Compositi polimerici strutturali per l`ingegneria industriale: realtà e

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Compositi polimerici strutturali per l’ingegneria
industriale: realtà e sfide tecnologiche
Alessandro Pegoretti
Università di Trento, Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e Tecnologie Industriali
via Mesiano 77, 38050 Trento - ITALY
Schema della lezione
Introduzione
Le fibre
Le matrici
I compositi
Le applicazioni
- sett. aeronautico
- sett. aerospaziale
- turbine eoliche
A.Pegoretti
COMPOSITI STRUTTURALI PER L’INGEGNERIA INDUSTRIALE
Introduzione
A.Pegoretti
Definizione di materiale composito
In un materiale composito si possono generalmente riconoscere una fase
continua (matrice) e una o più fasi disperse (in forma di fibre o particelle).
Le superfici di contatto fra le varie fasi costituenti il composito sono dette
interfacce.
In molti casi, è stata verificata anche la presenza di una sottile ma distinta
interfase.
o particella
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La microstruttura dei materiali compositi particellari
Epossidica - particelle di vetro
Gomma - particelle di carbon black
T.Kawaguchi and R.A. Pearson, Polymer, 44, 4239 (2003)
Goodyear Tire & Rubber Company
in Callister WD, Scienza e Ingegneria dei Materiali: una
Introduzione, Edises Napoli, 2008, p 582.
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La microstruttura dei materiali compositi fibrosi
J Polymer® - fibre di carbonio
S.Incardona et al., Comp.Sci.&Techn. 47, 43 (1993)
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Classificazione dei materiali compositi
I materiali compositi a matrice polimerica vengono solitamente classificati in
base alla tipologia (forma ed orientamento) della fase discontinua secondo il
seguente schema:
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lamine
Campbell FC. Manufacturing Processes for Advanced Composites. Elsevier, Oxford UK, 2004.
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laminati
Callister WD, Scienza e Ingegneria dei Materiali: una Introduzione,
Edises Napoli, 2008,.
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Campbell FC. Manufacturing Processes for Advanced Composites.
Elsevier, Oxford UK, 2004.
Laminati epossidica - fibre di carbonio
Fotografie al microscopio elettronico
di un laminato epossidica-carbonio
Nicoli F. Pogettazione, fabbricazione e caratterizzazione di un fissatore esterno innovativo in materiale composito. Tesi di Laurea
in Ingegneria dei Materiali. Università degli Studi di Trento AA 2000-2001
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Pannelli sandwich
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Le fibre
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Le fibre
Es: fibre di carbonio
matasse
tessuti
fibre
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Le fibre
Proprietà meccaniche delle fibre
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Le fibre
Proprietà meccaniche delle fibre
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Le matrici
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Le matrici
Polimeri lineari, ramificati o reticolati
Callister WD, Scienza e Ingegneria dei Materiali: una Introduzione, Edises Napoli, 2008,.
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Le matrici
Polimeri termoplastici o termoindurenti
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Le matrici
Le matrici termoindurenti
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Le matrici
Le matrici termoindurenti
E [GPa]
Resina 0 cicli
Resina 5 cicli
3.0±0.1
2.8±0.3
b
[MPa]
60±5
32±5
deformazione
[ %]
2.130±0.085
1.124±0.170
Energia rottura
[kJ/m3]
663±21
183±51
Caratteristiche meccaniche resina MC102/WH102/IG847, normativa UNI EN ISO 527-4,
prove a secco e dopo 5 cicli di sterilizzazione in autoclave a 1 2 0 ° C .
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Le matrici
Le matrici termoindurenti più utilizzate sono le
resine poliestere insature e quelle epossidiche
Proprietà
poliestere insature
epossidiche
Density (g/cm3)
1.1 - 1.4
1.2 - 1.3
Temperatura di transizione vetrosa (°C)
70 - 150
60 - 230
Modulo elastico (GPa)
2.0 - 4.4
2.8 - 4.1
Resistenza (MPa)
35 - 100
55 - 130
Assorbimento di acqua (% in 24 h)
0.15 - 0.6
0.08 - 0.15
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I compositi
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I compositi
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I compositi
Alcune esempi:
vetro-epossidica
direzione longitudinale
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grafite-epossidica
direzione longitudinale
I compositi
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I compositi
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Materiale
Modulo
(GPa)
Resistenza
(MPa)
Densità
(g/cm3)
Carbonio-eposs.
T300 (Vf=0.60)
148
1300
1.50
Carbonio-eposs. IM6
(Vf=0.66)
206
3500
1.60
Aramidica-eposs.
Kevlar49 (Vf=0.60)
76
1400
1.46
Vetro-epossidica
Eglass (Vf=0.45)
39
1100
1.80
Alluminio
Lega 7075-T6
71
572
2.80
Acciaio - 1020
trafilato
207
420
7.85
Acciaio - AISI4340
normalizzato
207
1280
7.85
I compositi
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I compositi
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I compositi
In molte applicazioni strutturali i materiali sono soggetti a sforzi ciclici (fatica)
prolungati nel tempo:
! max , ! min =max. and min. stresses,
respectively
"! = ! max - ! min = stress range
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I compositi
La resistenza a fatica dei compositi con fibre di carbonio, Kevlar o boro è
superiore a quella di molti materiali per applicazioni ingegneristiche
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Le applicazioni
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Applicazioni
Principali settori applicativi:
- aereonautico
- aereospaziale
- articoli sportivi
- costruzioni civili
- biomateriali
- militare
- produzione di energia (eolica)
- trasporto terrestre
- trasporto marino
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Applicazioni
Settore aeronautico
Gay D, Hoa SV, Tsai SW. Composite Materials. Design and Applications. CRC Press, Boca Raton, 2003
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Applicazioni: settore aeronautico
Attualmente il numero di nuovi aerei commerciali che vengono introdotti sul
mercato - a livello mondiale, sia per trasporto passeggeri che per trasporto merci si aggira su 1100 unità all'anno (questo dato e quelli che seguono non tengono
in considerazione i piccoli aerei, prevalentemente per uso privato).
Due sono i gruppi più importanti - a livello mondiale - che
producono tali velivoli:
il consorzio europeo Airbus e la statunitense Boeing.
dati tratti da TecnoPlast N.6 - SETTEMBRE 2007
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Airbus
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- Airbus Deutschland
- Airbus France
- Airbus UK
- Airbus Spagna
Consorzio Airbus
- circa 58000 addetti distribuiti in 16 siti produttivi
europei e 4 uffici regionali (in Cina, Emirati Arabi
Uniti, Giappone e Usa)
- il fatturato 2006 ha toccato i 26 miliardi di euro
- Il portafoglio ordini attuale ammonta a circa 2500
velivoli, il che equivale alla completa utilizzazione
degli impianti per i prossimi 5 anni.
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Introduzione dei compositi strutturali negli aerei Airbus:
- 1982: spoiler, la parte mobile del timone, i freni aerodinamici del A310-200;
- 1985: piani stabilizzatori per primi (A310-300), seguiti dai flap e dai timoni
orizzontali (A320);
- 2002: serbatoi di combustibile sistemati nei piani di coda e il cono di pressione
posteriore del A340-600;
- oggi: massiccia introduzione dei compositi con l'aereo civile A380 e con quello
da trasporto militare A400M;
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Percentuali di impiego dei compositi strutturali negli aerei Airbus:
- 8% del modello A300 dei primi Anni Settanta
- 10% dell'A320 del 1987
- 11% del A340-600 del 2001
- 25% nell’attuale A380
- 30% per l’ l'aereo da trasporto militare A400M in servizio nel 2009
- 52% modello A350-900 XWB, previsto in servizio nel 2012
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A380 è l'aereo commerciale più innovativo prodotto da Airbus, dotato di due piani
per il trasporto passeggeri (capacità di 555 persone autonomia 15000 km), il cui
primo esemplare è entrato in servizio nel ottobre 2007 per Singapore Airlines
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Airbus A380
cabin cross section, showing
economy class seating
The first completed A380 at the "A380 Reveal" event
in Toulouse, France.
Number built: 14 as of April 2008 - Program cost: 12 billion € - Unit cost: 319.2 million $
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A380 è costituito per circa il 25% in peso da compositi strutturali per un
totale di circa 30 ton, utilizzati per parti di ali, sezioni di fusoliera,
impennaggio di coda e porte
-
A.Pegoretti
Nella realizzazione dell’A380 sono utilizzati vari materiali compositi termoindurenti
rinforzati con fibre di carbonio, vetro e quarzo, compositi a matrice termoplastica
(per i bordi di uscita delle ali) e di GLARE (fiberglass reinforced aluminum)
Struttura del GLARE
A380's vertical tail plane
(VTP)
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A400M - military transport & tanker
first flight in 2008 and first delivery in 2009 - Unit cost €100 million
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A350-900 XWB - first flight in 2012 and first delivery in 2013
The A350 will be the first Airbus with fuselage and wing structures made primarily
of carbon fiber reinforced plastic.
Airbus is already promising that fuel consumption for the A350 XWB will be six percent lower
than on the Boeing 787
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XWB vuol significare "extra wide body"; infatti, con un diametro di fusoliera di
quasi 6 metri gratificherà di un comfort eccezionale i passeggeri.
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Tale velivolo sarà costituito per più del 50% in peso da compositi strutturali
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Boeing
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Boeing 787 Dreamliner (i primi esemplari entreranno in servizio a fine 2009)
Boeing 787 Dreamliner Rollout - Seattle, July 8th 2007
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Boeing 787 Dreamliner
Velocità di crociera: 0.85 mach (903 km/h)
Capacità di carico e autonomia
787-3: 24 ton (290 - 330 posti) fino a 5650 km
Costo per unità
787-3: 146–152 million US$
787-8: 157–167 million US$
787-9: 189–200 million US$
Il consumo di carburante sarà del 20% in meno rispetto agli attuali aerei della stessa categoria
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Material breakout on 787
Boeing ha annunciato che ben il 50% in
peso delle strutture primarie dell’aereo sarà
realizzato con compositi strutturali,
comprese le ali e la fusoliera.
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* Composites = 50%
* Aluminum = 20%
* Titanium = 15%
* Steel = 10%
* Other = 5%
cockpit (cabina di pilotaggio)
gli interni
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Large 787 assemblies will be transported to the
final assembly site on board modified 747-400s.
This transport plan will result in saving of 20 to 40
percent over traditional shipping methods and
reduce the amount of time it takes the large parts
to arrive at the final assembly site from as many as
30 days to only one day.
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Development Work on Boeing 787 Noses Ahead (Wichita, Kan.)
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I materiali compositi sono largamente impiegati anche per la produzione di
componenti di elicotteri
AW129 “Mangusta”
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Utilizzo dei materiali compositi negli elicotteri:
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le pale (blades)
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il mozzo rotore (yoke rotor)
A.Pegoretti
Quali sono i vantaggi offerti dai materiali compositi strutturali in aeronautica ?
1) L'importanza dell'uso dei compositi a base polimerica in aeronautica è
direttamente correlata alla riduzione di peso che essi producono quando
entrano in sostituzione dei metalli nella produzione di componenti strutturali
degli aerei. Riduzione di peso significa minor consumo di carburante.
2) Un'ulteriore motivazione gioca a favore dei compositi: confrontando i
costi di produzione di un componente rispetto alla costruzione a base
metallica - allo stato attuale della pratica - si può ottenere una riduzione
fino al 10% del costo finale.
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Applicazioni
Settore aerospaziale
Main data
Height
Diameter
Payload mass*
Ariane 5 ECA
up to 52 m
up to 5.4 m
9.6 tonnes
* into Geostationary Transfer Orbit (GTO)
La riduzione di peso di missili di lancio, space shuttles e satelliti è cruciale:
ogni chilogrammo in meno sul vettore di lancio del satellite Ariane (ESA) consente un
risparmio di circa 30000 US $ !!!
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Applicazioni: settore aerospaziale
Gas storage pressure vessel for launch vehicles or satellites
Configuration
Thin walled spinformed titanium liner
with composite overwrap
Technical data
180 litre volume, 700 mm diameter,
40 kg empy mass
Performance
300 bar MEOP, 600 bar burst
pressure
Test unit
Pressure cycled up to prrof pressure
(50 cycles total) for fatigue testing
MT Aerospace
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Applicazioni
Turbine eoliche
Size of the E 112 rotor blade in comparison to an Airbus 340 (photo courtesy A&R Rotec).
The wingspan of Airbus 340 is about 60 m.
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Turbine eoliche
L’energia eolica è l’energia posseduta dal vento sotto forma di energia cinetica,
la quale può essere sfruttata per la generazione di corrente elettrica. Essa è
rinnovabile in quanto la sua fonte (il vento) è inesauribile e ha un impatto
ambientale molto limitato rispetto ai combustibii fossili.
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Turbine eoliche
onshore
Source: EWEA March 2008
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Turbine eoliche
onshore
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Turbine eoliche
onshore
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Turbine eoliche
onshore
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Turbine eoliche
Wind power continued to be one of the most popular electricity generating technologies in
the EU in 2007, making up 30% of total new power installations.
Since 2000, the EU has installed 155,000 MW of new power capacity percentualmente così
suddivise:
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Turbine eoliche
In Spain, a total of 35,000 jobs related to wind have been created, and 80,000 in Germany.
There are 21,600 jobs of this nature in Denmark. EWEA uses a tentative figure of 150,000
wind energy-related jobs in the EU altogether. According to the EC-funded MITRE project
report, this could more than double by 2020, providing 368,000 new jobs in Europe.
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Turbine eoliche
One country which has already started installing significant amounts of wind
energy is the US, which in 2007 added a record 5.2 GW of capacity to reach
16.8 GW. This accounted for about 30% of the country’s new powerproducing capacity in 2007.
Turbines at Sunset - Indian Mesa, Iraan Tx.
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Turbine eoliche
turbine ad asse verticale (VAWT)
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turbine ad asse orizzontale (HAWT)
Turbine eoliche
turbine ad asse orizzontale (HAWT)
le pale
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Turbine eoliche
Vista dall'alto (a sinistra) e vista frontale (a destra) di una pala per turbina eolica
Struttura di una pala con spar
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Struttura di una pala con web
Turbine eoliche
Sezione di una pala con struttura a
web che evidenzia laminati monolitici
e strutture a sandwich
Schema di una pala che utilizza
ampiamente le strutture a sandwich
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Turbine eoliche
A.Pegoretti
Turbine eoliche
A.Pegoretti
Turbine eoliche
Quali sono i vantaggi offerti dai materiali compositi strutturali nella realizzazione di pale eoliche ?
1) l’ulitizzo dei materiali compositi consente un alleggerimento del rotore
rispetto a manufatti in metallo e quindi una riduzione dei carichi inerziali
associati al movimento rotatorio.
2) Durante la vita utile (circa 20 anni) le pale sono soggette a carichi ciclici
nell’ordine di 109 cicli: la resistenza a fatica dei materiali utilizzati è quindi di
fondamentale importanza.
A.Pegoretti
Turbine eoliche
Solitamente le turbine eoliche producono energia con la massima efficienza quando la
velocità del vento è superiore ai 10-12 m/s e vengono poste fuori servizio quando
essa raggiunge i 20-25 m/s…
Hornslet, Danimarca, 22 febbraio 2008
A.Pegoretti

Compositi polimerici strutturali per l`ingegneria industriale: realtà e

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