Materiali di impiego aeronautico parte 2

prof. Luigi Mascolo
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Materiali per l’industria Aeronautica
I materiali compositi
Dopo un periodo di relativa stagnazione, dovuta alla contrazione delle commesse militari e, in
ambito civile, alle difficoltà finanziarie incontrate da numerose compagnie aeree a seguito dei fatti del 11
settembre, l’industria aeronautica, come si evince dal sottostante grafico [fonte Alenia Aeronautica, Convegno
“Tecnologia dei materiali compositi”, Torino 04/11/2004], sta ora vivendo un periodo di grande rinnovamento
legato all’uso diffuso e fortemente innovativo, sia in ambito civile che militare, dei materiali compositi.
Questi ultimi, sviluppati negli ultimi 20 anni hanno rivoluzionato il modo di pensare e progettare le
strutture, permettendo di ottenere prestazioni (intese come rapporto peso/resistenza meccanica) altrimenti
irraggiungibili.
Si definiscono compositi, tutti quei materiali, non presenti in natura, caratterizzati da una struttura non
omogenea costituita dall'unione di due o più elementi di differenti caratteristiche chimico-fisiche tali da
renderli diversi, insolubili e separati fra loro. Ciascun costituente mantiene la propria identità senza
dissolversi o fondere completamente nell'altro.
Dal punto di vista strutturale il materiale composito può essere pensato come composto da due
fasi: una fase fibrosa, detta rinforzo, che ha il compito di resistere alle sollecitazioni e da una fase
omogenea, detta matrice, che ha invece il compito di trasferire le sollecitazioni alle fibre stesse.
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Materiali per l’industria Aeronautica
Il prodotto finale è un materiale solido e continuo in grado di garantire proprietà meccaniche elevatissime,
una massa volumica decisamente bassa (il peso è
notevolmente
inferiore
a
quello
di
un
acciaio),
resistente alla corrosione e ai carichi di tipo ciclico
(resistenza a fatica).
L’impiego delle fibre riduce di fatto la probabilità che si
manifestino difetti di tipo strutturale, per cui se, ad
esempio, nel fascio di fibre si verifica una rottura
questa non si propagherà automaticamente a tutto il
materiale, inoltre essendo le fibre immerse nella matrice, le sollecitazioni esercitate su una parte di esse
vengono trasferite a tutta la massa del materiale, che acquisterà in tal modo tenacità e resistenza.
Le caratteristiche dei compositi dipendono, pertanto, dalla natura della matrice e delle fibre e dell'adesione
interfacciale tra fibre e matrice.
I compositi sono oggi largamente usati in diversi settori, in primis in campo aeronautico e aerospaziale per
la costruzione di strutture e parti mobili dell’ala e di fusoliere; in campo navale per la costruzione di scafi
per catamarani, barche a vela, canoe; in campo automobilistico per i pannelli di carrozzeria, telai per auto
di "Formula 1", balestre, parti di motore e accessori vari. Nel settore dello sport questa tecnologia viene
largamente impiegata per sci, bob, racchette da tennis, biciclette, canne da pesca, aste per il salto in alto
ecc…..; in medicina si costruiscono, oggi, protesi di ogni tipo in composito.
Esistono comunque dei limiti che rallentano la diffusione su larga scala dei materiali compositi e che sono
costituiti, oltre che dall’elevato costo di produzione, dalla loro scarsa resistenza superficiale all'usura e ai
carichi concentrati e a diverse problematiche di smaltimento e riciclaggio.
Volendone sintetizzare i vantaggi e gli svantaggi in una tabella riepilogativa si ottiene:
VANTAGGI
•
SVANTAGGI
Leggerezza e quindi ridotto consumo di carburante
•
Elevato costo
rispetto alle strutture convenzionali
•
Mancanza di esperienza consolidata nell’utilizzo
•
Resistenza alla corrosione
•
Difficoltà di giunzione con pezzi metallici
•
Eccellente comportamento a fatica
•
Suscettibilità agli agenti atmosferici
•
Possibilità di produrre pezzi con geometrie
•
Scarsa resistenza superficiale all'usura e ai
complesse
•
•
carichi concentrati
Possibilità di progettare il materiale per il tipo di
•
Complesse tecniche di ispezione
sollecitazione orientando le fibre
•
Problemi di smaltimento e riciclaggio
Riduzione del numero di pezzi da assemblare
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6.1
Materiali per l’industria Aeronautica
Principali tipi di fibre
Le fibre sono costituite da corpi solidi resistenti di forma allungata, aventi dimensione longitudinale
prevalente su quella trasversale ed hanno il compito di fornire resistenza e rigidezza al composito.
La maggiore o minore capacità del composito di resistere ai carichi esterni è legata all’orientamento delle
fibre che preferibilmente dovranno essere disposte secondo le direzioni di massima sollecitazione.
Per ottenere caratteristiche di continuità e resistenza le fibre si riuniscono in fili a fibre parallele o
attorcigliate. Un determinato numero di fili viene quindi attorcigliato a trefolo. I trefoli, a loro volta,
possono essere intrecciati fra loro originando i tessuti che possono essere di vario tipo: a fili biassiali,
triassiali, oppure a maglia.
Si fa notare che i tessuti differiscono per la disposizione
delle fibre, ma la loro giacitura è bidimensionale, cioè
disposte su un unico piano. E’ possibile, inoltre, realizzare
tessuti
nei
quali
l’intreccio
dei
fili
avviene
tridimensionalmente nello spazio, secondo le direzioni di
massima sollecitazione. Prima di essere impregnati nella
matrice i tessuti vengono tagliati secondo la forma e le
dimensioni previste.
Le principali fibre comunemente impiegate in campo aeronautico sono quelle di vetro, carbonio, boro,
aramidiche (kevlar) e le fibre ceramiche.
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Fibre di Vetro
Vengono ottenute per trafilatura dando luogo a fili piuttosto lunghi che trattati
(1946)
chimicamente, per migliorare le caratteristiche di scorrevolezza, vengono avvolti a bobina
su un fuso e messi in commercio. Le fibre di vetro hanno come caratteristiche positive un
basso costo di produzione, elevata resistenza meccanica e bassa densità, come
caratteristiche negative un basso modulo di elasticità e bassa rigidità, che comportano
elevate deformazioni sotto l’applicazione di carichi. In campo aeronautico le fibre di vetro
vengono impiegate con resine poliestere (vetroresina) per la sportelleria , carenature, …..
Fibre di Boro
A parità di densità con le fibre di vetro , le fibre di boro offrono un modulo di elasticità 5
(1965)
volte maggiore, una elevata durezza, un alto punto di fusione e una moderata resistenza
alla corrosione. Tuttavia la tecnologia di fabbricazione delle stesse è molto costosa,
fattore che insieme alla sua alta densità, ne ha determinato un sostanziale abbandono.
Fibre di Carbonio
Sono subentrate alle fibre di boro a causa del loro alto costo e della poco attitudine a
grafitico
lasciarsi plasmare su forme e stampi. Sono attualmente quelle di maggiore impiego nel
(1964)
settore aerospaziale perché presentano ottime qualità quali un basso peso specifico , un
basso coefficiente di dilatazione, un’alta resistenza e un’alta rigidezza specifica.
Fibre
aramidiche
Il kevlar è una fibra aramidica ad alta tenacità nettamente superiore alle alte fibre dal
(Kevlar)
punto di vista della resistenza all’impatto e per quanto riguarda la propagazione delle
(1975)
cricche e per le sue qualità di smorzamento delle vibrazioni.
Ha inoltre la più alta
resistenza specifica alla trazione ed un basso peso specifico e pertanto trova largo
impiego nella costruzione di strutture aeronautiche secondarie e semiportanti quali bordi
di attacco di ali, impennaggi, cellule motore, serbatoi,.. ecc… Inoltre per queste
caratteristiche, in forma di tessuto, sui utilizza nella produzione di giubbotti antiproiettile e
nelle funi ad alta resistenza.
Fibre
ceramiche
(carburo di silicio)
Si tratta di fibre in carburo di silicio, che essendo di natura ceramica possiedono
un’elevata resistenza meccanica e sono trasparenti alle onde elettromagnetiche nella
banda radar. Tali fibre possono essere distribuite uniformemente in matrici di lega leggera
di alluminio, consentendo di ottenere un incremento di rigidezza del 50% rispetto a quella
del materiale metallico di base. A tale caratteristica, però, si somma una certa fragilità
dovuta ad una bassa deformabilità.
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Materiali per l’industria Aeronautica
Principali tipi di matrici
Per poter sfruttate al meglio le caratteristiche resistenti delle fibre, quest’ultime vengono “affogate”
in una matrice che, agendo come un materiale di riempimento, è inizialmente allo stato di fluido viscoso
per poter riempire tutti gli spazi ed aderire perfettamente alle fibre, per poi subire un processo di
solidificazione
che
consente
di
dare
stabilità e geometria alla struttura.
Il compito fondamentale della matrice è
quello di trasferire alle fibre i carichi
applicati. Le forze di sollecitazione sulle
fibre, se ipotizziamo perfetta aderenza tra
fibre e matrice e quindi assenza di
scorrimento
puramente
reciproco,
di
taglio.
sono
Ovvero
forze
la
trasmissione dei carichi avviene per effetto
di tensioni tangenziali . Ovviamente la
matrice assolve anche ad altre funzioni
quali quelle di mantenere le fibre in
posizione, proteggere la superficie delle fibre da danni e dalla corrosione.
Le matrici possono essere di diverso tipo e classificate in funzione del valore delle temperature massime di
impiego alle quali possono essere adoperate senza
dover subire fenomeni di degradazione. I valori di
tali temperature di utilizzazione sono direttamente
collegati a quelle delle velocità di volo dei velivoli
sui quali le matrici stesse vengono utilizzate. In
funzione dei campi di temperatura citati si hanno
matrici con temperature di lavoro inferiore a 150
°C, adatte per impieghi in velivoli con velocità
inferiore a M=1, matrici per temperature comprese tra 150 °C e 250 ° C adatte per impieghi su velivoli con
velocità compresa tra 1<M<2 e infine matrici per temperature superiore a 250°C per velocità oltre M=2.
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I principali tipi di matrici oggi operanti sono quelle polimeriche, metalliche e ceramiche.
1) Matrici polimeriche
Resine epossidiche
costituite da materie plastiche termoindurenti che solidificano con l’innalzamento
Sono costituite da resine
termoindurenti
quali
le
resine epossidiche e quelle
poliestere. Come materiali
della temperatura. Vengono adoperate con le fibre di vetro e quelle di carbonio. Le
matrici epossidiche sono le più importanti poiché risultano quelle che hanno le
proprietà meccaniche migliori, ottima adesione alle fibre, buona resistenza chimica
e una buona stabilità termica.
di rinforzo si impiegano in
genere le fibre di vetro,
Resine poliestere
carbonio o aramidiche.
anche esse sono costituite da materie plastiche termoindurenti, hanno discrete
caratteristiche meccaniche fino a 250 °C, vengono adoperate specialmente insieme
alle fibre di vetro, dando luogo alal vetroresina, e sono caratterizzate da un basso
costo di produzione.
2) Matrici metalliche
Sono realizzate con l’alluminio, il magnesio, il titanio, e impiegano come elementi di rinforzo le fibre di carbonio o di
boro. Hanno caratteristiche migliori di quelle polimeriche ma risultano molto più pesanti.
I problemi più rilevanti nell’utilizzo di tali matrici sono relativi all’interfaccia con le fibre, che richiede l’uso di metalli
che sono liquidi a temperatura non compatibili con l’integrità delle fibre. Per facilitare l’operazione ed evitare danni,
il metallo viene interposto tra le fibre sotto forma di polveri o fogli sottili.
3) Matrici ceramiche
Le matrici ceramiche sono costituite da carburi, nitruri di silicio e ossido di alluminio. Si tratta di materiali refrattari,
difficilmente fusibili, che permettono di superare il limite costituto dalle elevate temperature , infatti mantengono
le loro caratteristiche fino a 2000°C . Hanno però una bassa tenacità (fragili) che viene compensata dalle fibre di
rinforzo. I compositi ceramici vengono studiati per essere impiegati nella costruzione di parti calde, il cui
funzionamento avviene a temperature dell’ordine di oltre 1000 °C: componenti di motori automobilistici ed
aeronautici, ugelli di scarico, ed in campo trans-atmosferico, per strutture di rivestimento, come il muso ed i bordi
d’attacco delle navette spaziali.
6.3
Dalla lamina al laminato
Un laminato metallico è un materiale ibrido costruito alternando fogli di composito e di metallo, ad
esempio, fogli di alluminio a strati unidirezionali di fibre di vetro impregnati con adesivo a base epossidica
(vetroresina). Gli strati alternati vengono poi
depositati in uno stampo che segue la forma
della parte a curvatura singola o doppia.
Completata la laminazione, viene applicato un
sacco, tirato il vuoto ed effettuata la cura in
autoclave. Un esempio molto importante di recentissima applicazione è il GLARE.
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Il GLARE, appartenente alla categoria dei Fibre Metal Laminates, è un laminato ibrido composito/metallo
che, grazie alle sue eccellenti proprietà, avrà in futuro un impiego sempre più diffuso. Anche l’Airbus, nella
progettazione e produzione del “super jumbo” A380 ha sposato la filosofia dei materiali compositi,
realizzandone la fusoliera in GLARE. Tale materiale è costituito dalla stratificazione di sottili lamiere di lega
di alluminio e lamine in composito (vetro, aramidico, carbonio) e presenta eccellenti prestazioni in termini
di riduzione del peso ed aumento della resistenza alla fatica, al fuoco, all’umidità ed agli impatti.
il GLARE è un laminato ibrido composito/metallo
Airbus A380: i pannelli di fusoliera sono realizzati in GLARE
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6.4
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Le strutture a sandwitch (metallo -nido d’ape)
La struttura a sandwitch è un particolare materiale composito costituito da due fogli (lamiera o
laminato) chiamati “facce” separati da un’anima interna chiamata “cuore o core” , che può essere costituita
da schiuma di plastica espansa, balsa, compensato con struttura a nido d’ape (cioè con struttura a celle
esagonali). In una struttura sandwich il
compito dell’anima e dunque quello di
mantenere le facce alla distanza prescritta
mentre le facce devono resistere sia a
trazione che a compressione senza che si
verifichino rotture o distorsioni. L’unione
delle facce al cuore avviene attraverso un
adesivo (materiali polimerici tipicamente
termoindurenti e generalmente in forma di film). La struttura sandwich può essere realizzata sia sotto
forma di pannelli , oppure può costituire la struttura finale, come nel caso di un impennaggio o di una
superficie mobile di piccole dimensioni;
6.5
Produzione dei materiali compositi
Le parti strutturali in materiale composito vanno sempre più diffondendosi e la loro realizzazione, in campo
aeronautico, viene effettuata secondo processo produttivi che devono garantire le seguenti condizioni:
•
Dare il dovuto orientamento agli strati delle fibre sovrapposte, rispettando la geometria del pezzo;
•
Rispettare le condizioni di temperatura e pressione del processo di polimerizzazione, realizzando
livelli minimi di porosità interna ed il grado di finitura superficiale richiesto.
•
la massima economicità
La scelta del metodo più conveniente è legato alla geometria e alle dimensioni del pezzo da costruire e
dipende dalle caratteristiche di resistenza strutturale che il pezzo dovrà possedere in opera.
Le tipiche di strutture composite in campo aeronautico sono quelle ottenute attraverso:
1.
Polimerizzazione su stampo in autoclave (laminato solido)
Viene utilizzata per manufatti di superficie estesa, piana o curva e di forma aperta. La realizzazione
avviene disponendo il materiale preimpregnato di partenza in stampi aperti (stampi di laminazione)
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che vengono successivamente trattati in autoclave, con un processo di polimerizzazione a pressioni e
temperatura determinate.
2.
Polimerizzazione in forno
Le parti costruttive poco impegnative, alle quali è richiesta una resistenza strutturale poco elevata,
vengono realizzate mediante processi di polimerizzazione in forno a pressione atmosferica, senza
compressione. L’azione meccanica di compattamento del materiale è dovuta alla depressione
realizzata nel sacco di nylon a tenuta che contiene il materiale. Tale procedimento è più semplice,
ma meno costoso del precedente.
3.
Filament Winding
La lavorazione viene realizzata da macchine avvolgitrici, nelle quali un mandrino di forma opportuna
viene mosso da un motore elettrico e sul quale viene avvolta la fibra, impregnata di resina. Durante
l’avvolgimento si verifica la polimerizzazione. Tale tecnica si presta bene per realizzare parti
caratterizzate da superfici ad andamento cilindrico o parti di forte allungamento, a sezione
trasversale, ma non circolari (profili alari per pale d’elicottero ), radome dei velivoli supersonici,
costruzione di serbatoi in pressione e in tutti quei casi in cui le tensioni principali sono di tipo
circonferenziale.
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