.A. Trusty, App. Comp. Mat. 4, 145–155 (1997). [34] M. Nogami, M. Tomozawa, J. Am. Ceram. Soc. 69, 99-102 (1986). [35] S. Sridharan, M. Tomozawa, J. NonCryst. Sol., 182, 262-270 (1995). [36] E. Verné, R. Defilippi, G. Carl, C. Vitale Brovarone, P. Appendino, J. Eur. Ceram.Soc., 23, 675-683 (2003).

[19] N.P. Bansal, Mat. Sci. Eng. A342, 2003, 23-27 (2003).

[37] M. Montazerian, P. Alizadeh, B. Eftekhari Yekta, Processing and properties of a mica–apatite glass–ceramic reinforced with Y-PSZ particles, J. Eur. Ceram.Soc., 28, 2693–2699 (2008).

[20] D. Raab, K. Pfeifer, D. Hülsenberg, A.R. Boccaccini, Mat. Sci. Eng. A 417,

[38] A.R. Boccaccini, D.H. Pearce D.H., J. Am. Ceram. Soc., 86, 180-182 (2003).

[18] R. Parr, J.-L. Vallés, R. Danzer, Mat. Sci. Eng. A250, 209-216 (1998).

ceramiche piezoelettriche, come par ticelle in PZT (titano-zirconato di piombo). L’applicazione di un campo di sforzi induce l’allineamento dei campi elettrici locali e lo sviluppo di un apprezza-

bile campo elettrico globale. Ancora una volta, l’effetto di tenacizzazione si apprezza pienamente solo nel caso di un for te legame inter facciale tra vetro e fase secondaria. ■

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Materials

by Enrico Bernardo and Mauro Marangoni

Glass matrix composites

The reinforcements in the glass matrix composites are mainly intended to increase the resistance to crack propagation, owing to several toughening mechanisms, here briefly presented. The manufacturing techniques and the possible applications will be discussed in a following issue. lass and glass–ceramic matrix composites represent a particular class of ceramic matrix composites. In all ceramic matrix composites the improvements in elastic modulus and strength, associated to the reinforcements, have undoubtedly a much lower priority compared to improvements in the resistance to crack propagation, i.e. the most significant weakness of ceramics for structural applications [1, 2]. Glass matrices, owing to their particularly low level of fracture toughness (< 1 MPa m0.5), obviously represent the most critical ones. However, it should be noted that glasses possess several features that promote their application as matrices: • glasses exhibit moderate values of elastic modulus (in the range of 60 to 90 MPa): the reinforcements, especially in the form of fibres, may provide a significant increase of elastic modulus and an effective load transfer • glasses exhibit softening: unlike polycrystalline ceramics, they may infiltrate fibres, without mechanical damage to them, as a viscous liquid, at moderate temperatures (<1000°C); full density is often achieved [1, 3, 4], especially after application of hot pressing to mixtures of glass powders and reinforcements. In the absence of hot pressing, i.e. with pressureless sintering, the densification of glasses by viscous flow is faster than the sintering of polycrystalline ceramics • glasses may be “tailored” by controlling the chemical composition: small variations may cause significant changes in a vast range of properties, e.g. in the characteristic temperatures or in the coefficient of thermal expansion. In many cases glass matrices

Compositi

may be converted into glass-ceramic matrices: a composite may be first processed with the matrix in the glassy state and then crystallized, achieving a superior high temperature stability • glasses possess a remarkable chemical stability: the reinforcements may be stable up to temperatures as high as 1200°C, if the glass matrix is crystallised; in addition, it may be considered that, unlike polymers, glasses are un-inflammable, and are not susceptible to degradation due to moisture, or oils and fuels • glasses are economically attractive: the raw materials for the obtainment of most glasses employed as matrices are quite cheap and widely available; glass melting processes are also well established. In addition, large amounts of crushed glass are available from recycling operations.

TOUGHENING MECHANISMS The control of the crack propagation depends on crack-reinforcement interactions, defined as toughening mechanisms. The effects may be summarized as follows: • Increase of fracture toughness, KC • Increase of strength (mainly in bending) • Reduction in the scattering of strength data (with a general increase of the reliability of the material, fundamental for structural applications). Excellent reviews about these mechanisms are available in the literature [5, 6, 7]; the following paragraphs are intended to provide a short presentation. ■ ■ Crack bowing A crack front, generally plane in a glass, is forced to bow out between pinning

points represented by strong secondphase particles (such as Ni [8] and alumina [9] particles) (fig.1). The strain energy release rate of the composite may be expressed as follows:

where γ0 is the fracture surface energy of un-reinforced glass, T is a line tension characteristic of crack front and d is the obstacle spacing (decreasing with increasing volume fraction of second phase). The (limited) increase of strength, associated to crack bowing, derives from classical Griffith’s theory [σf ∝ (Gc)0.5]. ■ ■ Crack deflection Crack deflection is recognized as the main toughening mechanism for particulate secondar y phases in form of equiaxed particles to platelets or short fibres (including whiskers). The deflections arise from the mismatch in thermoelastic characteristics between the phases, which gives rise to a system of residual stresses upon the cooling of composites from their manufacturing temperature. Reinforcements with higher coefficient of thermal expansion than that of the matrix determine some crack tilting (fig.2, left): cracks propagate around the reinforcement, the portion of matrix surrounding it being shielded by residual tangential compressive stresses. On the contrary, when the coefficient of thermal expansion of the matrix exceeds that of the reinforcement, the residual stresses are compressive in the radial direction and tensile in the tangential one: cracks are somewhat attracted towards the secondary phase, around which the propagation in the glass matrix is favored by tangential tensile stresses (fig.2, right).

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Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università degli Studi di Padova

When a crack is deflected, the fracture mode changes from pure mode I (opening mode, crack and loading direction mutually perpendicular), ruled by the stress intensity factor KI, to mixed mode (mode I with mode II, and mode III, ruled also by KII and KIII factors), with consequent increase in the critical energy release rate GC (for simple mode I, GC=KIC2(1-ν)2/E, where E and ν are the Young’s modulus and the Poisson’s ratio). The distribution of residual stresses is obviously affected by the extension of the matrix-reinforcement interface, in turn depending on both volume fraction and aspect ratio (specific surface) of the reinforcement. A limited amount of short fibres may provide a more significant toughness increase than equiaxed particles in a high volume fraction; discs (or platelets) provide an intermediate effect [10, 11] (as shown by fig.3, inclusions with high aspect ratio cause a more substantial deflection). Whiskers, possessing a particularly high length to diameter ratio (diameter <1µm, length of about 100µm) may lead to composites with toughness approaching 5 MPa m0.5 (e.g. SiC whiskers [12, 13]). The hazardousness of whiskers and the difficulties in the homogeneous dispersion forced the research on composites to focus mainly on platelets, i.e. disc-shaped mono-crystals (diameter in the range of 5-10 µm, thickness of 0.5-1 µm; Al2O3 or SiC platelets are common examples [14-17]); toughness may be increased up to 3.5 MPa m0.5, with 30 vol% platelets [17].

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■ ■ Debonding and pull-out When a crack approaches long and parallel fibres it may proceed by simply cutting them, or by debonding the matrix-fibre interface and partially pulling out the fibres (see Fig.4), with high energy dissipation. Enormous increases in fracture toughness may be achieved [3]. A fundamental compromise concerning the strength of the matrix-fibre interface must be reached: • the interface must not be too weak, since a certain load sharing between matrix and fibres is desired • the interface must not be too strong, for debonding and pull-out to occur. According to the simple model provided by Matthews and Rawlings [6], we should refer to the well-known concept of critical length for fibrous composites:

where σf,fail is the fibre failure stress, D is the diameter and τ is the interfacial shear stress, supposed to be constant. If a fibre is shorter than the critical length the tensile stress assigned to it cannot exceed the failure stress, and composite rupture is due to other events such as matrix failure or fibre pull-out. The maximum debonded length corresponds to half the critical length; the consequent maximum work for debonding is proportional to the same parameter. An analogous concept rules the much more substantial work for pull-out (Wpull-out/Wdebonding=3 Ef/σf,fail>>1) [6]. Matrix cracking and debonding determine fibre bridges, so that the load-carrying capacity of the composites, after peak strength is reached, decreases, but not dramatically.

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Materials

This effect is particularly appreciated with fibres possessing a relatively high strength variability [18]. Carbon fibres provide the most significant toughening due to the relatively poor interfacial bonding. The fracture toughness approaches 35 MPa m0.5, with a bending strength exceeding 800 MPa [3]. Unlike carbon-reinforced plastics, carbon-reinforced glasses may be stable well above 150°C, with strength retained even up to 600°C, for crystallized matrices [2]. Polymer-derived SiC fibres represent a valid alternative, leading to composites with higher bending strength, above 1000 MPa, with only a slight decrease of toughness (25-30 MPa m0.5). The success of SiC fibres still resides in the relatively weak interface, determined by the development of a thin (10-50 nm) carbonaceous layer, promoting a significant pull-out, caused by the interaction of SiC with oxygen from the glass [3]. Highly crystallized SiC and B monofilaments (diameter >100 µm), from chemical vapour deposition on carbon or W cores, although thermally and chemically more stable, do not provide a substantial toughening due to their limited flexural resilience; they could be used, however, to prepare stiffer composites, with remarkable creep resistance [3, 19]. Oxide fibres, in form of Al2O3 or glass fibres, are interesting for the possibility to develop composites with high oxidation resistance, but they are also critical for their strong bonding to glass and glassceramic matrices, unless coated with specific “interfacial agents”, such as SnO2 or BN. SnO2, being an oxide, is obviously oxidation resistant but it may react with the glass matrix. BN coating was found to lead to improvements in fracture toughness (up to 3.3 MPa m0.5)[20]. Carbon coatings would be even more effective (toughness above 4.5 MPa m0.5), but the advantage of using oxide-oxide composites at high temperature would be lost [3, 21, 22]. In addition, they would compromise the possibility to obtain “optomechanical composites” [23-26], i.e. glass matrix composites with an acceptable optical transmittance, associated to the transparency of both matrix and fibres, to be applied in optics and in the building industry, as both structural and

Compositi

light transmitting materials, in armour windows, windshields and high-impact resistance monitoring windows [3]. Transparent or translucent oxide coatings, e.g. based on TiO2, although less effective than carbon, may be considered [23]. A final remark about fibre-reinforced glasses should be dedicated to systems embedding nano-tubes, based on both C and BN [27-29]. Nano-tubes could be treated as the ultimate evolution of fibres, but their impressive values of modulus and tensile strength are hardly exploited, due to difficulties in homogenization. In any case, pull-out and crackbridging events are available, with important increases of fracture toughness even for small additions of reinforcement (4-5 wt%). It should be noted that such limited additions determine spectacular increases in functional properties, like electrical conductivity. ■ ■ Toughening by introduction of ductile phase The introduction of a ductile phase into a brittle matrix is aimed to transfer the high energy absorption associated to plastic deformation to composites. Such transfer is often compromised, however, by debonding, pull-out and crack deflection. In addition, many metals and alloys have a relatively low melting point, so that the manufacturing of composites is possible only with glasses with relatively low characteristic temperatures: hot pressing is undoubtedly preferred to pressureless sintering, since it allows a remarkable densification of glass at higher viscosity, i.e. at lower temperature. Krstic et al. [30] found that Al particles may lead to toughness values exceeding 6 MPa m0.5, but also highlighted the necessity of a strong interfacial bonding. The adhesion could be improved by subjecting the metal particles to long pre-oxidation treatments, and by introducing suitable oxides, such as cobalt oxide, to the glass matrix, as reported more recently [31]. Metals could be used also in form of short fibres or ribbons, with no particular improvement in fracture toughness compared to the case of equiaxed particles [32]. A more substantial toughening is provided by continuous filaments or 2dimensional mats, associated to exten-

Glass matrix composites sive fibre pull-out and plastic deformation [33] (fig.5). ■ ■ Transformation toughening The dissipation of fracture energy in the transformation of a secondary phase, activated by the intense stress field around crack tip, may be exploited even in glasses and glass-ceramic matrices. Fine tetragonal zirconia particles were inserted in glasses prepared by the solgel process from metal alkoxides, in glass-ceramics by cold-pressing, sintering and crystallization of a barium silicate glass, or in mica and mica-apatite glass-ceramics from calcium phosphosilicate glasses [34-37]. The tetragonal to monoclinic transformation leads to fracture toughness up to 5 MPa m0.5; it should be noted, however, that some contribution to toughening may derive even from monoclinic zirconia (transformed phase) or from additional phases (such as zircon, ZrSiO4), in terms of crack deflection. A second type of transformation, reported by Boccaccini et al. [38], is associated to the incorporation of piezoelectric ceramic particles, such as PZT (lead zirconate titanate) particles. The application of a stress field induces the alignment of the associated local electric fields and on the development of a sensible global electric field. The toughening effect is again fully appreciated only in the case of a strong interfacial bond between glass and secondary phase. ■

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Schematic top view of a crack front in a glass, bowing out between adjacent inclusions Fig.2: Mechanisms of crack deflection, for reinforcements having a higher (left) or lower (right) coefficient of thermal expansion than the glass matrix Fig.3: Enhancement of crack deflection provided by inclusions with high aspect ratio Fig.4: Schematic representation of debonding and pull-out events Fig.5: Schematic representation of toughening by ductile filaments

Elantas Italia

L’evoluzione dei sistemi di resina

Rinforzo strutturale

evoluzione dei sistemi di resina costituisce un aspetto cruciale per il progresso dell’intero settore dei materiali compositi. Ogni innovazione in questo campo comporta effetti a catena su tutte le fasi a valle: dalle proprietà chimico-fisiche delle matrici dipende infatti la possibilità di utilizzare tecniche di lavorazione più evolute e performanti, riducendo tempi e costi di processo e migliorando caratteristiche e proprietà del pezzo finito. A questa attività si dedica da oltre 50 anni Elantas Italia, società del colosso tedesco della chimica Altana e dedicata alla produzione di soluzioni per i principali processi produttivi dell’industria elettrica, elettronica, elettrotecnica e materiali per ingegneria di cui fanno parte le matrici per materiali compositi. Le attività di ricerca e sviluppo per il settore dei compositi sono concentrate nel sito di Collecchio (Parma), dove la divisione Electric/Electronic and Engineering Materials (E&EM) dispone di un laboratorio tra i più avanzati e completi in Europa. È qui che nascono le nuove formulazioni, in particolare resine epossidiche e poliuretaniche, che coprono tutti i campi di applicazione dei compositi, dalla nautica al settore eolico, dall’automotive all’edilizia al risanamento di condotte interrate, e i loro processi di lavorazione (RTM, infusione, pultrusione, Filament Winding, Wet lay-up). Un intenso lavoro di ricerca, che vede impegnati oltre 20 ricercatori sul totale

L’

di 75 dipendenti che lavorano presso lo stabilimento, caratterizzato da un approccio tecnico fortemente orientato al mercato e alla soluzione di specifiche problematiche legate al processo dei materiali. Un approccio che garantisce da sempre notevoli risultati. Tra le ultime novità, il sistema di leganti epossidici bicomponenti MC256 - W256 per rinforzi strutturali nell’edilizia. Utilizzabile con diverse tipologie di supporti, carbonio, fibre aramidiche, basalto, vetro o fibre di acciaio ad alta resistenza, il sistema bicomponente, marcato CE, è basato sull’impiego di una resina epossidica in grado di assicurare un’elevata bagnabilità del rinforzo e buone proprietà di indurimento anche a basse temperature. Lo sviluppo del prodotto ha tenuto conto delle esigenze degli utilizzatori. Dalla miscelazione dei componenti colabili, resina e indurente, si ottiene infatti un sistema tissotropico con un’ottima tenuta verticale, che assicura la perfetta adesione del rinforzo e lo rende particolarmente indicato per utilizzi sopratesta o su pareti verticali. Un’altra fondamentale innovazione è stata messa a punto per il settore automotive. Oggi anche l’industria automobilistica è alla ricerca di materiali leggeri, ma altamente resistenti, in grado di sostituirsi ai metalli in applicazioni strutturali o semi-strutturali, con lo scopo di ridurre il peso e aumentare la libertà di design. Una sfida che vede impegnata l’intera fi-

Infusione pala eolica

liera dei compositi, sotto la pressione di case automobilistiche, come BMW o Lamborghini, Volkswagen che hanno cominciato a produrre vetture ibride che necessitano di pesi contenuti orientando la produzione sui compositi in fibra di carbonio per la produzione di serie. Per queste applicazioni è stato sviluppato il sistema EC114/W340 alta tg, ottimizzato per l’impiego con processi di stampaggio HP-RTM (stampaggio a trasferimento di resina ad alta pressione), una tecnica che consente di ridurre tempi e costi di lavorazione e ideale per la produzione di vetture di serie. A caratterizzare la resina sono l’alta fluidità in temperatura, che ne consente l’iniezione a pressioni elevate, e l’alta resistenza termica, che permette di effettuare cicli di indurimento fino a 150° C, garantendo in questo modo un drastico abbattimento dei tempi di processo e migliori prestazioni del manufatto finale, grazie al ciclo di indurimento a caldo. ■ Tubazione realizzata in Filament Winding

Compositi

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Stampi: una semplice rivoluzione a specificità dei compositi è quella di sommare le caratteristiche positive dei componenti per ottenere sistemi finiti che rispondano a particolari esigenze. Forti di questo assunto i progettisti e gli strutturalisti combinano la gamma delle matrici resinose disponibili con un gran numero di rinforzi e le soluzioni vengono moltiplicate dalla possibilità di ibridare i sistemi, nei due versanti. Nascono così, per esempio, le resine epossi-viniliche, o le poliesteri isoneopentiliche, o le epossipoliuretaniche, o i rinforzi in vetro/basalto, in aramidica/carbonio, in vetro/carbonio. Ma se è vero che il calcolo combinatorio espande le possibilità, non si può immaginare che tutte le combinazioni siano possibili, o anche solo utili. Si deve tener conto dei limiti chimici, dei fattori ambientali e delle tecnologie disponibili dagli utilizzatori. Con queste premesse, da sempre, si ricerca la possibilità di combinare le prerogative dei gel coat per stampi di natura poliestere, con le caratteristiche specifiche delle matrici epossidiche. I gel coat poliesteri per stampi garantiscano eccellenti e stabili livelli di brillantezza super ficiale, resistenza ai cicli dei distaccanti, dei pulitori e all’aggressione di sostanze acide, buona tenuta termica e facilità di applicazione. Di più: la super ficie è riparabile e rilucidabile. Nel contempo, le matrici epossidiche assicurano elevate

Tab.1: Test di Resistenza all’Abrasione

prestazioni meccaniche, anche a basso spessore, tenuta termica, e garantiscono la più per formante delle stabilità dimensionali. Dopo un lungo processo di sviluppo e di verifica, questa possibilità si è oggi concretizzata, grazie al lavoro combinato dei laboratori della francese euromere-spraycore e di SIKA Italia SpA. Il frutto di questa collaborazione ha consentito la messa a punto di un sistema che prevede l’impiego del gel coat Eurogel HQ 112 SKM, 5009 o 7045, e del sistema epossidico SIKA Epoxy (A+B). Il gel coat è un formulato poliestere particolare, a base isoneopentilica, di colore blu o grigio, da applicare a spruzzo (fig.1) o a pennello. Fluido, di rapido indurimento, e caratterizzato da ottima coprenza, il gel coat Eurogel HQ 112 SKM assicura lucen-

▲ Fig.2: Tavolata di selezione dei provini per testare la coesione del sistema Eurogel HQ 112 SKM con SIKA Epoxy (A+B) ◀ Fig.1: Applicazione, a spruzzo airless, del Gel coat Eurogel HQ 112 SKM

Compositi

tezza, assenza di microporosità, e una notevolissima resistenza all’abrasione, documentata dai risultati dei test eseguiti dalla Società CRITT MATERIUAX, France (tabella 1). Dopo l’applicazione il gel coat deve polimerizzare, ad almeno 20°C, non meno di 6 ore, e questa, rispettati i parametri di lavorazione del sistema, è l’unica condizione indispensabile per assicurare la per fetta coesione fra lo strato di gel coat Eurogel HQ 112 SKM ed il pacchetto di laminazione impregnato con il sistema SIKA Epoxy (A+B). La tenuta allo strappo, “Pull-off”, è stata valutata dai laboratori SIKA Italia SpA, con una miriade di provini (fig.2) e i risultati sono presentati nelle documentazioni tecniche a disposizione degli utilizzatori. Nella costruzione delle attrezzature la scelta dei materiali di rinforzo è dettata dalla dimensione e dalla tecnologia di impiego degli stampi. Per quelli da RTM e RTM-L, che devono poter garantire tirature e rispetto della stabilità dimensionale, si consigliano stratificati a sandwich, con pelli in tessuto di vetro ed anime espanse o costituite da feltri da impregnare. Per gli stampi di particolari in PU espanso, dopo la pelle di prima laminazione, si consigliano riempimenti con sistemi epossidici, formulati con le resine SIKA Biresin LS A+B; una soluzione economica, funzionale, che garantisce lunghi processi produttivi e qualità del risultato. ■

BTS

Pietra acrilica BTS ha cercato di rispondere ad una domanda molto complessa: cosa ci si aspetta da un materiale utilizzato per l’organizzazione di spazi pubblici e privati? Ovviamente duttilità e flessibilità dimensionale (per il massimo contenimento di sfridi di produzione), un’alta qualità intrinseca, plus estetici, prezzo e manutenzione contenuti. Contenendo i prezzi ed aumentando le possibilità d’impiego, l’azienda è rimasta fedele al puro acrilico, alla politica delle piccole quantità e ad un concetto di design accessibile. Per la realizzazione di Betacryl si è investito in due nuovi impianti rilevati in Asia per la produzione di lastre con la messa a regime del primo impianto al mondo a produzione flessibile da 930 a 1520 mm di larghezza che permettono di offrire un prodotto di elevata qualità e adattabile ai desideri dei clienti. Un prodotto per fettamente saldabile (le giunzioni sono degli accostamenti invisibili), antibatterico, utilizzabile a contatto con gli alimenti, assolutamente ripristinabile e certificato per una elevatissima resistenza al fuoco. Betacryl è oggi disponibile in 7 spessori, 5 larghezze, 4 lunghezze e 11 colori. Disponibile in stock a Milano in più di 100 diverse varianti (tra colori e dimensioni) Betacryl ha trovato largo impiego nell’arredamento domestico, negli ambienti pubblici, nell’ambito medicale, cosi come rivestimento verticale per interni ed esterni.

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Servizi e soluzioni integrate per i compositi di carbonio Aksa, specializzata nella produzione di fibra acrilica, e The Dow Chemical Company, una società di rilievo mondiale a livello tecnologico e scientifico, hanno costituito una joint venture, DowAksa, con lo scopo di sviluppare, produrre e commercializzare globalmente fibra di carbonio (attualmente disponibile in alta resistenza 3K, 6K, 12K e 24K) e derivati, per sostenere la rapida espansione dell’industria dei compositi in fibra di carbonio. DowAksa si espanderà partendo dall’esistente attività di produzione di fibra di carbonio di Aksa e combinerà i punti di forza dei suoi partner per fornire soluzioni di alta tecnologia principalmente nei settori del trasporto, energia e infrastrutture, al minor costo totale per il cliente. I piani di sviluppo includono la

capacità di produzione integrata per la fornitura su larga scala di compositi avanzati in fibra di carbonio. Fondata nel 2012, DowAksa è una joint venture internazionale 50:50 fra The Dow Chemical Company e Aksa Akrilik Kimya Sanayii A.S. Essendo una delle più grandi imprese chimiche e scientifiche al mondo, Dow, con sede a Midland, Michigan, offre competenze a livello mondiale e presenza globale con tecnologie collaudate nel settore dei compositi, nonché competenze a livello di formulazione e di servizio tecnico. Aksa, con sede a Yalova, Turchia, grande produttore mondiale di fibra acrilica, la materia prima fondamentale per la produzione di fibre di carbonio, è uno dei più recenti nuovi entrati nella produzione di fibra di carbonio. Aksa ha l’infrastruttura e la capacità di aumentare la disponibilità di precursore di fibra di carbonio per soddisfare la crescente domanda di materiali compositi di alta qualità in fibra di carbonio in modo affidabile e a prezzi competitivi. Insieme, Dow e Aksa garantiranno una forte attenzione nel portare al mercato soluzioni che riducano i costi complessivi, supportando l‘economicità e promuovendo l’introduzione in un ampio numero di applicazioni e mercati.

Resine poliesteri insature senza stirolo

Marte SpA, società italiana produttrice di resine poliesteri insature dal 1992, collegata ad un gruppo di aziende leader nel settore dei compositi, possiede una tecnologia produttiva altamente innovativa ed un know how di sua proprietà. L’elevata affidabilità degli impianti, la grande versatilità e l’ottima tempestività

nel rispondere alle esigenze del cliente sono alcune delle caratteristiche di questa azienda. Fu una delle prime aziende in grado di produrre resine DCPD negli anni 90 con la massima attenzione all’ambiente e alla salute dei lavoratori. Propone resine innovative, come la gamma di resine Ecoares, ossia resine

esenti stirolo, che permettono di avere ottime per formances tecnologiche a zero contenuto di stirolo. A differenza di altre resine, come quelle epossidiche, si catalizzano con gli stessi perossidi delle resine poliesteri insature e la lavorabilità è del tutto simile alle resine poliesteri insature ma senza emissioni di stirolo.

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di Giannicola Loriga, Clemente Fuggini, Donato Zangani

Tessili tecnici e compositi intelligenti multifunzionali È partito nell’ottobre 2013 il progetto MULTITEXCO, che ha come obiettivo definire le linee guida e best practices per l’uso ottimale degli “smart textiles” nell’industria delle costruzioni. ell’ultimo decennio, materiali tessili avanzati sono stati sviluppati nell’ambito di un elevato numero di progetti di ricerca ed innovazione aventi come target in particolare il settore delle costruzioni, uno dei maggiori mercati per prodotti compositi basati su tessili tecnici, tra i più importanti comparti industriali ed economici dell’Unione Europea. Il giro di affari annuo del settore è stato stimato nel 2012 essere in circa 1.172 miliardi di euro, garantendo il 6,8% dei posti di lavoro in totale ed il 30,2% dell’impiego nel campo industriale nell’Unione Europea. Gli investimenti hanno rappresentato invece il 49,9% degli investimenti a capitale fisso (nota1). Inoltre il mondo della progettazione, costruzione, mantenimento e ristrutturazione delle infrastrutture di ingegneria civile è la più grossa industria dell’EU27 rappresenta circa il 9,2% del prodotto interno lordo europeo e più di 3 milioni di imprese, la maggior parte piccole e medie (PMI), fornendo lavoro a più di 14 milioni di lavoratori senza contare gli effetti indiretti sull’impiego generato in altri settori (nota 2). Materiali tessili sono utilizzati nelle costruzioni sia per applicazioni geotecniche (geo-tessili) sia per strutture per edifici. Il retrofitting di edifici esistenti così come l’utilizzo di soluzioni per strutture in terra sono particolarmente importanti, rispettivamente, per la protezione da terremoti di edifici storici e per evitare frane e cedimenti.

Fig.1: Tessuto quadri-assiale con vetro “AR”

Strutture in muratura non rinforzate sono altamente vulnerabili in quanto progettate per carichi gravitazionali; di conseguenza non possono resistere a carichi orizzontali dinamici in caso di forti terremoti. Strutture del suolo, come arginamenti, possono essere soggetti a frane dopo pesanti piogge o terremoti. Da qui è nata la necessità di trovare metodi efficienti per il retrofitting di edifici esistenti o per strutture in terra e relativi sistemi di monitoraggio per prevenire possibilmente danni strutturali. Nelle architetture tessili, i tessili tecnici sono utilizzati per strutture semi-permanenti e temporanee, come facciate, coperture da stadi, dirigibili, palloni aero-

Nota 1: The FIEC leaflet “key figures – activity 2012” Construction Sector (edition June 2013) Nota 2: FIEC PRESS RELEASE – 06/06/2013

statici, hangar o stazioni. Esempi di compositi avanzati per il settore delle costruzioni comprendono strutture basate su tessili per la riabilitazione degli edifici, in grado di fornire funzioni di rinforzo e di monitoraggio. Geotessili avanzati sono utilizzati per la stabilizzazione e monitoraggio di strutture in terra come argini per ferrovie o strade o strutture di protezione della costa. Per finire, tessili tecnici ad alte performance sono impiegati per realizzare strutture tensili in grado di ricoprire vaste aree come stadi o aree di esibizioni. In tutte queste applicazioni, i nuovi materiali offrono funzionalità innovative in aggiunta alle principali funzioni dei tessili tecnici standard. Le nuove funzionalità

Compositi

Costruzioni

includono il monitoraggio dello stato di salute delle strutture, per fornire allarmi in caso guasto imminente, autoriparabilità, energy harvesting, ecc. La possibilità di integrare differenti tipi di sensori nei materiali tessili assicura importanti vantaggi. Per esempio, lo stato di salute di un edificio può essere determinato attraverso l’uso di tecniche di monitoraggio strutturale (Structural Health Monitoring-SHM) in differenti fasi del ciclo di vita dell’edificio, come durante la fase di costruzione, durante condizioni di servizio e dopo un evento disastroso. Il monitoraggio strutturale può essere usato prima di un evento per prendere misure

preventive e dopo l’evento per valutare lo stato della struttura e la sua rimanente vita utile di servizio (nota 3). Misure nel tempo possono essere usate per tracciare cambiamenti nelle performance strutturali permettendo interventi di mantenimento e di riparazione.

COMPOSITI AVANZATI Un esempio rilevante in tal senso è rappresentato dal progetto europeo POLYTECT finanziato nell’ambito del Sesto Programma Quadro e concluso alla fine del 2010, che ha permesso di fare un grosso passo in avanti ai tessili tecnici attraverso lo sviluppo di tessili multifun-

zionali aventi sensori integrati, in particolare fibre ottiche da utilizzare in applicazioni geotecniche o in strutture in muratura (nota 4). I compositi basati su tessili multifunzionali con sensori integrati e sviluppati nell’ambito del progetto rappresentano una soluzione innovativa per il rinforzo, monitoraggio e la gestione di infrastrutture di ingegneria civile vulnerabili a pericoli naturali quali terremoti (nota 5). Un esempio di tessile multifunzionale di POLYTECT è la cosiddetta “Tappezzeria composita antisismica” (nota 6). Quando viene applicata a strutture in muratura, questa tappezzeria antisismica “intelli-

Nota 3: C. Fuggini, D. Zangani, P. Basso, S. Berardis, D. Donisi, A systematic approach for the Structural Health Monitoring of large infrastructures across different construction stages, proceedings of the 2nd Joint International Symposium on Deformation Monitoring (JISDM2013), September 2013, Nottingham, UK Nota 4: T. Messer vey, D. Zangani, Industrial Smar t Material Applications: The Polytect Project and its expansion into the IMS program. Proceedings of the 4th International Conference on SHM of Intelligent Infrastructures (ISHMII09), July 2009, Zurich, Switzerland Nota 5: C. Fuggini, L. Stempniewski The seismic wallpaper concept for ear thquake retrofitting of masonr y buildings, Nanoitaltex NANOITALTEX 2010, November 2010, Milan Nota 6: http://www.jeccomposites.com/news/composites-news/intelligent-composite-seismic-wallpaper

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Tessili tecnici e compositi intelligenti multifunzionali >> gente” in composito viene usata come una copertura completa non invasiva o come una soluzione di rinforzo di un’area estesa, rendendo l’edificio più duttile se sottoposto ad eventi sismici e permettendo il monitoraggio e la localizzazione di danni non visibili ad occhio nudo. Strutturalmente la tappezzeria sismica è costituita da una struttura tessile multiassiale (fig.1) con fibre di vetro e tessili polimerici, che presenta integrati sensori a fibre ottica di tipo POF (fibra ottica polimerica) e FBG (sensori a reticolo di Bragg). Se sottoposta ad azioni dinamiche, come un evento sismico, la struttura composita lavora come un dispositivo passivo in grado di confinare i mattoni dell’edificio prevenendo la rottura fragile, assorbendo la quantità di energia che il terremoto sta trasferendo all’edificio e rendendo definitivamente la struttura più duttile e resistente. Dall’altro lato, i sensori a fibra ottica integrati nel composito

Fig.2: Edificio in muratura riparato con la tappezzeria composita antisismica e pronto per i test su tavola vibrante

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Fig. 3: Dettaglio di una struttura composita rinforzata con tessuto

permettono di capire il comportamento dell’edificio prima, durante e dopo l’evento, fornendo misure statiche e dinamiche localizzate e distribuite. I sensori possono rilevare crepe e/o cambiamenti nelle caratteristiche dinamiche (cioè le frequenze naturali) di un edificio, direttamente correlate al cedimento progressivo potenziale dell’edificio (nota 7). La tappezzeria composita antisismica è stata inizialmente testata in condizioni di laboratorio su una singola struttura in muratura e poi usata in condizioni reali per rinforzare edifici storici. Un edificio rinforzato con una completa copertura è stato testato su una tavola vibrante presso il Centro Europeo di Formazione e Ricerca in Ingegneria Sismica (Eucentre) (fig.2 e 3) all’interno dell’iniziativa “Tessili Tecnici Polifunzionali per il Rinforzo di Strutture in Muratura” (Polymast) nell’ambito del progetto Series (nota 8). Questo lavoro ha avuto come obiettivo la descrizione dei miglioramenti garantiti dalla tappezzeria composita alla resistenza dell’edificio durante i test su tavola vibrante, mostrando i principali vantaggi che la struttura muraria può ottenere. Inoltre, le informazioni ottenute dai sensori hanno permesso di provare la validità, affidabilità e applicabilità della soluzione come sistema antisismico per nuove e vecchie strutture in muratura.

Compositi

Ma questa non è il solo prototipo basato su composito sviluppato nell’ambito del progetto: vale la pena menzionare tra gli altri un rinforzo antisismico a striscia uni-assiale, un tessile tecnico sensorizzato per il rinforzo di edifici in muratura localizzati in aree soggette a terremoti. La striscia uni-assiale è costituita da tessuto unidirezionale con vetro “E” (fig.4) applicato sul substrato in muratura usando un sistema epossidico costituito da un primer epossidico, uno stucco ed una resina epossidica. Fornisce una capacità di rinforzo aumentando la forza, la resistenza e la duttilità di edifici o elementi in muratura. Le proprietà di rinforzo possono essere combinate con le informazioni relative al monitoraggio fornito dai sensori a fibra ottica a reticolo di Bragg integrate nel tessuto.

re no: in generale nuovi codici, specifiche, linee guida per il loro uso o procedure di test sono richieste per favorire l’uso in fase di progettazione, costruzione e verifica dei nuovi edifici. Lo scopo del progetto MULTITEXCO, della durata di tre anni co-finanziato dalla Comunità Europea nell’ambito del Settimo Programma Quadro, è supportare la competitività delle PMI europee del settore delle costruzioni e dei settori dei compositi e dei tessili tecnici indirizzando i bisogni descritti sviluppando procedure di test, linee guida per la progettazione e l’uso dei nuovi materiali “intelligenti”. In particolare, i seguenti sottosettori saranno indirizzati dal progetto: tessili tecnici per il rinforzo sismico delle strutture in muratura, strutture tessili multifunzionali per applicazioni geotecniche e tessili ad alte performance da usare in strutture tensili. Per superare i limiti nel settore delle costruzioni, un gruppo di 5 associazioni di categoria provenienti da 5 paesi europei hanno deciso di affrontare questi problemi favorendo lo sviluppo e l’applicazione della nuova generazione di tessili tecnici multifunzionali. Il progetto è coordinato da TEXCLUBTEC, l’associazione italiana dei tessili tecnici ed include nel consorzio anche l’associazione francese CLUBTEX, le associazione del settore delle costruzioni Catiedier (Turchia), VPI (Germania) e l’associazione spagnola “Asociacion de empresarios de la construccion, promocion y afines de la Rioja”. Inoltre, include 2 aziende, SELCOM (Italia) e Arimeks (Turchia) e 5 organizzazioni responsabili delle attività di ricerca del progetto: D’Appolonia (Italia), Karlsruhe Institute of Technology (Germania), Acciona (Spagna) e Centexbel (Belgio).

IL PROGETTO Tuttavia, nonostante i vantaggi mostrati dai prototipi sviluppati nei progetti europei, molti professionisti del settore delle costruzioni non hanno informazioni su comportamento e caratteristiche di questi materiali e questo ne limita la capacità di sfruttarli. Per questi materiali ad alte performance, alcuni provenienti dalla modifica di materiali esistenti, altri completamente nuovi, gli attuali codici di progettazione e norme possono essere applicabili oppu-

Fig.4: Tessuto multifunzionale unidirezionale con vetro “E”

Tessili tecnici... Per sfruttare pienamente le potenzialità della nuova generazione di tessili tecnici avanzati e di compositi intelligenti favorendone il loro effettivo uso, il progetto ha come target i seguenti obiettivi scientifici e tecnologici: • Sviluppare una base di conoscenza per identificare e caratterizzare le performance di prodotti esistenti e dei nuovi prodotti sviluppati nell’ambito del progetto attraverso un esteso lavoro di caratterizzazione scientifica in laboratorio e di test sul campo. In particolare, questa attività comprenderà l’elaborazione di procedure di applicazione dei prodotti ed un lavoro di ricerca a livello prenormativo per ottenere linee guida in grado di abilitare lo sviluppo di futuri standard a livello europeo. Partendo da questo obiettivo, le attività di ricerca indirizzeranno le seguenti aree tematiche: - sensori a fibra ottica da integrare in tessili tecnici sia per applicazioni geotecniche che per applicazione in strutture in muratura (per esempio: sensori POF, FBG ecc) - strutture unidirezionali ottenute con la tecnica della maglieria a catena e strutture multiassiali usate come rinforzo nei compositi aventi sia funzionalità di rinforzo che di monitoraggio per strutture in muratura - strutture tessili 3D tipo “corda” e strutture bidimensionali geotessili - rivestimento per membrani tessili da utilizzare in strutture tensili - metodi di test per caratterizzare completamente le sopra citate tecnologie - procedure di applicazione. • Sviluppare una piattaforma web collaborativa per la gestione della conoscenza da integrare nel sito web del progetto e da fornire alle Associazioni di settore. La piattaforma web includerà degli applicativi software come uno strumento di supporto “alla decisione” da fornire agli utenti finali per selezionare le soluzioni più adatte a seconda delle condizioni al contorno. • Effettuare un’accurata analisi LCA (Analisi del ciclo di vita) e LCCA (Analisi dei costi del ciclo di vita). Le analisi LCA ed LCCA verranno effettuate sui nuovi tessili tecnici avanzati per verificare l’impatto delle nuove tecnologie sull’ambiente e i costi durante l’intero ciclo di vita. • Fornire una base scientifica per favorire lo sviluppo di norme e standard nel settore costruzione per i nuovi tessili multifunzionali. Uno stretto legame con gli organismi di standardizzazione sarà creato lungo il progetto per favorire nuovi standard o la modifica di standard esistenti con lo scopo di tenere in considerazione la nuova generazione di tessili multifunzionali e compositi intelligenti. Il progetto è stato finanziato dalla Commissione Europea nell’ambito del Settimo Programma Quadro ed è gestito dal REA- Research Executive Agency http://ec.europa.eu/research/rea (FP7/2007-2013) sotto il Grant Agreement N.606411. ■ Nota 7: C. Fuggini, E. Chatzi, D. Zangani, Combining Genetic Algorithms with a Meso-Scale Approach for System Identification of a Smar t Polymeric Textile, Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, Volume 28, Issue 3, pages 227–245, March 2013 Nota 8: http://www.series.upatras.gr/sites/default/files/file/SERIES_Polymast_final%20repor t.pdf

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by Giannicola Loriga, Clemente Fuggini, Donato Zangani

Smart multifunctional technical textiles and composites

MULTITEXCO is an European co-funded FP7 project started in October 2013 and having as overall objective the definition of guidelines and best practices for the optimal use of smart textiles in the construction industry. n the last decade, advanced textiles materials have been developed as a result of a number of research and innovation projects addressing in particular the construction sector, which represent one of the biggest markets for composite products based on technical textiles. The construction sector is one of the most important industrial and economic sectors in the European Union. Its annual turnover was estimated at â&#x2021;&#x201D;1,172 billion in 2012, providing 6.8% of total employment and 30.2% of industrial employment in the European Union. Furthermore, investment in construction represented over 49,9% of all fixed capital investments in that year (nota 1). The sector therefore plays an essential role in renewed economic growth for the

European Union. Moreover the design, construction, maintenance and repair of civil infrastructure is the largest industry in the EU27 representing 9.2% of EU GDP and more than 3 million enterprises - most of which are SMEs - and provides jobs to more than 14 million workers, without counting the indirect employment generated in related sectors (nota 2). Textile materials are used in construction in both ground and building structures. The retrofitting of existing masonry walls and soil structures is particularly important for earthquake protection of historic buildings and protection of earthworks against landslides. Unreinforced masonry structures are highly vulnerable because being originally designed mainly

Testing of a masonry wall reinforced with textiles

Compositi

for gravity loads they often cannot withstand the dynamic horizontal loads in case of strong earthquakes. Soil structures, such as embankments, are subjected to landslides after heavy rainfalls or during earthquakes. Hence the necessity of efficient methods for the retrofitting of existing masonry buildings and earthworks and of related monitoring systems to possibly prevent the structural damage. In textile architectures, technical textiles are used in semi-permanent and temporarily architectural structures such as facades, air domes, large roofs in stadiums, air terminals, airships, sport halls, hangars or stations, high altitude platforms, metrological balloons and floating dams. Examples of advanced composites for the construction sector comprise textile based structures used for the rehabilitation of buildings, providing both strengthening and monitoring functions. Geotextiles are used for the stabilisation and monitoring of soil structures such as railway, roadway embankments or coastal protection structures. Finally, high performance technical textiles are used for tensile structures for covering large areas such as stadiums or exhibition areas to name a few. In all such applications the novel textile materials offer new functionalities in addition and to the main functions of the standard technical textiles. New functionalities include the possibility of monitoring the health of the composite structure in a way to alert for an impending failure, self reparability, energy harvesting etc. Embedding sensors of different types

english text

D’Appolonia S.p.A.

into textile materials enables several important advantages. For instance the heath state of a building can be determined through the use Structural health monitoring (SHM) techniques at different construction stage of the service life of a construction, such as during construction, under in-service conditions, and post event that is causing a severe damage to it (for instance after an earthquake). SHM measurements can be then used either before an event to take preventive measures or after it to assess the state of the structure and its remaining service life (nota 3). Measurements over time can be used to track changes in structural performance allowing for maintenance and repair actions when appropriate.

ADVANCED COMPOSITES As example in this sense it has been the FP6 large-scale collaborative EU co-funded project POLYTECT that ended in the 2010. POLYTECT pushed the state of the art for technical textiles through the development of large area sensor-embedded multifunctional textiles employing fibre optic sensors for geotechnical and masonry applications (nota 4). The sensor-embedded multifunctional textile composites developed in the frame of POLYTECT represent an innovative solution for the reinforcement, strengthening, monitoring and management of civil infrastructure vulnerable to natural hazards such as earthquakes (nota 5). One example of the POLYTECT multifunctional textiles is the so-called “Seismic Composite Wallpaper” (nota 6). When applied to masonry structures this intelligent “seismic composite wallpaper” is intended to be used as a noninvasive full-coverage or wide-area reinforcing solution, making the building

more ductile while undertaking a seismic event, and helping in monitoring and locating damages which are not visible to the naked eye. Structurally, the “seismic composite wall-paper” is constituted by a multiaxial textile structure (fig.1) made of glass and polymeric textiles, featuring embedded fiber optics sensors of POF (Polymer Optical Fiber) and FBG (Fiber Bragg Grating) type. When subjected to a dynamic action, like a seismic events, the composite structure works as a passive device able to confine the building bricks, preventing their brittle failure, absorbing the amount of energy that an earthquake is transferring to the building and definitely making the entire structure more ductile and resistant. On the other hand the integrated fiber optics sensors helps in understanding the building behaviour before, during and after a seismic event by providing localized as well distributed, static as well dynamic measurements. They may detect cracks and/or changes in the dynamic characteristics (i.e. natural frequencies) of a building which are directly related to a potential progressive failure of the building (nota 7). The “seismic composite wallpaper” has been firstly tested in laboratory condition on singles masonry walls and then it has been used in real conditions to reinforce story stone buildings. Moreover full-cover reinforced building has been also tested in shaking table tests at the European Centre for Training and Research in Earthquake Engineering (Eucentre) (fig.2 and 3) within the “Polyfunctional Technical Textiles for Reinforcement of Masonry Structures” (Polymast) initiative under the “Seismic Engineering Research Infrastructures for European Synergies” (Series) project (nota 8). This work aimed to describe the way the

Nota 1: The FIEC leaflet “key figures – activity 2012” Construction Sector (edition June 2013) Nota 2: FIEC PRESS RELEASE – 06/06/2013 Nota 3: C. Fuggini, D. Zangani, P. Basso, S. Berardis, D. Donisi, A systematic approach for the Structural Health Monitoring of large infrastructures across different construction stages, proceedings of the 2nd Joint International Symposium on Deformation Monitoring (JISDM2013), September 2013, Nottingham, UK Nota 4: T. Messer vey, D. Zangani, Industrial Smar t Material Applications: The Polytect Project and its expansion into the IMS program. Proceedings of the 4th International Conference on SHM of Intelligent Infrastructures (ISHMII09), July 2009, Zurich, Switzerland

“seismic composite wallpaper” improved the building resistance during shaking table tests, showing the main advantages a masonry building can get by means of this type of reinforcing solution. Furthermore, the information gathered from fiber optic sensors during the tests offered the opportunity to prove the validity of the solution, its reliability and its applicability, as an anti-seismic system, to new as well as old masonry structures. The Seismic composite wallpaper has not been the only composite based prototype developed in the frame of the project: it is worth to mention within the others, the uniaxial Strip Seismic Reinforcement which is a sensorized technical textile for the reinforcement of masonry building located in areas prone to earthquakes events. This uniaxial strip is constituted by an E-glass unidirectional fabric (fig.4) which is applied on the masonry substratum using an epoxy system constituted by an epoxy primer, an epoxy putty and an epoxy resin. It provides reinforcing capability increasing the strength, the resistance and the ductility of masonry buildings or masonry elements. The reinforcing properties of this uniaxial textile fiber can be combined with monitoring information provided by Fiber Bragg Grating sensors embedded on it since the manufacturing stage.

THE PROJECT However, despite of the above benefits showed by the prototypes developed in the frame of POLYTECT as well as in other European Projects, many building practitioners are unfamiliar with the behaviour and the characteristics of these materials. The lack of information about the use and the properties of these

Nota 5: C. Fuggini, L. Stempniewski The seismic wallpaper concept for ear thquake retrofitting of masonr y buildings, Nanoitaltex NANOITALTEX 2010, November 2010, Milan Nota 6: http://www.jeccomposites.com/news/composites-news/intelligentcomposite-seismic-wallpaper Nota 7: C. Fuggini, E. Chatzi, D. Zangani, Combining Genetic Algorithms with a Meso-Scale Approach for System Identification of a Smar t Polymeric Textile, Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, Volume 28, Issue 3, pages 227–245, March 2013 Nota 8: http://www.series.upatras.gr/sites/default/files/file/SERIES_Polymast_final%20report.pdf

Compositi

english text

Constructions

materials from the design and construction community limits their capability of exploiting these materials and achieving the highest control of their installation, use and performance. For these high per formance materials, coming both from modification of existing materials or from newly developed high performance textile materials, the current design code or regulation may or may not be applicable: in general new codes or specifications or guidelines for their use or testing procedures are required to be developed for the purpose of design, construction and testing purpose. Questions such as “Can you qualify the material for a service life of 20 years or more in a harsh environment?” cannot be answered to a full extent. The aim of MULTITEXCO project is to support the competitiveness of the European SMEs of the construction and of the composite and technical textile sectors by addressing the above needs and answer such questions by developing testing procedures, guidelines for the design and use for the novel smart textiles and smart composites for the construction sector. In particular the following sub-sectors will be targeted by the project: technical textiles for masonry seismic reinforcement, multifunctional textile structures for geotechnical applications and high performance textiles used in tensile structures. In order to overcome these limitations in the construction sector a group of 5 Associations from 5 different member states tackles these problems by favouring the development and application of a new generation of multifunctional technical textiles for the construction sector. The MULTITEXCO project will address the needs of the SME members of the above mentioned Associations to access to the newly developed smart textiles in a more efficient, effective and profitable way. The project is coordinated by TEXCLUBTEC, the Italian association of technical textiles, and includes in the consortium also the French association CLUBTEX, as well as the construction associations Catiedier (Turkey), VPI (Germany) and the “Asociacion de empresarios de la construccion, promocion y afines de la Rioja” (Spain). Moreover the project includes two SMEs, SELCOM

Compositi

Smart multifunctional technical textiles

(Italy) and Arimeks (Turkey), and five RTD performers entrusted to carry out the research activities in the frame of the project: D’Appolonia (Italy), Karlsruhe Institute of Technology (Germany), Acciona (Spain) and Centexbel (Belgium). In order to fully exploit the potentialities of the new generation of advanced technical textiles and smart composites favoring their effective use in the construction sector the project aims at the following main Scientific and technological objectives: • To develop a knowledge-base able to identify and characterize the performance specifications of existing products and the newly developed knowledge by the RTD performers during extensive scientific characterization laboratory work and tests on the field. In par ticular this activity will include product application procedures and pre-normative research work to derive guidelines, enabling future standards at the EU level. With this objective in view, the research activities will address the following investigation areas: - fiber optic sensors to be embedded in technical textiles for both geotechnical and masonry applications (e.g. POF sensor, FBG sensors etc) - flat warp-knitted unidirectional and multiaxial structures used as composite reinforcement having both reinforcing and monitoring capabilities for masonry applications - 3D Rope-like textile and 2D Geotextile structures - coating for textile membranes to be used in tensile structures - test methods to fully characterize the above mentioned technologies - manufacturing and application procedures: existing technical textiles products and related best practices will be identified. • To develop a collaborative web based knowledge platform to be integrated in the project website and to be provided to the SME Associations as proprietary tool. The knowledge based platform will include also some associated tools as for instance a decision support tool enabling the user to select the most suitable solutions and products according to the type of inter-

vention, the specific application scenario, conditions and location and to the cost, providing all the information about application procedures and performances. • To perform a detailed LCA and LCCA: a complete Life Cycle Analysis and Life Cycle Cost Analysis will be carried out on the new advanced technical textiles in order to verify the impact on the new technologies on the environment as well as the cost along the life cycle. • To provide a scientific basis for norms and standards in the construction sector for the new multifunctional textiles in order to favor the standardization process. The newly developed procedures, test methods and specifications will be made available to the SME associations both of the textile and the construction sectors for the distribution to their members and in this way contributing to a wider use of such high performance materials with an impact on the safety and quality of the final products in the above two sectors and an improvement of the knowledge base of the industrial stakeholders. A close link with the standardization bodies will be created along the project in order to favour new standards or the modifications of existing ones with the aim to take into account also the new generation of multifunctional textiles and smart composites. The project has received funding from the European Union’s Seventh Framework Programme managed by REA – Research Executive Agency http://ec.europa.eu/resear ch/rea (FP7/2007-2013) under Grant Agreement N.606411. ■

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: AR-glass quadric-axial textile Fig.2: Masonry building repaired with the seismic composite wallpaper and ready for seismic tests Fig.3: Textile reinforced concrete composite structure detail Fig.4: Multifunctional E-glass unidirectional fabric

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Processo infusivo per uno scafo in bio-composito Ecco i risultati di un’attività sperimentale che ha indagato la possibilità di ottimizzare il processo di infusione, attraverso un confronto di soluzioni di dettaglio alternative, e l’introduzione di laminati in bio-composito. onostante offra un potenziale incremento delle qualità dei laminati, richieda un minor impiego di manodopera e riduca l’esposizione degli operatori ad agenti chimici, la tecnica dell’infusione non è molto diffusa nel settore nautico. La ragione è legata alla difficoltà che si riscontra nell’affinamento dei dettagli esecutivi che richiedono una sperimentazione preliminare sui pezzi da realizzare e sulle attrezzature di cantiere da utilizzare. Per suppor tare tale fase attualmente sono disponibili diversi strumenti di simulazione che permettono di acquisire in via preliminare la familiarità col processo, una predizione del risultato atteso e un’ottimizzazione del network di infusione. L’utilizzo di tali strumenti, incrociati con dati provenienti da test di caratterizzazione meccanica dei piani di laminazione, consente di ottenere una previsione del risultato estremamente accurata, con conseguente abbattimento di costi e tempi, favorendo il cantiere nella

transizione a tecniche di lavorazione in stampo chiuso. Altro possibile impiego di tali tecniche di simulazione è valutare le implicazioni derivanti dall’introduzione di nuovi materiali. È il caso, ad esempio, della possibilità di convertire piani di laminazione in uso con alternative che prevedono l’impiego di materiali di rinforzo ottenuti con fibre naturali e/o leganti derivanti da risorse rinnovabili. Di seguito vengono ripor tati i risultati preliminari di un’attività sperimentale in cui, per fasi successive, viene indagata la possibilità di ottimizzare il processo di infusione, confrontando soluzioni di dettaglio alternative e approfondendo, con il supporto di indagini di laboratorio, le possibilità di introdurre laminati in biocomposito.

TEORIA La legge di Darcy, che ben descrive il flusso di fluido attraverso un mezzo poroso, può essere utilizzata per descrivere il processo di infusione sottovuoto,

dove il fluido è la resina e il mezzo poroso il rinforzo. Per gli altri parametri, come la cinetica di reazione, segue il modello Kamal-Sourour [1][2]. Nel trattare il fenomeno di infusione non si può trascurare l’effetto della gravità; per ogni metro di altezza si ha una perdita di circa 100 mbar di vuoto necessari a far salire la resina sulle zone ad alta pendenza. La formulazione della legge con il termine di gravità è:

dove il termine Q/A rappresenta la velocità superficiale, K è il tensore di permeabilità, η è la viscosità della resina, p è la pressione, ρ è la densità della resina e g il vettore di gravità. L’unica incognita risulta la permeabilità K, determinabile sperimentalmente e legata alla porosità del rinforzo. Si può notare come la formulazione della legge di Darcy sia influenzata da parametri di processo, pressione e geometria, e da parametri dei materiali, viscosità della

Compositi

Nautica

resina e permeabilità. In condizioni di flusso monodirezionale l’equazione di continuità e l’equazione di Darcy forniscono la seguente soluzione:

dove tfill è il tempo di impregnazione del rinforzo, Φ è la porosità e C una costante dipendente dalla strategia di iniezione adottata.

STRATEGIE DI INIEZIONE La scelta di un’adeguata strategia di iniezione è di primaria impor tanza per far sì che il laminato risulti completamente ed adeguatamente impregnato, senza la presenza di vuoti o di aria prima del gel-time della resina. Qualsiasi strategia si adotti può essere ricondotta ad una o alla combinazione di tre tipologie base: iniezione da lato, iniezione periferica e iniezione puntuale. Schematicamente:

iniezione dal lato: C = 1/2

Campione Single skin Sandwich Fibra Zona Permeabilità K Vf (%) h (mm) 1 x Vetro Chiglia 3,53 e-10 42 8,96 2 x Naturale Chiglia 1,31 e-10 38 20,88 3 x Vetro Fondo 1,03 e-10 42 4,48 4 x Naturale Fondo 1,07 e-10 42 10,67 5 x Vetro Fianco 4,84 e-10 50 2,96 6 x Naturale Fianco 2,41 e-10 36 7,48 Tab.1

pendenza, favoriscono l’impregnazione e la fuoriuscita di bolle di aria all’interno della membrana.

iniezione periferica: C = 1/16 (0,0625)

TEST DI PERMEABILITÀ

iniezione puntuale:

con: Fig.1: Schemi strategie di iniezione

Il metodo più veloce è l’iniezione periferica, mentre per la strategia di iniezione puntuale si ha una forte dipendenza dal diametro dell’immissione rendendo più difficile stabilire il tempo di riempimento, condizionato anche dal livello di bagnabilità delle fibre nel punto di immissione. La strategia a “spina di pesce” nella fabbricazione di manufatti di grandi dimensioni risulta quanto di più simile all’iniezione periferica; le linee trasversali, inoltre, viaggiando sulle parti ad alta

Fig.2: Test di laboratorio – Politecnico di Milano

Compositi

Per simulare il processo di infusione si ha una prima fase di testing su campioni per determinare i parametri fisici necessari al software per implementare la simulazione. Il lavoro ha un duplice obbiettivo: simulare il processo con materiali già utilizzati in linea da par te di Ferretti Group, quindi secondo piani di laminazione prestabiliti, per avere una semplificazione del layout di infusione restando nel range di utilizzo della matrice; valutare la possibile sostituzione di materiali convenzionali con fibre naturali, mantenendo lo stesso layout e medesime condizioni operative. Le precedenti esperienze di studio condotte al Politecnico di Milano sulle fibre naturali e bio-compositi [3][4] hanno dato indicazioni sul “gap”, a parità di matrice, tra queste e il vetro [5]. Quindi si è

Fig.3: Grafico Tempo – distanza fronte flusso di resina. Curva di tendenza parabolica interpolazione funzione Tfill

provveduto a stimare un nuovo piano di laminazione adeguato, pur non supportato in via preliminare da test di caratterizzazione meccanica, step conseguente e necessario alla piena validazione del materiale. La misura di permeabilità non ha uno standard di riferimento, anche se la tecnica più utilizzata è la misura tramite

Processo infusivo per uno scafo in bio-composito >>

Fig.4: Simulazione Campione 1 T fill - tempo di riempimento

Fig.5: Spessore Campione 1

monitoraggio dell’avanzamento del fronte monodirezionale di resina. Pertanto, durante il test di iniezione delle strisce, la posizione del flusso è stata registrata nel tempo ottenendo le informazioni necessarie al calcolo della permeabilità. Per ricavare i dati di permeabilità dei rin-

Fig.6: Permeabilità media k Campione 1

forzi si è lavorato su campioni di dimensioni 20 x 80 cm con iniezione dal lato. Tutti i campioni sono stati impregnati alle stesse condizioni operative e con la medesima matrice per avere un parallelismo non influenzato, ad esempio, da pressione o temperatura.

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Fig.7: Contenuto Volumetrico di fibra (%)

DATI SPERIMENTALI Il test è stato condotto a 25°C, con una pressione di 0,8 bar e una viscosità della matrice di 120 mPa*s. Individuata la frazione volumetrica di fibra si è valutato il tempo di riempimento (tfill) in relazione alla distanza percorsa

Nautica

Fig.8: Valori di Permeabilità media K

Fig.9: Frazione volumetrica di fibre (%)

Fig.10: Tempo di riempimento dello scafo con fibre di vetro

Fig.11: Valori di Permeabilità media K

dal fronte del flusso di resina. Conoscendo le proprietà dei rinforzi negli strati, è possibile usare una media pesata, trascurando in prima approssimazione i flussi tra gli strati e trasversali per ottenere la permeabilità del laminato (k). I valori sperimentali ottenuti sono stati inseriti nel software RTM–Worx, per simulare i singoli campioni, confrontando i valori sperimentali con quelli ottenuti dalla simulazione. In questa fase si tara il sistema e si verificano eventuali discrepanze tra il test di cinetica di infusione e la simulazione. In tabella 1 sono riportati i valori ottenuti per ciascun campione. A titolo di esempio, il grafico di fig. 3 ottenuto mediante i dati ricavati in laboratorio e la relativa simulazione, con il valore di k individuato.

SIMULAZIONE DELLO SCAFO Terminata la fase di caratterizzazione dei laminati dal punto di vista cinetico del processo, attraverso le prove sperimentali e con l’ausilio del software per

Compositi

la verifica dei parametri ottenuti, si procede con l’impor tazione della geometria, in questo caso uno scafo di Ferretti Group, con lunghezza di circa 17 m e baglio massimo di circa 4,9 m. Si effettua una discretizzazione spaziale e si va a definire la composizione dei laminati (spessore, contenuto volumetrico in fibra, valore di permeabilità) e la viscosità della matrice. Vengono poi definiti i parametri fisici e il layout di processo, assegnando pressioni, punti di iniezione di aspirazione e relative linee. Con l’ausilio di RTM–Worx si ha la risoluzione delle equazioni e si può visualizzare l’evoluzione di tutti i parametri fisici.

RISULTATI DELLE SIMULAZIONI Le figure 8 e 9 sono relative alla simulazione di infusione con laminati in vetro, esattamente la medesima composizione dei campioni 1, 3 e 5. In figura 10 viene mostrato il tempo di riempimento, ovvero il tempo necessario per infondere l’intero scafo, che per

la struttura in fibra di vetro è pari a 1,19 ore. Nelle figure 11 e 12 i risultati della simulazione con l’utilizzo di fibra naturale in sostituzione della fibra di vetro, utilizzando la stessa laminazione dei campioni 2, 4 e 6. La simulazione di processo con fibre naturali ha dato come risultato un tempo di riempimento pari a 2,68 ore.

ANALISI DEI RISULTATI Confrontando le due simulazioni si notano comportamenti diversi, emersi anche in fase di test in laboratorio, legati soprattutto alla permeabilità e alla frazione volumetrica. Il tempo di riempimento per la simulazione con fibre naturali è più alto e, mantenendo lo stesso layout di infusione per lo scafo con fibre naturali, si ha un Tfill pari a circa il doppio di quello ottenuto con le fibre di vetro. Risultato attribuibile in parte, oltre alle osservazioni fatte in precedenza, anche alle fibre che non

Processo infusivo per uno scafo in bio-composito >>

Fig.12: Frazione volumetrica di fibre (%)

Fig.13: Tempo di riempimento dello scafo con fibre naturali

Fig.14: Simulazione con fibre di vetro

Fig.15: Simulazione con fibre naturali

sono apprettate come quelle di vetro. La possibilità di visualizzare attraverso il software come avanza il flusso di resina nel tempo permette anche di constatare come la resina, nella seconda simulazione, seppur impieghi più tempo per impregnare l’intero scafo, mostri un fronte di flusso più omogeneo rispetto a quello ottenuto con materiali convenzionali.

CONCLUSIONI Il lavoro svolto ha fornito risultati confortanti su entrambi gli obbiettivi prefissati. La semplificazione del layout del network di infusione ha portato a tempi del tutto analoghi a quelli impiegati in fase di produzione da parte di Ferretti Group, e il tempo ottenuto con la simulazione con laminati convenzionali, 1,19 ore, rientra nei parametri di gel-time della matrice. L’utilizzo di RTM-Worx si è rivelato un ottimo supporto nella predizione del risultato per ciò che riguarda l’eventuale impiego di fibre naturali, mostrando le potenzialità dello strumento come ausilio

alla fase sperimentale di laboratorio. La seconda simulazione mostra, inoltre, come il layout del network di infusione sia insufficiente per realizzare lo scafo in tempi congrui. Da qui la possibilità di modificare sia i punti di iniezione che le linee di infusione e di ricalibrare il processo raffinandolo e ottimizzandolo, procedura che con l’ausilio di uno strumento come quello provato ha il vantaggio di ridurre i tempi di analisi e quindi i costi. L’applicazione di questo metodo e l’impiego di tali strumenti, combinati all’esperienza pratica, facilita l’ingegnerizzazione del processo e l’ottimizzazione della produzione, soprattutto su pezzi di grandi dimensioni come scafi e ponti di imbarcazioni. ■ Ringraziamenti Si ringraziano Ferretti Group, in par ticolare l’ing. Andrea Crucianelli per la preziosa collaborazione; Lecco Innovation Hub, soprattutto l’ing. Cristian Ferretti per le prove svolte; Polynt, il Sig. M. Dainelli, per aver fornito la resina necessaria per le prove.

BIBLIOGRAFIA REFERENCES

[1] A. Koorevaar, Proc. 23rd Int. SAMPE Europe Conf., Paris expo, Porte de Versailles, Paris, April 9 th – 11 th, 2002, pg. 633-644. [2] A. Koorevaar, ISCM 2002, NLR Vollenhove, the Netherlands, 31-31 May (on CDROM). [3] A. Ratti, Caratterizzazione meccanica di biocompositi per la produzione seriale di uno skiff in “Atti del 1° Convegno Nazionale Assocompositi”, Politecnico di Milano, Milano 25 – 26 maggio, Italia, (2011). [4] M. Contino, “Determinazione delle proprietà meccaniche di materiali compositi a base di fibre naturali per applicazioni nel settore nautico”, tesi di laurea, Politecnico di Milano, 2009 - 10, relatore R. Frassine, correlatore A. Ratti. [5] C. Ferretti, “Tecniche innovative per la produzione di scafi in vetroresina”,tesi di laurea, Politecnico di Milano, 2012 – 13, relatore R. Frassine, correlatore A. Ratti.

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english text

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*Ferretti Group S.p.A. - **MathFem S.r.l - ***Politecnico di Milano, Dipartimento di Design - ****Politecnico di Milano, Lecco Innovation Hub

by Andrea Crucianelli* - Gianluca Massaccesi** - Andrea Ratti*** - Cristian Ferretti****

Infusion process for a biocomposite hull

We present the results of an experimental activity aimed at investigating the possibility of optimizing the infusion process by means of a comparison between alternative solutions and the use of biocomposite laminates. he infusion technique is not widespread in the nautical field, although it offers a potential increase in the laminate quality, requires less manpower and reduces worker exposure to chemical agents. The reason is related to the difficulty encountered in the fine tuning of executive details, where preliminary testing of the items to be produced and of the construction site equipment to be used is required. In support of this stage several simulation tools are available today that allow the manufacturer to acquire prior information about the manufacturing process, an estimate of the expected results and an optimization of the infusion network. The use of such tools, in conjunction with data obtained from the mechanical characterization tests of the lamination plans, offers an extremely accurate prediction of the result, with a consequent reduction of costs and time and therefore it can support the manufacturers in the transition to closed-mold processing techniques. Another possible use of such simulation techniques is to assess the implications of the introduction of new materials. This is the case, for example, of the possibility of converting lamination plans currently in use with alternatives involving the use of reinforcement materials obtained from natural fibers and/or binder materials derived from renewable resources. In the following we report the preliminary results of an experimental activity where we examined in successive stages the optimization opportunities of the infusion process by comparing alternative solutions and studying in depth the possibility of exploiting biocomposite laminates with the support of laboratory investigations.

THEORY Darcy’s law, which well describes the flow of a fluid through a porous medium, can be used to model the process of vacuum infusion, where the fluid is the resin and the porous medium is the reinforcement. As far as other parameters are concerned, i.e. reaction kinetics, the Kamal-Sourour model is used [1][2]. In the treatment of the infusion phenomenon the effect of gravity cannot be ignored: 100 mbar of vacuum is lost for every meter height, which is the force necessary to lift up the resin in the steep regions. The formula of the law including the gravity term is:

where the term Q/A represent the surface velocity, K is the permeability tensor, η is the resin viscosity, p is the pressure, ρ is the resin density and g is the gravity vector. The only unknown is the permeability K, which can be determined experimentally and is related to the porosity of the reinforcement. One can notice that the formulation of Darcy’s law is affected by process parameters, i.e. pressure and geometry, and by material parameters, i.e. resin viscosity and permeability. In conditions of unidirectional flow the continuity equation and Darcy’s law yield the following solution:

where tfill is the reinforcement impregnation time, Φ is the porosity and C a constant depending on the injection strategy adopted.

INJECTION STRATEGIES The choice of a suitable injection strategy is of fundamental importance for a

complete and correct impregnation of the laminate, without the presence of voids or air before the gel time of the resin is reached. Whatever strategy is adopted, it can be traced back to one or a combination of three basic types: side injection, peripheral injection and point injection. Schematically: side injection: C = 1/2 peripheral injection: C = 1/16 (0,0625) point injection:

with:

The fastest method is the peripheral injection, while the point injection displays a strong dependence on the injection diameter which makes the determination of the filling time harder, also due to the wettability level of the fibers at the injection point. The fishbone strategy in the production of large-size objects is the closest one can get to peripheral injection. Furthermore, the transverse feeding lines running along the steepest parts favour the impregnation and the evacuation of air bubbles in the membrane.

PERMEABILITY TEST The simulation of the infusion process foresees a first stage where samples are tested to determine the physical parameters required by the simulation software. The work has a double goal: First, the simulation of the process with materials already used by Ferretti Group, i.e. according to predetermined lamination plans, in order to achieve a simplification of the infusion layout while remaining within the working parameter range of the matrix. Second, the evaluation of a possible replacement of conventional

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All the mentioned figures refer to the italian version

Nautical

materials with natural fibers, while keeping the same layout and the same operating conditions. Previous case studies performed at Politecnico di Milano on natural fibers and biocomposites [3][4] have provided indications about the “gap” between the latter and glass fibers when the same matrix is used [5]. Then we proceeded to draw a new lamination plan ad hoc. In a first stage, the lamination plan was not supported by mechanical characterization tests – which is the subsequent and necessary step in order to obtain a full validation of the material. There is no reference standard for the permeability measurement, although the most common measurement technique is monitoring the advancement of the unidirectional flow front of the resin. Therefore, during the injection test, the position of the flow front versus time was recorded thus obtaining the information required to calculate the permeability. In order to obtain the permeability data for the reinforcements we worked on 20 x 80 cm samples with side injection. All samples were impregnated under the same operating conditions and the same matrix so that a correct comparison could be drawn excluding the influence, e.g., of pressure and temperature.

EXPERIMENTAL DATA The test was performed at 25°C, at a pressure of 0,8 bar and a matrix viscosity of 120 mPa*s. After the determination of the fiber volume content we evaluated the filling time (tfill) versus the distance covered by the resin flow front. If the properties of the layer reinforcements are known, as a first approximation it is possible to use a weighted average and neglect transverse and interlaminar flows and thus get the laminate permeability (k). The experimental values have been fed into the software RTM–Worx in order to simulate the individual samples and thus compare the experimental results with the outcome of the simulation. In this step the system is calibrated and the occurrence of discrepancies between the simulation and the infusion kinetics test is checked. We report in Table 1 the values obtained for each sample. An example is the diagram in Fig. 3,

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which was obtained from the laboratory data and the corresponding simulation, with the value of k thus extracted.

HULL SIMULATION After the completion of the laminate characterization in terms of the process kinetics by means of the experimental tests and of the software verification of the measured parameters, we proceeded importing the geometry, i.e. a hull designed by Ferretti Group, with a length of about 17 m and a maximum beam of about 4.9 m. A spatial discretization is performed and the laminate composition (thickness, fiber volume content, permeability value) as well as the matrix viscosity are defined. Physical parameters and process layout are then determined by stting pressures, injection and suction points and their feeding lines. The solution of the problem’s equations and the visualization of all physical parameters is performed using RTM-Worx.

SIMULATION RESULTS Figures 8 and 9 correspond to the simulation of glass laminate infusion, where the composition is exactly the same as in samples 1, 3 and 5. Figure 10 shows the filling time, i.e. the time required to the infusion of the whole hull, which is equal to 1.19 hours in the case of the glass fiber structure. Figures 11 and 12 show the results of the simulations where natural fibers replace glass fibers and the same lamination of samples 2, 4 and 6 is used. The simulation of the process using natural fibers yielded a result of 2.68 hours for the filling time.

ANALYSIS OF THE RESULTS From the comparison of the two simulations we can notice different behaviours that also appeared during the laboratory tests, related in particular to the permeability and the volume fraction. The simulation for natural fibers yields a higher filling time and in particular Tfill is about twice as that obtained with glass fibers if the same infusion layout is implemented for the hull using natural fibers. This result comes out in part from the previous remarks as well as from the fact that the finishing of glass fibers is absent in natural fibers. Thanks to the ability to monitor the simulated advance-

Fig.1: Scheme of the injection strategies Fig.2: Laboratory test – Politecnico di Milano Fig.3: Graph of Time vs Distance of the resin flow front. Parabolic trend curve fitting Tfill function Fig.4: Simulation sample 1 Tfill - filling time Fig.5: Thickness sample 1 Fig.6: Average permeability K sample 1 Fig.7: Fiber volume content (%) Fig.8: Values of average permeability K Fig.9: Fiber volume content (%) Fig.10: Filling time of the hull using glass fibers Fig.11: Average permeability K values Fig.12: Fiber volume content (%) Fig.13: Filling time of the hull using natural fibers Fig.14: Simulation with glass fibers Fig.15: Simulation with natural fibers

ment of the resin flow front in time, we can also notice that in the second simulation, while the resin takes more time to fully impregnate the hull, the flow front is more homogeneous with respect to that obtained with conventional materials.

CONCLUSIONS The work we performed provided encouraging results in terms of both goals we had set. The simplification of the infusion network layout resulted in process times similar to those obtained by Ferretti Group in their production stage, and the time yielded by the simulation of conventional laminates, i.e. 1.19 hours, fits within the resin gel-time parameters. The use of RTM-Worx demonstrated that the software is an excellent predictive tool as far as the possible use of natural fibers is concerned, showing the potential of this tool as a valuable support to the laboratory experimental stage. The second simulation also shows that the layout of the infusion network is not sufficient to manufacture the hull within the appropriate time. This observation supports the opportunity of modifying both the injection points and the infusion lines, re-calibrating, fine-tuning and optimizing the process: with the help of tools of the likes of the ones tested in this work, such procedure offers the advantage of reducing the analysis time and therefore the costs. The application of this method and the use of these tools together with practical experience facilitates the process engineering and the manufacturing optimization, especially when dealing with largesize items like hulls and decks. ■ Acknowledgments We thank Ferretti Group and especially engineer Andrea Crucianelli for the valuable collaboration; Lecco Innovation Hub and especially engineer Cristian Ferretti for the per formed tests; Polynt and Mr. M. Dainelli for providing the resin required to per form the tests.

Intervista

Certificare la qualità Verificare la qualità costruttiva e la conformità di un’imbarcazione ai requisiti richiesti dalle norme è un passaggio decisivo per garantire il mercato e la sicurezza dei passeggeri. Abbiamo affrontato l’argomento con Fiorenzo Spadoni, Pleasure Vessel Sector Manager RINA Services, soffermandoci sugli aspetti legati all’evoluzione di processi e materiali negli ultimi anni.

■> Quale ruolo ha RINA Services nel settore della nautica? RINA Services opera in qualità di ente certificatore navale attraverso due attività diverse ma spesso complementari. Allo stesso tempo infatti RINA Services agisce sia come Società di Classifica in qualità di “parte terza indipendente”, sia come “ente notificato” autorizzato da amministrazioni statali ad attuare l’applicazione di leggi nazionali, di direttive comunitarie, o di convenzioni internazionali. Nello specifico, il ruolo della parte terza consiste nel fornire al committente un “parere tecnico” sulla qualità costruttiva e sulla sicurezza di un’unità navale, mentre quello di “ente notificato” nel certificare la conformità di una nave o uno yacht con i requisiti richiesti da quella specifica nazione. RINA Services è una società accreditata presso circa un centinaio di “flag admistration” ovvero autorità di bandiera straniere oltre a quella italiana.

■> In questo settore un ruolo fondamentale giocano i materiali compositi. Quali le attività di RINA Services in proposito? L’utilizzo dei materiali compositi nel settore navale, e conseguente certificazione, ad oggi è focalizzato su unità da diporto, sia a vela che a motore, unità da lavoro di piccole dimensioni, ad esempio pescherecci o piccole navi passeggeri e unità militari, come motovedette, pattugliatori o cacciamine. L’impiego dei materiali compositi sulle

navi da carico o sulle grandi navi passeggeri fino ad oggi è invece stato estremamente limitato, anche a causa di severe restrizioni normative esistenti nell’ambito di convenzioni internazionali per la salvaguardia della vita umana in mare. Tali restrizioni sono prevalentemente riferite a problematiche inerenti alla cosidetta “fire protection” ovvero agli standard per la protezione passiva antincendio obbligatori per le navi commerciali.

■> Quali tipi di qualifiche e certificazioni vengono effettuate? Le attività svolte da RINA Services nel campo dei materiali compositi prevedono percorsi certificativi che seguono

ogni singolo passaggio nella produzione di un’imbarcazione. Vengono infatti certificati: • i materiali base (resine, anime, tessuti) • i campioni rappresentativi del laminato ottenuto assemblando i diversi materiali • la qualità del prodotto finito nel suo complesso (lo scafo) • la capacità produttiva del cantiere costruttore • le professionalità degli operatori del settore. In tale contesto RINA Services presenzia o esegue, presso i suoi laboratori, verifiche che vanno da prove meccaniche sui materiali, prove di resistenza al fuoco,

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Intervista

accertamenti in cantiere durante le varie fasi costruttive dello scafo e prove di navigazione. Nel settore “pleasure vessel” le attività di RINA Services generalmente si distinguono in due tipologie di certificazione che rispondono ad inquadramenti normativi molto diversi tra loro. Al di sotto dei 24 metri di lunghezza RINA Services, in qualità di ente notificato, rilascia la cosiddetta “marcatura CE”, che attesta la conformità dell’imbarcazione agli standard fissati da un’apposita direttiva europea. Tale direttiva (entrata in vigore nel 1998) sebbene obbligatoria per le sole unità immesse sul mercato comunitario, è negli ultimi anni diventata uno standard di riferimento mondiale per le unità da diporto (es. mercato USA o estremo oriente). Al di sopra dei 24 metri, RINA Services emette invece il “Certificato di Classe”, che attesta la corrispondenza dello yacht a degli standard di qualità elaborati e definiti da RINA Services stesso. Di conseguenza, anche la certificazione del prodotto finito dipende dalle dimensioni: per yacht inferiori ai 24 metri il ruolo di RINA Services è, quasi sempre, quello di effettuare l’“esame del tipo”, una serie di accertamenti effettuati esclusivamente sul prototipo di un nuovo modello di imbarcazione, mentre per yacht superiori ai 24 metri, vengono invece eseguiti approfonditi accertamenti su ogni singola unità.

■> L’evoluzione dei materiali quali problematiche pone per la loro qualifica e certificazione? L’introduzione di nuovi materiali compositi, quando consentiti dalle norme applicabili, non ha mai comportato criticità al processo certificativo. Il settore navale tende ad essere estremamente tradizionalista, di conseguenza arriva ad importare nuove tecnologie solo quando queste hanno raggiunto un consolidato livello di affidabilità già verificato in altri contesti. Tale approccio è dettato dal fatto che in questo settore i costi unitari dei singoli “pezzi” sono estremamente elevati (uno yacht in composito può costare decine di milioni di euro), mentre i budget a disposizione per la ricerca e lo sviluppo sono molto inferiori a quelli disponibili, ad esempio, nel campo aerospaziale. Per questo è raro che un costruttore investa sulla costruzione di uno yacht costruito con materiali o tecniche non consolidate o ingegneristicamente mature. Altrettanto inusuale è che il cantiere arrivi a sottoporre agli enti accreditati la certificazione di uno yacht che utilizzi materiali o processi costruttivi che non siano stati preventivamente testati con successo in altri settori industriali (tipicamente quello aeronautico o quello automotive). Le problematiche attuali, quindi, sono per lo più a livello relazionale in quanto, mentre in passato esisteva un solo in-

terlocutore con cui interfacciarsi, il cantiere che si occupava di ogni passaggio produttivo, oggi lo stesso ricopre un ruolo pari a un General Contractor che ramifica le produzioni coinvolgendo numerosi soggetti che lavorano tutti allo stesso progetto. Questa svolta ha reso la fase certificativa più laboriosa sia sotto il profilo della gestione delle informazioni e dei dati, sia della tracciabilità delle parti costitutive, soprattutto per quanto riguarda la provenienza e la qualità materie prime, la lavorazione, lo stoccaggio e il trasporto.

■> E per ciò che riguarda i processi di lavorazione? I produttori di scafi in materiali compositi sono soggetti ad un controllo del processo costruttivo chiamato “Riconoscimento Cantiere”, ovvero la certificazione del cantiere stesso. In questo caso le verifiche riguardano l’architettura stessa del cantiere (distinzione tra le varie aree di stoccaggio materialie aree produttive vere e proprie) e il controllo ambientale nelle aree di lavorazione (in particolare per quanto riguarda ventilazione, umidità e temperatura). Tali accertamenti sono obbligatori sia per le barche CE sia per quelle con Certificato di Classe. Inoltre, RINA Services ha sviluppato il servizio certificativo dedicato alla Quality Production Control for Composite Builders, mirato a supportare i cantieri a raggiungere un livello qualitativo ancora più elevato, migliorando l’efficienza del processo attraverso l’ottimizzazione dei tempi, delle risorse e dei materiali.

■> Negli ultimi anni a quali qualifiche avete lavorato? Dal punto di vista delle verifiche strutturali, la stragrande maggioranza delle imbarcazioni in composito da noi certificate sono costruite con i seguenti metodi: • laminazione single skin in fibra di vetro “normale” • laminazione single skin in materiali aramidici (kevlar) • laminazioni in preimpregnati di carbonio • laminazioni in sandwich (con core in espanso, balsa, o honeycomb). Non è raro che su una stessa imbarcazione vengano contemporaneamente utilizzati diversi materiali o diversi processi

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Certificare la qualità costruttivi. Dal punto di vista dei processi costruttivi, sicuramente l’innovazione più significativa degli ultimi anni è stato l’impiego sempre più generalizzato dell’infusione, che fino a circa dieci anni fa veniva ancora considerato “sperimentale”. Nel campo delle piccole imbarcazioni c’è un utilizzo ad oggi limitato ma in crescita, delle resine termoplastiche per la costruzione dello scafo.

■> Quali aspetti restano ancora da completare? Sotto il profilo certificativo, uno degli aspetti che presenta potenziali margini di miglioramento è quello relativo ai controlli non distruttivi (NDT). Anche se l’impiego degli ultrasuoni o della termografia è già molto esteso anche nel settore nautico, rimane il problema della sistematica definizione delle difettologie e delle procedure, particolarmente rilevante quando, come spesso avviene, tali controlli vengono effettuati a seguito di incidenti o nell’ambito di contenziosi legali. Il caso tipico è l’identificazione di un’area di sospetta delaminazione: quando tali accertamenti sono esclusivamente finalizzati alla pianificazione degli interventi di ripristino necessari è raro che presentino complicazioni. Al contrario, la situazione è più complessa quando tali controlli avvengono nell’ambito di un contenzioso legale per individuare se le cause della delaminazione siano riconducibili ad un difetto costruttivo piuttosto che a un incidente di navigazione. Spesso capita che, in assenza di specifici standard di riferimento, le parti in causa (tipicamente il cantiere costruttore e l’armatore della barca) non riescano ad arrivare ad un’unanime definizione dell’avaria.

vazione ed eventuali commenti o richieste di correzioni e modifiche. La seconda fase è la sor veglianza durante la costruzione, che prevede visite in loco di ispettori (sur veyor) incaricati ad eseguire gli accer tamenti durante tutti i passaggi realizzativi della nuova unità, presenziando allo stesso tempo ai test di funzionamento dei vari impianti e alle prove di navigazione a costruzione terminata. Se richiesto dalla normativa di riferimento, sono previste visite ad intervalli prefissati per verificare che sulla nave vengano eseguiti i necessari interventi di manutenzione al fine di mantenere validi i certificati di Classe e statuali. Nel caso la nave resti coinvolta in un incidente o venga modificata, saranno eseguite delle visite “occasionali” (cioè non preventivamente programmate) allo scopo di sorvegliare l’esecuzione dei lavori di ripristino.

■> Quanto è importante per il mercato che prodotti, materiali e processi siano certificati? Più che di “importanza” è necessario parlare di obblighi. Per i pleasure craft inferiori ai 24 metri, la certificazione CE è un obbligo di legge sancito dal recepimento di una direttiva comunitaria (la 94/25 e suoi successivi emendamenti), applicabile a tutte le unità di nuova costruzione immesse sul mercato comunitario. Sopra i 24 metri, di solito, sono le singo-

le nazioni ad imporre i requisiti di certificazione per le unità battenti la loro bandiera. Al di la degli obblighi di legge è necessario tenere conto che le compagnie assicurative impongono di fatto (anche quando non c’è una specifica richiesta normativa) una certificazione dell’oggetto da loro assicurato. È interessante notare che, spesso, i costruttori di yacht, per distinguere il loro prodotto e conferirgli un valore aggiunto, richiedono certificazioni su base volontaria che prevedono controlli più severi o più complessi dei minimi richiesti dalle norme.

■> Per la qualifica di prodotti innovativi RINA Services sviluppa programmi di prova e test da hoc? In generale RINA Services è sempre disposto a valutare soluzioni innovative proposte al di fuori delle procedure e dei materiali standardizzati. La tendenza attuale è investigare le particolarità di una nuova tecnologia emergente non più certificando una singola imbarcazione, bensì attuando uno specifico progetto di ricerca condotto da un team di esperti dedicati a tale argomento. A questo scopo RINA Services vanta una specifica sezione dedicata allo studio di nuove tecnologie, partner di oltre quaranta consorzi di ricerca composti da cantieri, università, e laboratori scientifici. ■

■> Come si svolge l’iter di certificazione? Il tipico iter di cer tificazione è ar ticolato su diverse fasi. La prima è l’approvazione disegni, in cui il cantiere trasmette a RINA Ser vices i progetti dell’unità successivamente esaminati da tecnici specializzati. In caso di esito positivo, i disegni verranno restituiti al mittente con relativo timbro di appro-

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Pannello per applicazioni navali Alucore® è un pannello sandwich in alluminio dall’elevata rigidezza a flessione ma con un peso estremamente contenuto. A differenza dei pannelli compositi a nido d’ape tradizionali, i componenti del sistema, cioè il “nucleo in alluminio” e le “lamiere di copertura in alluminio” preverniciate a forno, vengono accoppiati tramite un procedimento di fabbricazione in continuo. I vantaggi sono rappresenta-

Compositi

ti dalla qualità del prodotto e dalla sua eccezionale planarità. Il materiale non reagisce in modo rigido-fragile, bensì mostra notevoli proprietà di robustezza ed elasticità con elevati valori di resistenza alla delaminazione. Alla luce delle direttive antincendio e di riduzione dei pesi, Alucore® gioca un ruolo importante nelle costruzioni navali. Grazie al peso contenuto e all’economicità di lavorazione, il pannello composito viene utilizzato in particolare negli interni di navi per soffitti, pareti o mobili, ma anche per gli elementi divisori dei balconi all’esterno. In tutte le applicazioni il materiale raggiunge valori di resistenza ottimali. Inoltre, la particolare lega delle lamiere di copertura (alluminio EN AW-5005A) garantisce una straordinaria resistenza alla corrosione anche negli ambienti più aggressivi. Proprietà meccaniche quali l’elevata resistenza a trazione da un lato e le notevoli caratteristiche estetiche e di lavorazione dall’altro, rendono Alucore® uno dei materiali preferiti da progettisti, architetti e designers. Utilizzando comuni utensili è possibile realizzare facilmente dettagli puliti e costruttivamente perfetti per le più disparate applicazioni.

3DW System progetta e fornisce su richiesta stampi e modelli, interni, appendici per le costruzioni in materiali compositi e un servizio di sviluppo, nesting e taglio delle lamiere per navi nel settore nautico, in kit di montaggio, utilizzando macchine CNC. Fornisce consulenza specifica per la realizzazione di interni e strutture utilizzando un sistema CADCAM-CNC avanzato ed offre anche in questo caso il progetto o, se richiesto, i materiali tagliati con laser o plasma, o fresati con macchine CNC. 3DW System è specializzata nella produzione di stampi femmina diretti per l’industria nautica ed ha realizzato numerosi stampi e modelli modulari nel mondo, con i più importanti studi di progettazione, per qualsiasi forma e dimensione, per barche a vela e a motore, da regata, crociera, pesca e trasporto, utilizzando il proprio metodo brevettato 3DW System® ed eliminando completamente ogni possibilità di imprecisione.

Stampo 130’ Stampo 76’

Speciale Nautica

DIAB

Suggerimenti per la produttività

Nella nautica esistono numerose soluzioni per costruzioni in composito che permettono di incrementare la produttività e massimizzare il profitto.

ESPLORARE NUOVI PROCESSI Nelle strutture in sandwich la libertà è data dall’ampia scelta dei materiali per le pelli e l’anima, nonchè dalla definizione dell’orientamento delle fibre di ogni singola pelle. Questa libertà richiede la responsabilità per l’ingegnere strutturale di definire in modo sicuro le variabili dei materiali e dell’orientamento mentre per il cantiere di rispettare le specifiche di progetto e controllare il processo di produzione. Nella nautica non è sempre possibile implementare un accurato controllo di qualità e spesso il processo di produzione è dettato dal livello di esperienza della forza lavoro. Materiali e processi che riducono la dipendenza da un team dedicato di esperti in composito permettono al cantiere di offrire un prodotto di qualità con garanzia di ripetitibilità. L’infusione, che richiede un team molto limitato di esperti, si è sviluppata molto in regioni dove la manodopera specializzata è cara e dove emissioni di stirene sono molto regolamentate. Questa tecnologia sta prendendo forza anche in altre regioni in quanto offre maggior garanzia di qualità e ripetitibilità rispetto ad una laminazione wet tradizionale. In questo ambito Diab offre: un con-

tinuo supporto a processi per produzione in serie come infusione, lite RTM e RTM; progettazione strutturale dedicata alla tipologia del prodotto; supporto tecnico al cantiere per tutto il campo compositi; kit di materiali già tagliati sulle geometrie dello stampo.

PROGETTARE LE STRUTTURE Per definire una soluzione in composito non basta specificare i materiali e le geometrie delle strutture. Solamente l’unione tra esperienza pratica in cantiere e teorica di ingegneria strutturale permette di creare un prodotto allo stesso tempo ottimizzato e facile da costruire. Un ingegnere strutturale senza esperienza pratica difficilmente è in grado di creare un progetto allo stesso tempo leggero e semplice da costruire. Per questo motivo Diab ha creato Composite Consulting Group (CCG), che con vari uffici nel mondo, offre consulenza in ingegneria strutturale e in produzione nei compositi. Gli ingegneri strutturali hanno una forte esperienza nella pratica dell’utilizzo dei compositi con un background di produzione in cantiere e i tecnici di produzione sono a stretto contatto con gli aspetti progettuali definiti dallo stesso gruppo per un continuo feedback e scambio di idee. Questo mix di esperienze permette di progettare strutture ottimizzate e su misura per il livello di tecnologia del cantiere.

SEMPLIFICARE LA SCELTA DEI MATERIALI Nei siti web dei produttori di fibre, resine, anime, spesso la scelta è molto vasta e descrizioni dei materiali non permettono di individuare il materiale ideale per il progetto che si sta eseguendo. Nel proprio sito web DIAB ha introdotto una guida interattiva per navigare nei prodotti offerti e selezionare quello corretto. Tramite il “Core Selection Guide” vengono fatte all’utilizzatore domande legate al progetto per filtrare i prodotti e presentare solo quelli appropriati.

UTILIZZARE KIT Le lastre utilizzate per le anime (core) dei sandwich possono essere fornite dal produttore sotto forma di kit tagliato sulle geometrie dello stampo. I kit possono essere organizzati in scatole e consegnati al cantiere in base ai requisiti di produzione ed alla sequenza di applicazione sullo stampo. Le geometrie possono essere ricavate direttamente da uno stampo già esistente o da un modello 3D dello stampo. I core in kit garantisono ripetitibiltà, qualità, precisione, peso ridotto, fornitura “just in time” e zero scarti. Spesso inoltre il costo del core in kit è paragonabile a quello delle lastre se si considerano gli scarti e le ore lavoro necessarie per tagliare le lastre in forma.

SPECIALINSERT

Sistemi di fissaggio per la nautica Il TC/SC/1, brevettato, rappresenta una rivoluzione nei sistemi di fissaggio. Prodotto adatto al settore della nautica, è indicato per i pannelli in materiale composito, particolarmente utilizzati nell’arredamento interno della nautica. Questo tipo di fissaggio, un inserto a deformazione con doppio ancoraggio meccanico e chimico, garantisce la planarità dell’inserimento, evita il soffocamento della zona indebolita, fa lavorare su tutta la sua altezza il pannello sandwich, anche su spessori minimi, e per finire dà il vantaggio di utilizzarlo e movimentarlo immediatamente. Da alcuni test interni all’ufficio di R&S Specialinsert sono emersi, su pannello sandwich pelli in vetroresina e interno in foam (schiuma) spessore 20 mm, i dati di tenuta riportati nella tabella 1. Si precisa che le prove sono state realizzate predisponendo i

codice inserto/boccola

valori a trazione

TC/SC/M6/20/XZ senza resina

686 N

TC/SC/M6/20/XZ con resina

2847-2631-2492 N (*)

(*) test2 su un inser to già provato - tenuta residua dopo il distacco dalla colla N 2050

provini assemblati, come da procedure aziendali, il test distruttivo è stato eseguito impiegando attrezzature secondo le specifiche interne. I valori riportati sono indicativi e non vincolanti in quanto risultato di prove di laboratorio che potrebbero non essere ripetibili in altre modalità di applicazione.

Compositi

Speciale Nautica POLYNT

A supporto dell’infusione I principali cantieri nautici stanno concentrando le loro risorse per produrre imbarcazioni sempre più con tecnologie a stampo chiuso anche per mega-yacht di grandi dimensioni. Importanti brand Italiani hanno recentemente scelto Polynt come fornitore, sia direttamente che attraverso i propri terzisti, data l’esperienza nel settore della nautica e la qualità delle resine prodotte. Polynt, oltre ad un vasto portfolio di resine UPR, offre una squadra di esperti in grado di consigliare la giusta tipologia di prodotto e di supportare la migliore strategia di infusione attraverso la presenza in cantiere sin dall’inizio della vestizione dello stampo. La gamma dei prodotti si è in particolare focalizzata su due tipologie di resine: la Distitron® VE 370 e la Distitron® 152, entrambe disponibili in più versioni. Distitron VE 370 è una resina vinilestere il cui polimero è stato specificamente sviluppato per questa tecnologia in modo da fornire una resina a bassa viscosità (130 cP) per facilitare lo scorrimento e l’impregnazione delle fibre di rinforzo e garantendo elevate proprietà meccaniche e termiche (Tg > 110°C e allungamento a rottura > 6%). Distitron 152 è una resina isoftalica neopentilica normalmente utilizzata per la produzione di coperte e sovrastrutture dove si vuole garantire buone proprietà chimiche e meccaniche (Tg = 100°C e allungamento a rottura > 3%) senza ricorrere all’utilizzo di resine VE. Per la laminazione manuale del tie-coat, operazione necessaria per poter fornire una buona finitura superficiale ai manufatti in-

fusi, Distitron® VE 100 ST, una resina epossi vinilestere tissotropica e preaccelerata, è in grado di garantire un’ottima resistenza all’osmosi combinata ad un minimo ritiro. Polynt sta sviluppando una nuova famiglia di resine vinilestere, modificate con Core Shell per aumentarne la tenacità, che consentono di ottenere materiali compositi con superiore resistenza a fatica e all’ur to anche in combinazione con fibre di carbonio.

INSULTECNO

Sistema di isolamento versatile

GC 50, composto plastico autopolimerizzante, è un nuovo e ultra-flessibile sistema per l’isolamento termico. Facile da lavorare e ideale per l’isolamento e la protezione di componenti complessi, permette di isolare in modo affidabile specialmente in condizioni di temperature elevate. Ideale per sistemi complicati, flessibili o tubi, l’autopolimerizzazione dell’isolante consente di creare uno scudo efficiente contro il calore, specialmente in applica-

Compositi

zioni con alte temperature come il riscaldamento e sistemi idraulici, isolamenti termici dell’olio e presse di vulcanizzazione. I suoi vantaggi sono: • minimizza la dissipazione del calore • può essere utilizzato su un’ampia gamma di temperature che va da - 50°C a 250°C • resistente agli agenti atmosferici • riduce il rischio di scottature • è resistente ai raggi UV • è facile da installare e da riparare senza l’aggiunta di ulteriori agenti adesivi • per rimuoverlo è sufficiente incidere con una lama • è una soluzione ecologicamente intelligente • ha una conducibilità termica (λ) di 0,08 W/(mK) • può essere smaltito insieme ai rifiuti domestici.

Progettazione

Olivari Composite Engineering, Italy

di Luca Olivari

L’energia del vento a portata di casa Meno peso e maggiore resistenza per ottenere un’alta velocità di rotazione e massimizzare la produzione di energia. Sono le caratteristiche del nuovo generatore ad asse verticale interamente realizzato in carbonio per applicazioni in ambito residenziale. razione una laminazione realizzata in infusione con la pala in fibra di vetro e l’omega in carbonio. La seconda una laminazione sia di pala sia di asse interamente in carbonio. Le laminazioni erano costanti per tutta la lunghezza della pala. La terza un’estrusione di alluminio realizzata da una matrice disegnata appositamente. I risultati del confronto hanno fornito le indicazioni per sviluppare il progetto finale. La tabella 1 mette a confronto i principali dati evidenziati dai risultati. I dati della tabella sono tratti dalle figure dalla 1 alla 8. Tutte e tre le soluzioni presentano diverse criticità. Le deformazioni massime sono simili e potrebbero essere accettabili, ma i coefficienti di sicurezza nelle zone più sollecitate sono vicini alla rottura. Rinforzare i laminati, anche solo nelle zone vicine agli attacchi, compor ta un aumento di peso, quindi maggiori sollecitazioni, e comunque non permetterebbe di raggiungere

el campo dei generatori eolici si sono distinte due tipologie principali destinate a due differenti mercati: ad asse verticale e ad asse orizzontale. I generatori eolici ad asse orizzontale sono risultati essere più convenienti se realizzati con dimensioni molto grandi, mentre quelli ad asse verticale sono più convenienti se progettati con piccole/medie dimensioni. Il mercato dei generatori eolici ad asse orizzontale, di solito installati in gruppi numerosi posizionati su crinali di montagne o mari con bassi fondali, si rivolge alla produzione di grandi quantitativi di energia richiesti dalle industrie o per la produzione di corrente elettrica per l’illuminazione di impianti pubblici. I generatori ad asse verticale si rivolgono alla produzione di piccoli quantitativi di energia richiesti principalmente da abitazioni monofamiliari private. L’installazione avviene di solito in singoli generatori nelle vicinanze delle abitazioni alle quali forniscono l’elettricità. Questo progetto ha sviluppato per Lodigiani Energia un rotore ad asse verticale completamente realizzato in materiale composito. Le dimensioni del rotore sono 3 m di diametro e 3 m di altezza installati su di un supporto alto 3 m.

ottenere una maggior efficienza dal generatore di corrente e quindi un risparmio dei costi delle parti meccaniche. L’alto numero di giri previsto (330 rpm) crea delle altissime forze centrifughe che diventano il carico dimensionante rispetto ai carichi aerodinamici. In questo caso l’elemento determinante è la massa in rotazione. Riducendo il peso si riduce l’accelerazione centrifuga in modo esponenziale. Si è partiti analizzando una pala tipica con un alto rapporto di allungamento, rettilinea e con un profilo con lo spessore massimo pari al 12% della corda. Rispettando queste geometrie è stato realizzato un modello FEM con “shell” elements della pala inserendo una struttura ad “omega” in corrispondenza del massimo spessore. Sono state realizzate tre diverse soluzioni di materiali, con un peso finale più simile possibile, per valutare le differenze in termini di rapporto peso/rigidità/costo. La prima soluzione prendeva in conside-

Pala in vetro, omega in carbonio

6,1

Coefficiente di Tsai. Valori superiori ad 1 (limite di rottura) nei punti di vincolo e nel passaggio tra pala e omega.

PRIMA FASE ANALISI E RICERCA

Pala in carbonio, omega in carbonio

5,5

Coefficiente di Tsai. Valori superiori ad 1 (limite di rottura) nei punti di vincolo e nel passaggio tra pala e omega.

Pala e omega in alluminio

6,1

Valori di Von Mises. Tensione massima: 422 MPa in corrispondenza dei vincoli.

L’obiettivo del progetto è realizzare un generatore eolico in grado di girare ad un alto numero di giri al minuto, in quanto l’alta velocità di rotazione permette di

Tipologia di laminazione

PESO (kg)

Defo (mm) Note

Tab.1

Compositi

Possible where is impossible

Progettazion

coefficienti di sicurezza in grado di garantire la resistenza a fatica. Bisogna rivedere tutto il progetto per trovare una soluzione soddisfacente.

SECONDA FASE - SVILUPPO DEL PROGETTO I parametri sui quali si può intervenire per risolvere i problemi strutturali sono numerosi. Mantenendo inalterati gli obiettivi originali del progetto, alta velocità di rotazione e alto rapporto di allungamento delle pale per la massima efficienza aerodinamica, si è cercato di intervenire sulla geometria complessiva per aumentare la rigidità della pala. È stata disegnata una nuova configurazione aumentando lo spessore del profilo per aumentarne l’inerzia e dando una curvatura costante a tutta la pala. Questi due accorgimenti hanno dato subito risultati migliori. In ogni caso, sono state abbandonate le soluzioni vetro carbonio e alluminio per concentrarsi solo sulla soluzione in carbonio ad alta resistenza ed ottenere il miglior rapporto peso/rigidità possibile. L’analisi Fem della nuova configurazione ha dato risultati decisamente migliori: le deformazioni sono diminuite drasticamente, mentre sono molto aumentati i fattori di sicurezza (figure dalla 10 alla 12).

TERZA FASE - PROGETTO COMPLETO

Specialinsert saprà indicarti la soluzione migliore nel ﬁssaggio dei materiali compositi.

A questo punto sono stati disegnati e aggiunti al modello FEM i bracci di collegamento all’asse verticale. Anche per i bracci il peso e l’aerodinamica sono determinanti. Per ottenere il miglior risultato è stata disegnata una struttura realizzata in due uniche parti. In questo modo è possibile raccordare al meglio le superfici e distribuire gradualmente le concentrazioni di tensione nei collegamenti tra bracci e pala e bracci all’asse verticale. Per aumentare ulteriormente la resistenza a fatica nell’ultima configurazione sia della pala che dei bracci di collegamento è stato utilizzato carbonio ad alto modulo. I laminati in base alle indicazioni ottenute dai primi calcoli sono stati definiti sempre più accuratamente variando il numero e l’orientamento degli strati con estrema precisione. Le figure dalla 13 alla 15 mostrano i risultati dell’ultimo calcolo comprensivo dei bracci.

QUARTA FASE - COSTRUZIONE Specialinsert, leader nel settore del ﬁssaggio meccanico, ha le risorse e competenze tecnologiche per offrire consulenza a tutte le aziende che necessitano di sistemi di ﬁssaggio su materiali compositi e propone soluzioni personalizzate per ogni tipo di necessità.

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Per la realizzazione di una pre serie di generatori si è optato per la tecnica di costruzione in infusione. La realizzazione dei prototipi è affidata alla Poligamma specializzata nelle tecniche di infusione. Gli stampi per la pre serie, costruiti dall’azienda Persico, sono realizzati direttamente a controllo numerico con materiali che permettono una decina di stampate. Queste scelte permettono di realizzare una struttura con ottime caratteristiche meccaniche che non necessita di una polimerizzazione ad alta temperatura e quindi di stampi costosi. Il primo prototipo da testare sarà pronto entro la fine dell’anno. Per il passaggio alla produzione in serie verranno valutate soluzioni più industrializzabili in grado di ridurre i tempi di costruzione ed i costi. ■

Fig.1: Deformazioni della versione vetro-carbonio

Fig.2: Deformazioni della versione carbonio

Fig.3: Deformazioni della versione in alluminio

Fig.4: Coefficiente di Tsai pala versione vetro-carbonio

Fig.5: Coefficiente di Tsai omega versione vetro-carbonio

Fig.6: Coefficiente di Tsai pala versione carbonio

Fig.7: Coefficiente di Tsai omega versione carbonio

Fig.8: Tensioni secondo Von Mises

Compositi

Progettazione

Lâ&#x20AC;&#x2122;energia del vento a portata di casa

Fig.13: Deformazioni di pala e braccio della versione in carbonio ad alto modulo. La rigiditĂ aumenta del 20%

Fig.9: La pala curva

Fig.14: Anche i coefficienti di Tsai si abbassano

Fig.10: Deformazioni ridotte a quasi un ottavo della prima versione

Fig.11: Coefficienti di Tsai molto piĂš bassi

Fig.15

Fig.16

Fig.12: In corrispondenza degli attacchi della pala si concentrano le maggiori sollecitazioni

Compositi

english text

Design

Olivari Composite Engineering, Italy

by Luca Olivari

Wind energy at your home

Less weight and greater resistance to achieve a fast rotational speed and to maximize the production of energy. These are the characteristics of the new vertical axis wind turbines entirely made up of carbon. he domain of wind generators includes two main categories: vertical and horizontal axis machines. Horizontal axis wind turbines have been found to be more cost-effective when they are built in very large sizes. Conversely, vertical axis turbines turned out to be advantageous for small/medium sizes. Therefore, two separate markets were created. The market for horizontal axis wind turbines is aimed at the generation of the large quantities of energy required by industries or public lighting systems. Usually, they are installed in groups, comprising a number of turbines placed on mountain ridges or shallow ocean floors. The market for vertical axis wind turbines addresses the production of limited energy quantities, mainly those required by single-family detached houses. As such, their installation typically consists in single units, located near the dwellings to which they supply the energy needed. This design has developed, on behalf of Lodigiani Energia, a vertical axis rotor entirely made up of composite materials. Rotor dimensions are 3 m diameter by 3 m height, installed on top of a 3 m tall support.

PHASE 1 - ANALYSIS AND RESEARCH The goal of this wind turbine is to be able to operate at a high number of revolutions per minute. A fast rotational speed permits a better efficiency for the power generator, and therefore a cost saving for mechanical components. At the same time, the high value of foreseen turns (330 rpm) entails very high centrifugal forces, which become the dimensioning factor over aerodynamic loads. In this instance, the determining element is rotating mass. By reducing

weight, centrifugal acceleration can be reduced exponentially. We started off analyzing a typical high aspect ratio straight turbine blade, with a section having a 12% of chord maximum thickness. Keeping this same geometry, we made a FEM simulation of the blade shell elements, and inserting an â&#x20AC;&#x153;omegaâ&#x20AC;? structure at the point of maximum thickness. Three different material selections were made, with a final weight as similar as possible, in order to evaluate differences in terms of weight/stiffness/cost ratios. The first alternative considered using the infusion process, a glassfiber layup for the blade and a carbon omega. The second alternative considered an all-carbon layup for both blade and omega. Laminates were kept constant over the entire length of the blade. The third alternative was an aluminum extrusion, made through a custom-built matrix. The results of this comparison yield the indications needed for the development of the final design. The table 1 compares the main data highlighted by results. Tabled data are extracted from the images from 1 to 8. All alternatives are critical. Maximum deformations are similar and might be acceptable, but the safety coefficients in the most loaded areas are near the Layup type

breaking point. Strengthening the laminates, even if only in the areas near the fastening points/constraints, would entail a weight increase and therefore bigger stresses, and in any case one would not reach safety coefficients suitable against fatigue failure. The entire design has to be revised in order to find a satisfactory solution.

PHASE 2 - DESIGN DEVELOPMENT There are many parameters one can intervene on, in order to solve structural problems. Keeping unchanged the original objectives of the project - high rotational speed and high blade aspect ratio for maximum aerodynamic efficiency the endeavour was to intervene on overall geometry in order to increase blade stiffness. Therefore a new configuration was drawn up, increasing profile thickness in order to increase its inertia and giving the blade a constant curvature, in accordance with Mr. Marazziâ&#x20AC;&#x2122;s expert advice. These two expedients immediately gave improved results, but in any case the glass-carbon and aluminum alternatives were abandoned in order to concentrate on the high modulus all-carbon alternative and obtain the best possible weight/stiffness ratio. The FEM analysis of the new configuration yielded much better results.

Weight (kg)

Defor (mm)

Note

Glass blade, carbon omega

6,1

Tsai coefficient. Values over 1 (ultimate strength) at constraints and transition from blade to omega

Carbon blade, Carbon omega

5,5

Tsai coefficient. Values over 1 (ultimate strength) at constraints and transition from blade to omega

Aluminum blade and omega

6,1

Von Mises values. Tensile stress, max.: 422 MPa at constraints

Tab.1

Compositi

english text

Design

Deformations decreased drastically and safety factors increased remarkably, as it can be seen in the images from 10 to 12.

accuracy. The images from 13 to 15 show results of the final computation, inclusive of arms.

PHASE 3 - COMPLETE DESIGN

PHASE 4 - CONSTRUCTION

At this stage connecting arms to the vertical axis were drawn and added to the FEM. For these arms too, weight and aerodynamics are fundamental. In order to obtain the best result, a structure made up of only two parts was drawn up. In this way it is possible join surfaces in the best way, gradually spreading stress concentrations at the blade/arm and arm/vertical axis connections. In order to increase further fatigue resistance, high modulus carbon was adopted for the final configuration of both blade and connecting arms. Beginning with the results of the initial computations, laminates were defined more and more accurately varying the number and the orientation of layers, with high

The infusion construction process is aimed to a pre-series production. Making the prototypes has been entrusted to Poligamma, which is a leader in infusion techniques. Moulds for the pre-series are CNC machined directly on materials that allow about ten layups. Making the molds has been entrusted to Persico. These technical options result in a structure having excellent mechanical properties without requiring a high temperature polymerization, therefore avoiding expensive moulds. The first prototype will be ready by the end of the year. For the transition to series production other solutions will be evaluated, more suitable for reducing cycle times and costs. â&#x2013;

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Deformations for the glass-carbon alternative Fig.2: Deformations for the all-carbon alternative Fig.3: Deformations for the aluminum alternative Fig.4: Tsai coefficient for the blade, glasscarbon alternative Fig.5: Tsai coefficient for the omega, glasscarbon alternative Fig.6: Tsai coefficient for the blade, all-carbon alternative Fig.7: Tsai coefficient for the omega, all-carbon alternative Fig.8: Tensile stresses, according to Von Mises Fig.9: The curved blade Fig.10: Deformations are reduced to nearly one eigth of in the first version Fig.11: Much lower Tsai coefficients Fig.12: The biggest stresses are concentrated at the blade constraints/fastening points Fig.13: Deformation of blade and connecting arm in the high modulus carbon version. Stiffness increases by 20% Fig.14: Tsai coefficients are also lowered

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

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

t JOGP!HSBDP CF t XXX HSBDP DDPN

Caratterizzazione materiali

di Marco Valente, Fabrizio Sarasini, Giovanni Pulci, Francesco Marra, Jacopo Tirillò Dipartimento di Ingegneria Chimica Materiali Ambiente, Sapienza - Università di Roma Carlo Santulli - Scuola di Architettura e Design (SAD) - Università degli Studi di Camerino

Comportamento statico e dinamico di laminati ibridi La produzione di laminati ibridi è una delle strategie per incrementare la capacità dei compositi di assorbire l’energia d’impatto. A questo scopo uno studio ha valutato il comportamento sotto impatto a bassa velocità di ibridi rinforzati con fibre di vetro e di basalto e l’effetto di diverse sequenze di laminazione sulle proprietà meccaniche post-impatto. egli ultimi anni, le fibre naturali vengono sempre più frequentemente proposte come un’alternativa alle fibre di vetro per effetto di sempre più stringenti requisiti ambientali. Le fibre naturali possono essere estratte dalle piante, come juta, lino, canapa, o possono avere origine minerale: tra queste ultime le fibre di basalto appaiono in questo momento le più popolari. Rispetto ad altri materiali sostenibili per l’ambiente, come le fibre vegetali, che mostrano anch’esse proprietà di isolamento termico ed acustico, il più elevato peso specifico delle fibre di basalto (circa 2.7 g/cm3) è largamente compensato dal loro modulo più alto, eccellente resistenza al calore, buona resistenza all’attacco chimico e basso assorbimento di acqua [1, 2]. Caratteristiche che rendono le fibre di basalto un promettente materiale di rinforzo nei

compositi, come conferma l’attenzione crescente che stanno ottenendo presso la comunità scientifica sia con matrici termoplastiche [3-6] sia termoindurenti [7-12]. Malgrado l’interesse, l’attenzione verso questa classe di compositi finora si è limitata a valutarne il comportamento a bassa velocità d’impatto [9, 13-17]. I laminati compositi sono soggetti al danneggiamento per impatto, che riduce le loro proprietà strutturali, e possono mostrare un compor tamento fragile sotto penetrazione ad impatto, permettendo una limitata dissipazione di energia. Un modo efficiente di incrementare la capacità di assorbimento dell’energia d’impatto dei compositi è produrre degli ibridi. Le proprietà strutturali residue sono un’altra area critica, in quanto influenzano direttamente il modo nel quale la struttura può soppor tare i carichi di ser vizio ed

Configuration

Layup sequence

Basalt layers (avg. vol.% fibres)

E-glass layers (avg. vol.% fibres)

14B

14 (38%)

14V

14 (38%)

VBV

3V/8B/3V

8 (22%)

6 (16%)

BVB

3B/8V/3B

6 (16%)

8 (22%)

BVBV

(1B/1V/1B/1V/1B/1 V/1B)s

7 (19%)

Tab.1: Configurazioni dei laminati ibridi

assicurare che una struttura danneggiata non collasserà in modo catastrofico durante il servizio. In questo studio, diverse configurazioni, che comprendono laminati vetro/basalto simmetrici ed asimmetrici, sono state caratterizzate con prove di resistenza interlaminare ed a flessione. La tolleranza al danneggiamento ad impatto è stata valutata dallo studio delle proprietà a flessione dopo impatto assistito dalla tecnica dell’emissione acustica.

MATERIALI I tessuti di basalto (BAS 220.1270.P) e vetro E (RE 220P) utilizzati sono tessuti piani forniti, rispettivamente, da Basaltex-Flocart NV (Belgio) and Mugnaini Group srl (Italia). Entrambi sono stati caratterizzati dalla stessa grammatura, 220 g/m2. La matrice utilizzata è una resina epossidica accelerata dal vinilestere di bisfenolo A (DION 9102) prodotta da Reichhold, Inc (USA). L’indurente e l’acceleratore sono Butanox LPT (MEKP, 2% in peso) e NL-51P (2-etilesanoato di cobalto, 1% in peso), rispettivamente. I laminati sono stati prodotti con un sistema Resin Transfer Moulding (RTM) di laboratorio. I provini per la caratterizzazione meccanica sono stati asportati dai laminati. Tutte le configurazioni ibride, elencate nella tabella 1, sono state prodotte dall’impilaggio di quattordici strati di tessuto e tutti con una frazione in

Compositi

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Caratterizzazione materiali

volume simile, pari a 0.38±0.02, in modo che lo spessore di tutte le configurazioni testate fosse approssimativamente la stessa. A scopo di confronto, anche laminati con soltanto fibre di basalto e fibre di vetro sono stati riportanti in tabella 1.

METODI DI PROVA Prove di flessione a quattro punti sono state effettuate in accordo con la norma ASTM D 6272. Sono stati testati cinque provini per ogni tipo di composito, con dimensioni: 150 mm × 30 mm × 3.1 mm (L×l×s). Il rapporto tra la distanza degli appoggi e lo spessore è di 25:1 e la velocità della traversa di 2.5 mm/min. Sono stati usati estensimetri per valutare il modulo a flessione. I provini sono stati caricati a flessione, alcuni non impattati ed altri impattati con energie di 7.5, 15 e 22.5 J. La resistenza al taglio interlaminare è stata misurata in accordo con la norma ASTM D 2344. Sono stati testati dieci provini per ogni laminato di dimensioni: 20 mm × 6.2 mm × 3.1 mm (L×l×s). Il rapporto tra la distanza degli appoggi e lo spessore è di 4:1 e la velocità della traversa di 1 mm/min. Le prove di caratterizzazione meccanica sono state effettuate su una macchina universale di prova Zwick/Roell Z010 con una cella di carico di 10 kN. I provini ibridi vetro/basalto sono stati impattati e poi assoggettati a prove di flessione a quattro punti, utilizzando cinque provini per configurazione e per ogni energia d’impatto. Il punto d’impatto era collocato al centro dei laminati. L’energia d’impatto veniva variata cambiando la massa dell’impattatore semisferico (ϕ=12.7 mm), tenendo in tal modo una velocità costante di 2.5 m/s. Le prove d’impatto sono state effettuate su una torre d’impatto strumentata ed equipaggiata con un sistema anti-rimbalzo. Tre diverse energie d’impatto sono state considerate: 7.5, 15 e 22.5 Joule. Le prove di flessione dopo impatto sono state monitorate con emissione acustica fino alla frattura finale utilizzando un sistema AMSY-5 della Vallen Systeme GmbH (Germania). Le impostazioni di acquisizione EA utilizzate durante questo lavoro sperimentale sono state le seguenti: soglia = 35 dB, Tempo di Riarmo (RT) = 0.4 ms, Duration Discrimination Time (DDT) = 0.2 ms e guadagno totale = 34 dB. I sensori piezoelettrici EA utilizzati (Deci, SE150-M) erano risonanti a 150 kHz e sono stati posti sulla superficie dei provini da entrambi i lati per permettere la localizzazione lineare. La caratterizzazione microstrutturale è stata effettuata col microscopio a scansione elettronica (SEM) con un sistema Philips XL40. Prima di tutte le osservazioni al SEM, i laminati sono stati ricoperti in oro per assicurare la loro conduttività.

Fig.1: Resistenza al taglio interlaminare dei diversi laminati

Fig.2: Resistenza a flessione dopo impatto dei diversi laminati (confrontati con laminati rinforzati con solo fibre di vetro, V, e solo fibre di basalto, B)

RISULTATI I laminati rinforzati in fibra di basalto non impattati hanno mostrato proprietà meccaniche leggermente superiori a quelli rinforzati in fibra di vetro: questo si vede

Fig.3: Modulo a flessione post-impatto dei diversi laminati

Compositi

PARlS PA RlS MARCH M ll, l2, l3, 20l4 20l4

Caratterizzaz

Fig.4: Resistenza a flessione residua normalizzata dei diversi laminati ibridi (confrontati con quelli in fibra di vetro, V, ed in fibra di basalto, B)

PARlS Porte de Versailles Pavilions 7.2 & 7.3 s 7UDGH VKRZ GHPR ]RQH s O & 6 &RQIHUHQFHV s OQQRYDWLRQ FRUQHU DZDUGV s 7HFKQLFDO 6DOHV 3UHVHQWDWLRQV s %XVLQHVV 0HHWLQJV s -2% &HQWHU

OFFSHORE ENERGIES HYBRID STRUCTURES

FREE BADGE BADGE

JECC EUROPE JE

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dalle prove di resistenza interlaminare (fig.1), dai risultati di flessione, resistenza e modulo (figg.2 e 3, rispettivamente). Riguardo alla degradazione delle proprietà a flessione con l’aumento dell’energia d’impatto, i laminati in fibre di basalto e di vetro non mostrano differenze significative (fig.2 e 3). La resistenza a flessione residua dei provini danneggiati per impatto normalizzati rispetto a quella misurata sui provini non danneggiati (fig.4) ha mostrato una riduzione più netta nel caso dei compositi rinforzati in fibra di vetro per energie d’impatto che superano i 7.5 J, indicando una maggiore capacità di tolleranza del danneggiamento per i laminati in fibra di basalto. La diminuzione del modulo di flessione ha seguito un profilo simile in entrambi i laminati, anche se un comportamento leggermente migliore è stato osservato per i compositi in fibra di vetro. Di conseguenza, i laminati in fibra di basalto mantengono la loro superiorità in termini assoluti, mostrando una degradazione persino minore in termini di resistenza a flessione alle più alte energie d’impatto, 15 e 22.5 J. Lo scopo principale di aggiungere fibre di basalto alle fibre di vetro è ottenere un laminato finale che, malgrado presenti un leggero aggravio di peso, abbia proprietà meccaniche superiori, sia nello stato iniziale che dopo danneggiamento. Come per gli ibridi, nei laminati VBV, aggiungere strati di fibre di basalto non porta ad un significativo aumento della resistenza interlaminare rispetto ai compositi in sola fibra di vetro (fig.1). Le altre due configurazioni, BVB e BVBV, al contrario, presentano valori di ILSS intermedi tra quelli dei laminati in fibra di vetro e di basalto. Il danneggiamento ad impatto ha ridotto la resistenza a flessione in modo più variabile tra le diverse configurazioni, rispetto a quanto è accaduto con il modulo a flessione (confronta le figg.2 e 3). La più grande degradazione della resistenza a flessione dei laminati VBV con la crescente energia d’impatto viene chiaramente osservata, mentre in generale i laminati BVBV sono apparsi come la migliore configurazione a questo riguardo. Per quanto riguarda il modulo a flessio-

ione materiali

Fig.5: Modulo di flessione residuo normalizzato dei diversi laminati ibridi (confrontato con quelli in fibra di vetro, V, e fibra di basalto, B)

Fig.6: Carico di inizio dell’EA misurata dalla curva conteggi cumulativi-tempo e la corrispondente curva sforzo di flessionetempo (laminati ibridi BVB impattati a 7.5 J)

ne (fig.3), gli ibridi BVB and VBV ed i laminati non ibridi in fibra di vetro hanno mostrato a tutte le energie d’impatto, rispettivamente, le più alte e le più basse prestazioni di tutte le configurazioni. Allo scopo di chiarire l’influenza media della degradazione che ci si può attendere in ogni laminato come conseguenza dell’impatto, la figura 4 riporta la resistenza residua media a flessione dei provini danneggiati ad impatto in confronto con quelli non danneggiati. Da questo grafico si può vedere che le minori proprietà residue sono mostrate dai laminati VBV, mentre anche per la degradazione del modulo il comportamento più favorevole è mostrato dagli ibridi BVB (fig.5). Nel complesso, gli ibridi hanno mostrato tolleranza al danneggiamento più alta di quella offerta dai laminati in sola fibra di vetro (V) alla più alta energia d’impatto. Come considerazione preliminare, dalle curve conteggi cumulativi-tempo, è possibile identificare un carico approssimato al quale l’attività acustica inizia. In particolare, l’emissione acustica si considera iniziare, escludendo eventi sparsi a bassi

Caratterizzazione materiali

Fig.7: Sforzo di inizio dell’EA per tutte le configurazioni ibride

conteggi che possono verificarsi anche a carico molto basso, quando cominciano ad essere visibili nei grafici conteggi cumulativi EA-tempo, come mostrato in figura 6. Questo accade quando i conteg-

gi EA superano circa 1/500 dei conteggi cumulativi finali: in questo punto si misura il carico d’inizio dell’EA. Al di sopra del carico di inizio dell’EA, l’attività acustica durante la sollecitazio-

ne monotonica aumenta con l’aumento dello sforzo, benché le caratteristiche specifiche di tale comportamento possano modificarsi considerevolmente in dipendenza dalle proprietà del materiale e dalla presenza di danneggiamento irreversibile. Per chiarire meglio queste caratteristiche, le prove sono state divise ciascuna in cinque fasi, le prime quattro a seconda dei livelli di carico da 0 a 25%, da 25 a 50%, da 50 a 75%, e da 75 a 100% del carico massimo. La quinta fase, denominata “post”, rappresenta quegli eventi EA rilevati dopo aver raggiunto il carico massimo, quando il carico decresce in prossimità della rottura. I risultati in figura 7 indicano che per i laminati non impattati la peggiore prestazione è stata ottenuta con i laminati VBV, che si può supporre siano leggermente meno tolleranti al carico a flessione. Nei laminati impattati con l’energia più bassa, l’EA può iniziare più tardi durante il carico (in particolare, questo accade sui laminati VBV e con minore evidenza sui BVB). Con ogni probabilità

Fig.8: Eventi EA e localizzazione lineare per laminati ibridi VBV e BVB non impattati ed impattati a 22.5 J

Compositi

>> questo indica che la limitata profondità e criticità del danneggiamento per impatto non sia ancora sufficiente per innescare una crescita della fessurazione e delaminazione nei laminati, come risultato del carico a flessione, rendendo piuttosto il materiale meno sensibile ad essa. Una significativa degradazione delle proprietà è stata osservata con l’impatto a 22.5 J per i laminati VBV e sia a 15 J sia a 22.5 J sui laminati BVB: qui l’inizio dell’EA è intorno a 55 MPa, in confronto con gli 80 MPa per i laminati BVB non impattati. Una grande variazione nella prestazione è stata osservata per i laminati BVBV: con ogni probabilità è il risultato del variabile grado di adesione tra le diverse interfacce tra gli strati in fibra di vetro e di basalto del materiale. La localizzazione del danneggiamento è più evidente nei laminati BVB che in quelli VBV (fig. 8), mentre questi ultimi hanno mostrato una più vasta area danneggiata, il che può essere riferito ad una più bassa tolleranza al danneggiamento. Questo viene in buona sostanza confermato dalle micrografie al SEM che rappresentano sezioni trasversali delle regioni impattate di compositi ibridi (fig.9). Nei laminati BVB, la maggior parte del danneggiamento viene rilevato negli strati interni, mentre nei laminati VBV è la parte esterna (ancora un laminato in fibra di vetro) ad apparire pesantemente danneggiata. I laminati BVBV hanno presentato le più alte proprietà residue dopo impatto a 22.5 J, anche se il profilo di degradazione delle proprietà meccaniche apparve più pronunciato rispetto ad entrambi gli ibridi VBV e BVB nel caso di energie d’impatto più basse. In questo caso, la presenza di multiple e piccolo delaminazioni sparse lungo le varie interfacce vetro/basalto potrebbe rappresentare un fattore limitante fino ai 15 J. Si può suggerire che la presenza di strati di basalto può essere di sicuro beneficio nel prevenire la propagazione della fessurazione, cosa che non appare accadere nel caso delle fibre di vetro.

CONCLUSIONI Lo studio comparativo tra diverse configurazioni ibride di laminati rinforzati con fibre di vetro e di basalto conferma la

Fig.9: Sezioni osservate al SEM di laminati: (a) BVB e (b) VBV impattati a 22.5 Joule

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leggera superiorità dei laminati tessuti in fibra di basalto su quelli in fibra di vetro per quanto riguarda la prestazione dopo impatto. La configurazione scelta per l’ibridazione con le fibre di basalto ha mostrato un effetto marcato soltanto sul modulo a flessione, con la configurazione BVB che ha presentato il miglior comportamento. Al contrario, i risultati indicano che una configurazione simmetrica, che comprendeva fibre di vetro internamente e fibre di basalto

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sugli strati più esterni presenta il migliore profilo di degradazione almeno fino a 15 Joule. Una sequenza di laminazione con strati intercalati invece offre la migliore tolleranza al danneggiamento, grazie alle delaminazioni multiple ma diffuse su tutto lo spessore. La situazione inversa (basalto negli strati più interni) è leggermente meno favorevole, in quanto appare meno adatta ad arrestare la propagazione della fessurazione nel composito. ■

Compositi

Material characterization

By Marco Valente, Fabrizio Sarasini, Giovanni Pulci, Francesco Marra, Jacopo Tirillò * - Carlo Santulli**

Static and dynamic behaviour of hybrid composites

The production of hybrid laminates is one efficient way to improve impact energy-absorbing ability of composite materials. In this regards, a study investigated the low velocity impact behavior of glass/basalt reinforced hybrid laminates and the effect of different stacking sequences on post-impact mechanical properties. n recent years, natural fibres are increasingly proposed as an alternative to glass ones as a result of stricter environmental requirements. Natural fibres may either be extracted from plants, such it is the case for jute, flax, hemp, etc., or have a mineral origin: among the latter, basalt fibres appear at the moment to be the most popular ones. In comparison to other environmentally friendly materials, such as plant fibres, which equally show thermal and acoustic insulation properties, the higher specific weight of basalt fibres (about 2.7 g/cm3) is widely compensated by their higher modulus, excellent heat resistance, good resistance to chemical attack and low water absorption [1, 2]. These characteristics make basalt fibres a promising reinforcing material in composites, as confirmed by the growing attention they are gaining within the scientific community for both thermoplastic [3-6] and thermosetting matrices [7-12]. Despite this interest, only limited attention has been devoted to the lowvelocity impact behaviour of this class of composites [9, 13-17]. It is well established that composite laminates are very prone to impact damage, which significantly affects the structural properties, and that they can show a brittle behaviour under impact penetration, allowing limited energy dissipation. In this regard, one efficient way to improve impact energy-absorbing ability of composite materials is to produce hybrids. Residual structural properties are another area of concern, as they directly influ-

Compositi

ence the way in which the structure can bear service loads and ensure that a damaged structure will not catastrophically fail during service life. In this study, different configurations, including symmetrical and asymmetrical glass/basalt laminates are fully characterised using interlaminar shear strength tests and flexural tests. Impact damage tolerance is evaluated from the study of post-impact flexural proper ties assisted by acoustic emission.

MATERIALS The basalt (BAS 220.1270.P) (B) and Eglass fabrics (RE 220P) (V) were plain weave fabrics supplied by Basaltex-Flocart NV (Belgium) and Mugnaini Group srl (Italy), respectively. Both fabrics were characterized by the same specific surface weight, namely 220 g/m2. The matrix used was a Bisphenol-A epoxy based vinylester resin (DION 9102) produced by Reichhold, Inc (USA). The hardener and accelerator were Butanox LPT (MEKP, 2 wt.%) and NL-51P (Cobalt 2ethylhexanoate, 1 wt.%), respectively. The laminates were manufactured by a laborator y Resin Transfer Moulding (RTM) system. From the laminates the specimens for the mechanical characterization were removed. All hybrid configurations, listed in table 1, were produced using fourteen fabric layers and with a similar fibre volume fraction, equal to 0.38±0.02, so that the thickness of all the tested configurations was approximately the same. For comparison purposes, also basalt and glass laminates

were manufactured and tested, as reported in table 1. Four-point bending tests were performed in accordance with ASTM D 6272. Five specimens for each composite type were tested, having the following dimensions: 150 mm×30 mm×3.1 mm (L×W×t). A span-to-depth ratio of 25:1 and a cross-head speed of 2.5 mm/min were used. Strain gauges were used to evaluate the flexural modulus. The specimens were loaded in bending either as received or following impact with energies of 7.5, 15 and 22.5 J, applied as described below. The interlaminar shear strength was evaluated in accordance with ASTM D 2344. Ten specimens were tested for each laminate, having the following dimensions: 20 mm×6.2 mm×3.1 mm (L×W×t). A span-to-depth ratio of 4:1 and a cross-head speed of 1 mm/min were used. The mechanical characterization was performed on a Zwick/Roell Z010 universal testing machine equipped with a 10 kN load cell. Glass/basalt hybrid laminates were impacted and then subjected to post-impact four-point bending tests, using five samples per configuration and impact energy. The impact point was located at the centre of the specimens. The impact energy was changed varying the mass of the hemispherical drop-weight striker (ϕ=12.7 mm), thus keeping a constant velocity of 2.5 m/s. Impact tests were performed on an instrumented impact tower fitted with an anti-rebound device. Three different impact energies were considered: 7.5, 15 and 22.5 J. Post-im-

english text

* Dipartimento di Ingegneria Chimica Materiali Ambiente, Sapienza - Università di Roma **Scuola di Architettura e Design (SAD) - Università degli Studi di Camerino

pact flexural tests were monitored by acoustic emission until final fracture occurred using an AMSY-5 AE system by Vallen Systeme GmbH (Germany). The AE acquisition settings used throughout this experimental work were as follows: threshold = 35 dB, Rearm Time (RT) = 0.4 ms, Duration Discrimination Time (DDT) = 0.2 ms and total gain = 34 dB. The PZT AE sensors used (Deci, SE150M) were resonant at 150 kHz. The sensors were placed on the surface of the specimens at both ends to allow linear localization. The microstructural characterization was carried out by scanning electron microscopy (SEM) using a Philips XL40. Prior to all SEM observations, the specimens were sputtered with gold to prevent charging.

RESULTS Non-impacted basalt fibre reinforced laminates showed mechanical properties slightly superior to those of E-glass ones: this is clearly seen from ILSS tests (fig.1), and from flexural strength and modulus (figs. 2 and 3, respectively). As regards the degradation of flexural properties with increasing impact energies, basalt and glass laminates did not show significant differences (figs. 2 and 3). The residual flexural strength of impact damaged specimens normalized to that of undamaged ones (fig.4) showed a sharper reduction in the case of glass reinforced composites for impact energies exceeding 7.5 J, thus pointing out a better damage tolerance capability for basalt laminates. The decrease in flexural stiffness followed a similar pattern in both laminates, even though a slightly better behaviour for glass fibre laminates was observed. As a consequence, basalt fibre laminates do retain their superiority in absolute terms, showing an even lower degradation in terms of flexural strength at the higher impact energies, 15 and 22.5 J. The main purpose of adding basalt fibres to glass ones would be getting a final laminate that, in spite of a slight weight penalty, has superior mechanical properties, both in the as-received state and after impact. As for the hybrids, in VBV laminates, adding basalt fibre layers did not result in a significant im-

provement of interlaminar shear strength over pure glass fibre composites (fig.1). The other two configurations, BVB and BVBV, in contrast, presented values of ILSS intermediate between those of glass and basalt fibre reinforced laminates. Impact damage affected the flexural strength in a more variable way among the different configurations than it did with flexural modulus (compare figures 2 and 3). The larger degradation of flexural strength of VBV laminates with growing impact energy is clearly obser vable, while in general BVBV seemed to be the best laminate configuration in this respect. As regards flexural modulus (fig.3), BVB and VBV and laminates showed at all impact energies the highest and the lowest performance of all configurations, respectively. With the aim of clarifying the average extent of degradation that is to be expected in every laminate as a consequence of impact damage, figure 4 repor ts the average residual flexural strength of impact damaged specimens normalized to that of undamaged ones. From this plot it is evident that the lowest residual properties are shown by VBV laminates, while also for modulus degradation the most favourable behaviour is shown by BVB hybrids (fig.5). As a whole, hybrid composites exhibited a damage tolerance higher than that offered by the pure glass laminates (V) at the highest impact energy level. As a preliminary consideration, from AE cumulative counts vs. time curves, it is possible to identify an approximate load when acoustic emission activity starts. In particular, acoustic emission is considered to commence, apar t from sparse low-counts events, which may take place even at very low load, when it starts to be visible from the global AE cumulative counts vs. time graphs, an example of which is given in figure 6. This happens when AE counts exceed approximately 1/500 of the final cumulative counts: at this point, an AE start load is measured. Beyond the AE start load, AE activity during monotonic loading is likely to grow with increasing stress, although the specific characteristics of such behaviour may change considerably depending on materials properties and presence of ir-

reversible damage. To better clarify these characteristics, the tests have been divided in five phases, according to the load levels, from 0 to 25%, 25 to 50%, 50 to 75%, and 75 to 100% of the maximum load. The fifth phase is denominated as “post” and represents those AE events detected after reaching the maximum load, when the load decreases in the immediate proximity of failure. Results in figure 7 indicate that for non impacted laminates, the worst performance is obtained with VBV laminates, which are supposed to be slightly less tolerant to pure flexural loading. In the laminates impacted with the lowest energy, AE may initiate later during loading (in particular, this happens on VBV and with lesser evidence on BVB hybrids). This is likely to suggest that the limited depth and severity of impact damage is not yet sufficient to trigger further crack growth and delamination in the laminates, as a result of flexural loading, rather making the material less sensitive to it. A significant degradation of properties occurred with impact at 22.5 J for VBV laminates and at both 15 and 22.5 J on BVB laminates: here AE start is around 55 MPa, compared with 80 MPa for the non impacted BVB laminates. A large scattering in performance was obser ved for BVBV laminates, which is likely to be the result of the variable adhesion between the different interfaces between glass and basalt layers in the laminates. The localization of damage is more evident in BVB laminates than in VBV ones (fig.8), while the latter showed a wider damaged area that can be related to the lower damage tolerance. This is substantially confirmed by SEM micrographs representing transverse sections of impacted region of hybrid composites (fig.9). In BVB laminates, most damage lies in the glass core, while in VBV composites the outermost parts (again glass fibre laminates) appear heavily damaged. BVBV laminates exhibited the highest residual properties at 22.5 J even though the degradation pattern of the mechanical properties appeared to be more pronounced with respect to both VBV and BVB hybrids at the intermediate energies. In this case, the presence of multiple small delamina-

Compositi

english text

tions running at the several glass/basalt interfaces could have represented a limiting factor up to 15 J. As a general comment, it may be suggested that the presence of basalt layers could be beneficial in preventing crack propagation, which is not the case for glass fibres.

CONCLUSIONS This comparative study between several hybrid configurations based on glass and basalt fibre reinforced laminates confirmed the slight superiority of basalt fibre woven laminates over glass ones as for post impact per formance. The basalt fibre hybridization showed a marked effect only on the flexural modulus, with the BVB configuration being the stiffest. On the contrary, results suggest that a symmetrical configuration including glass fibres as a core and basalt fibres as skins presents the most favourable degradation pattern at least up to 15 J, where an intercalated stacking sequence seems to offer the best damage tolerance thanks to multiple but diffuse delaminations. The reversed situation (basalt as core) is slightly less favourable, because it does appear less suitable to stop crack propagation. ■

All the mentioned figures refer to the italian version Tab.1: Hybrid laminates configurations Fig.1: Interlaminar shear strength of the different laminates Fig.2: Post impact flexural strength of the different laminates (compared with pure E-glass, V, and pure basalt fibre laminates, B) Fig.3: Post impact flexural modulus of the different laminates Fig.4: Normalised residual flexural strength of the different laminates (compared with pure E-glass, V, and pure basalt fibre laminates, B) Fig.5: Normalised residual flexural modulus of the different laminates (compared with pure E-glass, V, and pure basalt fibre laminates, B) Fig.6: AE start load measured from cumulative counts vs. time curve and the corresponding flexural stress vs. time curve (BVB hybrid laminates impacted at 7.5 J) Fig.7: AE start stress for all hybrid configurations Fig.8: Hits vs. x-loc for undamaged and impact damaged (22.5 J) VBV and BVB hybrid composites Fig.9: SEM cross-sections of (a) BVB and (b) VBV laminates impacted at 22.5 J

Compositi

HEXAGON METROLOGY

Sistema mobile per la misura di telai in carbonio di biciclette da competizione n collaborazione con il Laboratorio di Tecnologia dei Polimeri e dei Compositi (LTC) presso l’Istituto Federale Svizzero della Tecnologia (EPFL), Hexagon Metrology ha creato il ROMER Bike Measurement System, un sistema di misura portatile 3D interamente approvato dall’International Cycling Union (UCI) per la misura di telai nelle gare ciclistiche. Il ROMER Bike Measurement System si basa sul braccio di misura por tatile di Hexagon Metrology, il ROMER Absolute Arm con scanner laser integrato. Il sistema comprende il software di verifica 3D configurato per la misura ottica della geometria del telaio della bicicletta, assicurando imparzialità, trasparenza e stabilità complete nelle gare ciclistiche professionali. Il ROMER Bike Measurement System è lo strumento dell’UCI approvato per il controllo della legalità del telaio della bicicletta indipendentemente da dove viene effettuata la misura. Lo scanner con tecnologia ROMER offre prestazioni eccellenti anche su superfici in fibra di carbonio molto lucide e aree di difficile accesso tipiche dei telai delle attuali biciclette professionali. Durante la misura, lo scanner laser integrato rileva 30.000 punti al secondo, permettendo all’utente di creare un modello 3D

estremamente preciso del telaio. Grazie al fatto che il ROMER Absolute Arm non richiede tempo di riscaldamento e alla sequenza di otto semplici operazioni previste dal software, l’utente può misurare un intero telaio di bicicletta, confrontarlo con il corrispondente modello CAD e generare un rapporto di misura finale in meno di dieci minuti. Il Professor Jan-Anders Månson, Direttore dell’EPFL, Laboratorio di Tecnologia dei Polimeri e dei Compositi, ha affermato: “Hexagon Metrology ci ha permesso di mettere a punto uno strumento efficiente conforme ai requisiti UCI. Il ROMER Bike Measurement System ci aiuta a garantire che le dimensioni delle biciclette da corsa siano perfettamente legali, anche durante le gare. Grazie al fatto di essere portatile e ad avere ottime prestazioni su oggetti complessi come i telai di una bicicletta, si aggiunge un valore significativo agli sport competitivi”. ■

Airtech Europe

Sandvik Coromant

Fresa a candela per compositi La nuova fresa a candela di compressione CoroMill® Plura per compositi di Sandvik Coromant è un utensile di grande interesse per qualsiasi produttore di componenti in materiali fibrorinforzati a matrice polimerica (CFRP). Diversamente dalle convenzionali frese a candela, CoroMill Plura combina gli angoli d’elica positivi con quelli negativi per comprimere la par te alta e bassa del bordo del pezzo. Ciò riduce al minimo qualsiasi rischio di frammentazione, un difetto comune nella lavorazione di materiale CFRP e di molti altri tipi di compositi per l’ingegneria industriale, che utilizzano frese a eliche superiori.

FRESATURA DEI BORDI La nuova fresa Plura è stata progettata per applicazioni di fresatura dei bordi su pezzi con uno spessore minimo di 6 mm. È dotata di una microgeometria ottimizzata che offre sei taglienti effettivi per ottenere una rugosità superficiale (Ra) ben sotto i 4 micron, in combinazione con elevati volumi di truciolo asportato. Per ottenere i migliori risultati, gli utilizzatori devono mantenere la zona di incontro delle due eliche, la positiva e la negativa al centro del materiale. Bisogna ricordare che quando l’utensile attraversa le fibre sulla superficie superiore o inferiore si crea una maggiore frammentazione rispetto a quando l’utensile taglia lungo la dire-

zione delle fibre. Con la nuova fresa di compressione, sono raccomandate le strategie di fresatura discorde in quanto generano meno vibrazioni. Tra i dati di taglio, gli utilizzatori possono scegliere velocità di taglio da 200 a 400 m/min, velocità di avanzamento da 0,03 a 0,06 mm/dente per la sgrossatura e da 0,02-0,04 mm/dente per la finitura.

APPELLO INTERSETTORIALE A parte l’aerospaziale, altri settori possono trarre vantaggio dalla nuova fresa, incluse le industrie motorsport, marina, energia eolica e tempo libero - essenzialmente qualsiasi azienda con produzione di materiali CFRP che cerca di migliorare il volume di asportazione truciolo e la durata tagliente, ottenendo al tempo stesso una frammentazione minima. La fresa a candela di compressione CoroMill® Plura per la lavorazione di materiali compositi sfrutta la qualità GC1630 per una maggiore durata ed è disponibile nei diametri da 6,0 a 16,0 mm e nelle lunghezze (totali) da 76 a 100 mm. ■

CoroMill Plura S215 per la fresatura dei bordi

Prodotti e servizi innovativi per l’infusione di resina Airtech è specializzata nella produzione e distribuzione di materiali per la tecnologia del sacco a vuoto e la tecnologia per stampo in composito, per l’industria del composito, dell’incollaggio e degli stampi in composito. La gamma di prodotti comprende tutti i materiali necessari per la fabbricazione di stampi e parti in composito che utilizzano le seguenti tecniche di sacco a vuoto: stratificazione manuale, polimerizzazione in autoclave e processi di infusione di resina. Airtech fornisce film per sacco a vuoto fino ad alte temperature e grandi ampiezze, film e liquidi distaccanti, nastri adesivi, peel ply, aeratori e assorbitori, nastri sigillanti, prodotti personalizzati e in kit, connettori, tubi, gomme e materiali per stampi. I prodotti Airtech sono utilizzati nel settore aerospaziale, navale, automobilistico, da corsa, dell’energia eolica, del tempo libero e in generale nelle industrie dei compositi. Airtech fornisce film fino a 16 m: Big Blue L100, fino a 7,6 m: Ipplon® KM1300, Securlon® L500, L750 e Securlon® Wrightlon® 7400 e film larghi fino a 4, 5 m. La sua gamma di nastri sigillanti Airseal copre le esigenze del mercato nel campo dell’alta temperatura fino a 150 °C. Airseal 2 e Airseal 2 Bead (rotondo Ø 4 mm) sono nastri sigillanti con forte adesività che garantisce un’ottima adesione immediata per la maggior parte delle superfici per applicazioni di sacco a vuoto. Tutti i nastri sigillanti Airseal sono disponibili in versione doppia. L’applicazione simultanea delle due strisce di nastro sigillante fa risparmiare tempo, fatica e nel contempo aumentare l’affidabilità del processo. Questi nastri sigillanti sono progettati per essere utilizzati in tutti i laboratori che producono parti in composito FRP per il navale, il commerciale e l’industria eolica, con cicli di cura in stampi riscaldati o in forno. Il nuovo prodotto FlowLease 160-37P16 combina una rete di infusione di peso elevato con uno strato di film distaccante perforato Wrightlon 3700 P16®. È progettato per essere utilizzato in applicazioni di infusione di resina. Grazie alla struttura ad elevata apertura della maglia, il migliore flusso di infusione di resina può essere realizzato con la maggior parte dei tipi di resina. ■

Airseal 2 Bead

Airseal in versione doppia

FlowLease

Compositi

Dieffenbacher

News at K 2013 In cooperation with KraussMaffei, Dieffenbacher had, for the first time ever, demonstrated the full CFRP component manufacturing process live at the KraussMaffei exhibition stand. Dieffenbacher had provided preforms manufactured at its own PreformCenter for the live demonstration and showed the entire automated process of preform production, from cutting fabric through to trimming. A further innovation set showcased during the live presentation was the production of a CFRP component in class A surface quality. The key benefit of class A quality components is that they can be painted immediately without the need for any refinishing work. The component that was produced at the stand was a roof segment of the lightweight sports car the Roding Roadster R1, which was also displayed at the KraussMaffei stand.

In addition to information on preform manufacturing and the HP-RTM process, new technologies in the field of long-fiber-reinforced thermoplastics were also featured at the Dieffenbacher stand. Through the use of tape layup technology, it is possible to place additional reinforcements in a component. A further highlight was the advanced direct method D-SMC with a just-in-time semi-finished goods process, which opens up new applications for duroplastic compounds in lightweight construction. ■

Reifenhäuser Reicofil

A rollable alternative to organic sheets Reifenhäuser Reicofil, provider of spinbonding lines, is developing a new fibrereinforced plastic and the corresponding process to manufacture it. The new semi-finished product combines reinforced fibre and nonwovens. Organic sheets are lightweight fibre composite parts with a thermoplastic matrix. The plate-shaped fibre composite material made of fibre tissue or fibre layers is embedded in a thermoplastic matrix, which is typically a plastic film. The individual layers of film and reinforced fibre are consolidated with heat and pressure and then cooled down to organic sheets. The plates can be reformed to component parts by reheating them. Reifenhäuser Reicofil uses nonwovens instead of film for the thermoplastic matrix. The development of this new semi-finished product means that an entire production step can be dispensed with during manufacturing. The production of the thermoplastic matrix (nonwovens) and its layering

Compositi

with reinforced fibre is done inline in one production step when manufacturing the new semi-finished product. In contrast to organic sheets, here the layers are not consolidated directly but rather wound onto reels. The layers adhere to one another but remain flexible. Both the consolidation of the layers and forming them into lightweight component parts then occurs once again in one single step. By combining individual production steps, less heating and cooling is required. The new semi-finished product can also be produced in large widths up to approx. 3 m and without limit to its length. Organic sheets are limited to widths of approx. 1.3 m. The use of nonwovens has benefits not only in manufacturing but also for the product properties: during consolidation, the pressing together of individual layers, nonwovens have clear advantages over films. Tests have shown that the melt is distributed more uniformly between the reinforced-fibre.

New rollable fibre-reinforced plastic combined with nonwovens

When being pressed together, no flaws arise anymore, because air can escape through the nonwovens. When pressing film together, air is frequently trapped, reducing the strength of the finished component part. During subsequent processing of the finished component part, organic nonwovens have clear advantages due to their better drapability. In tests it was shown that extreme angles and details could be formed. Up to now forming has been tested only on smaller component parts up to a size of 200 mm x 200 mm. The developers anticipate these results will be transferable to larger parts. The new composite fibre material and the new manufacturing process were presented at the K 2013. ■

Compotec 2014

Una nuova sfida, un nuovo inizio ompotec 2014 (dal 5 al 7 febbraio a Carrara) offrirà a espositori e visitatori una nuova filosofia dedicata ai materiali tecnologicamente più avanzati, alle loro applicazioni e a tutto quanto di innovativo l’industria globale dei materiali compositi offre attualmente. Questa edizione è dedicata ai nuovi sviluppi sia dal punto di vista strutturale che progettuale. Si approfondiranno settori dove l’impiego dei compositi è tradizionale come l’industria aeronautica e automobilistica, altri che, come ad esempio il 3D printing, fino a poco temo fa sembravano fantascienza ma che ora vediamo utilizzati nei più svariati settori, dal medicale all’edilizia. I materiali leggeri che permettono la costruzione di strutture resistenti ed economicamente convenienti. Il carbonio per fabbricare aerei sempre più grandi e sempre meno inquinanti insieme ai compositi di origine naturale che sono ormai utilizzati su grande scala. Compotec 2014 sarà la possibilità di contatti con un pubblico di grande competenza e una full immersion nelle tecnologie più avanzate e nelle applicazioni più innovative. Compotec si rivolge ad un pubblico altamente qualificato e internazionale e si qualifica come evento di estrema importanza in Italia per la qualità dei prodotti esposti e per il grande interesse dei convegni e delle presentazioni aziendali. I temi trattati nella prossima edizione sono:

bili, già accettate in molte applicazioni, insieme alle resine naturali sono prodotti che saranno fondamentali nel futuro dell’industria dei compositi.

PROGETTAZIONE E PROCESSI La progettazione riguarda direttamente la struttura dei compositi. I processi produttivi per diventare di massa necessitano di essere automatizzati al massimo anche con il supporto della robotizzazione. Alla fine dei processi produttivi sono necessarie speciali procedure di controllo per assicurarsi che il prodotto corrisponda ai parametri richiesti.

APPLICAZIONI L’industria aeronautica e automobilistica richiederanno sempre più spesso peso ridotto e migliori prestazioni. Il carbonio conoscerà una continua crescita se pensiamo che gli aerei sia passeggeri che cargo sono costruiti per più del 50% con questo materiale e che le automobili e in generale tutti i mezzi di tra-

sporto, hanno come imperativo la riduzione dei consumi energetici che significano utilizzo dei materiali compositi. L’evento espositivo sarà accompagnato da un programma convegnistico all’interno del quale tecnici e ricercatori presenteranno nuove applicazioni e saranno a disposizione del pubblico per discuterne con il pubblico. I temi trattati saranno: • processi, design, produzione, riciclaggio • produzione di massa: aeronautica, automotive • biocompositi, materiali di origine naturale e soluzioni già entrate in produzione • soluzioni alternative e innovative per materiali e prodotti eco sostenibili • termoplastici, soluzione per l’industria automobilistica. Nuovi materiali e prodotti • edilizia, applicazioni strutturali. utilizzo nelle costruzioni anti sismiche, nel restauro e nel rinforzo. ■

I MATERIALI I materiali termoplastici sono sempre più utilizzati per nuove tecnologie e sempre più sono parzialmente bio degradabili. Le fibre naturali, indispensabile base di partenza per i compositi ricicla-

Compositi

Alumotive 2014 In mostra le novità per il primo equipaggiamento nell’automotive Per la prima volta il salone delle soluzioni innovative, componenti e materiali tecnologici per il primo equipaggiamento del settore trasporti sarà ospite a Verona, dall’11 al 13 giugno 2014, nell’ambito di Metef, la vetrina biennale dedicata all’industria internazionale dell’alluminio e dei metalli tecnologici. Alumotive presenterà attraverso le aziende espositrici tutte le novità e le soluzioni innovative dedicate ai fornitori di primo equipaggiamento per veicoli commerciali, veicoli industriali, macchine agricole, macchine per il movimento terra, metropolitane e treni. L’importanza di questa manifestazione è testimoniata, anche se con largo anticipo sull’apertura delle sue porte, dalle numerose conferme di sponsorizzazioni e degli special guest, dove spiccano nomi eccellenti dell’industria; sono infatti confermati Silver Sponsor di Alumotive le aziende OMR – Officine Meccaniche Rezzatesi, Walter,

Streparava, Zanardi Fonderie, mentre sono Special Guest nell’area espositiva di Veronafiere nomi come BAI, Iveco Astra, Magneti Marelli – Divisione Sistemi e Sospensioni, Cromodora Wheels, Fiat Group Purchasing, Centro Ricerche Fiat , Scattolini e Carraro Drive Tech. Alla importante questione dell’alleggerimento nel campo dei trasporti è dedicata una nuova iniziativa, organizzata dal comitato tecnico di METEF e battezzata “Save the Weight”, che occuperà un’area specifica all’interno di Alumotive ed avrà come finalità la valorizzazione dei casi di eccellenza di risparmio di peso dei veicoli. “Save the Weight” è promossa in collaborazione con il Cluster for Lightweight Design (Leichtbau-Cluster, LC), un network di aziende, centri di ricerca e fornitori di servizi dedicati ad assistere e promuovere cooperazione industriale nel comparto del lightweight design. Comunicazione e internazionalizzazione

sono le parole chiave di Metef e Veronafiere, grazie alla rete di delegazioni in 60 Paesi del mondo, individuerà i buyers specializzati, offrendo servizi avanzati di Trade Matching. Nel frattempo è partito un Roadshow di promozione che quest’anno toccherà varie città del mondo, dal Brasile agli Stati Uniti, dalla Turchia alla Germania, per la presentazione dell’evento.

MADE Expo

Sempre più internazionale Si è chiusa con 211.105 presenze, di cui 35.619 dall’estero, la sesta edizione di MADE expo, svoltasi lo scorso ottobre: un risultato importante per tutto il sistema costruzioni. Le vere protagoniste di MADE expo sono state le 1.432 aziende italiane e internazionali, che hanno presentato prodotti ad alto contenuto tecnologico e innovativo ad un pubblico specializzato e internazionale. Grande successo per lo spazio IBL – International Business Lounge, dove le imprese hanno sviluppato importanti occasioni di business con oltre 1.000 matching tra operatori provenienti da tutto il mondo. A completare i momenti di business un vasto programma di aggiornamento professionale con oltre 200 appuntamenti tra eventi speciali, iniziative, workshop e convegni, che hanno toccato tutti gli aspetti più importanti del mondo delle costruzioni. Sono state presentate soluzioni costruttive e tecnologie innovative, materiali performanti e attrezzature all’avanguardia, occasione di aggiornamento pro-

Compositi

fessionale, tecnico e normativo per gli operatori alla ricerca di sistemi sostenibili e ad alta prestazione. Sono state inoltre presentate soluzioni per valorizzare gli edifici esistenti e di nuova costruzione ed aumentarne il comfort energetico e la qualità degli interni: additivi, isolanti, rinforzi, fibre e le migliori pitture decorative made in Italy. Obiettivo: risanamento e recupero, consolidamento e isolamento termico-acustico. Grande spazio ai temi della sostenibilità e dell’efficienza energetica, declinati soprattutto nei comparti dell’involucro e dell’integrazione degli impianti. Sono stati al centro di momenti di approfondimento anche il mondo dell’interior design e del contract. E ancora, la riqualificazione urbana, la tutela e manutenzione del territorio e delle infrastrutture, la sicurezza degli edifici e dei cantieri. L’appuntamento con MADE expo è per il 2015: la manifestazione diventa infatti biennale e tornerà nell’anno del grande evento internazionale di Expo 2015.

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

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

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

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

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

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

La sicurezza e l’estetica...

Mapewrap EQ Dekor Carte da parati antisismiche. Prodotti innovativi che coniugano sicurezza ed estetica Mapei propone oggi Mapewrap EQ System, un nuovo sistema di protezione sotto forma di “seismic wallpaper”. Il sistema è composto da un rivestimento in tessuto bidirezionale in fibra di vetro (Mapewrap EQ Net), che viene applicato con un adesivo monocomponente all’acqua ad alta tenuta (Mapewrap EQ Adhesive). Mapewrap EQ System aderisce perfettamente ai supporti intonacati e garantisce stabilità, leggerezza e flessibilità strutturale. E per chi desidera coniugare l’azione antisismica con gli effetti estetici offerti da una carta da parati c’è EQ Dekor, un rivestimento dalla duplice funzione protettiva e decorativa. Nato dalla collaborazione tra Mapei e Inkiostro Bianco, azienda di Sassuolo che produce carta da parati, EQ Dekor è un rivestimento che minimizza il rischio di distaccamento di componenti delle pareti in caso di sisma, prolungando così il tempo di evacuazione degli edifici. I rivestimenti EQ Dekor sono tessuti in fibra di vetro stampati e possono essere lasciati a vista come carta da parati, scegliendo gli effetti decorativi desiderati. Incollati a parete o a pavimento su uno strato di EQ Dekor Adhesive, assicurano la protezione dal collasso delle pareti secondarie. Interpretati in maniera creativa da Inkiostro Bianco e decorati con una varietà di 60 grafiche e decori, questi tessuti costituiscono delle vere e proprie “seismic wallpaper” coniugando la sicurezza con un eclettico gusto estetico.

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