Si dice che l’utilizzo dei compositi sia trasversale a tutti i settori industriali. Questo a causa della loro adattabilità alle diverse situazioni e della relativa facilità di combinazione con altri materiali per servire a scopi specifici e mostrare proprietà desiderabili. Cerchiamo di analizzarne l’impiego in alcuni settori maggiormente strategici
di Simonetta Pegorari
Aeronautica
I primi componenti aeronautici in compositi strutturali, introdotti negli anni 1950-60, erano realizzati in GFRP. Successivamente, a causa dell’elevata resistenza e rigidità combinate con la bassa densità, i compositi di fibra di carbonio (CFRP) sono stati preferiti.
Le applicazioni per gli aerei commerciali e militari, elicotteri, droni ecc. rappresentano gli utilizzi più importanti dei compositi. Gli aerei, a differenza di altri veicoli, devono porre maggiore enfasi sulla sicurezza e sul peso utilizzando materiali con elevate proprietà specifiche.
I compositi rinforzati con fibra di vetro e soprattutto con fibra di carbonio, sono i materiali più utilizzati come risultato di una tecnologia avanzata che è andata oltre il design e l’applicazione.
Nei casi in cui i valori elevati dei moduli di elasticità sono meno importanti, la fibra di vetro è l’opzione naturale; tuttavia, l’uso è limitato alle basse temperature, solitamente inferiori a 121°C.
L’uso di compositi rinforzati con fibre è diventato un’alternativa sempre più allettante ai metalli convenzionali per molti componenti aeronautici principalmente a causa della loro maggiore resistenza, durata, resistenza alla corrosione, resistenza alla fatica e caratteristiche di tolleranza ai danni. I compositi offrono anche una maggiore flessibilità perché il materiale può essere adattato per soddisfare i requisiti di progettazione e offrono anche significativi vantaggi in termini di peso. Le singole parti in composito sono circa il 20-30% più leggere delle loro controparti metalliche convenzionali. Gli aeroplani (quasi) interamente in composito sono ora una realtà, i progressi nell’uso dei materiali compositi dovrebbero consentire un’ulteriore riduzione del peso strutturale dell’aeroplano. Le fibre più usate sono il carbonio, l’aramide (Kevlar), il vetro e i loro ibridi. La matrice di resina è generalmente un sistema a base epossidica che richiede temperature di indurimento comprese tra 120° e 180°C (250° e 350°F).
Per i velivoli leggeri e i componenti strutturali poco caricati, la GFRP è diventata uno dei materiali standard. Per le applicazioni non strutturali negli interni, come cappelliere, pannelli delle pareti laterali, soffitti, cambuse, pareti divisorie, rivestimenti del pavimento del carico, ecc. sono spesso realizzati in materiali compositi rinforzati con fibre naturali.
Le prassi del traffico aereo stanno cambiando radicalmente e le nuove applicazioni devono essere al servizio delle nuove tendenze. L’impegno dell’aeronautica è nei confronti del cambiamento climatico con una crescente domanda di applicazioni e metodi di produzione sostenibili per ridurre l’impronta globale.
Trasporti
Nell’industria dei trasporti, su gomma o su rotaia, i compositi sono ovunque. Il rapporto resistenza-peso è superiore rispetto ad altri materiali. La loro rigidità e l’economicità offerta, oltre alla facile disponibilità di materie prime, li rendono la scelta ovvia per le applicazioni nei trasporti di superficie.
Nei veicoli per il trasporto pesante, i compositi GFRP vengono utilizzati nella lavorazione di componenti con un rapporto costo-efficacia. Mentre gli epossidici rinforzati con fibre di carbonio sono molto utilizzati nelle auto con alte prestazioni e di alta gamma.
Le resine poliestere fibrorinforzate sono state le prime applicazioni dei compositi nel trasporto su strada. Utilizzando una varietà di rinforzi, il poliestere ha continuato ad essere utilizzato per migliorare il sistema e altre applicazioni. Vengono utilizzati diversi metodi di produzione. La selezione del materiale è data dalla natura finale del componente, dal volume richiesto, oltre che dall’economicità e dalla resistenza meccanica. I componenti che necessitano di verniciatura convenzionale sono generalmente realizzati con resine termoindurenti, mentre i termoplastici sono utilizzati per costruire parti stampate e pigmentabili. Il poliestere rinforzato stampato a pressione possiede la capacità di produrre pezzi di grandi dimensioni in volumi considerevoli con un rapporto costo-efficacia.
Nella produzione di parti non strutturali delle auto, le fibre di vetro, e soprattutto le fibre di origine naturale come lino, canapa e sisal trovano solitamente il massimo utilizzo. I problemi ambientali e la ricerca di materiali riciclabili e meno inquinanti, ha spinto la ricerca per trovare applicazioni in cui le fibre naturali costituiscono il materiale di rinforzo dominante nella resina poliestere, in parti in cui sono richieste proprietà meccaniche specifiche.
Le proprietà finali dei materiali compositi oltre che dalle specifiche proprietà dei costituenti, rinforzo e matrice, sono intrinsecamente legate alle tecniche di fabbricazione dei semiprodotti e dei prodotti finali.
Non basta, perciò, limitarsi a scegliere il tipo di materiali, è di fondamentale importanza considerare le tecniche di associazione dei singoli componenti al fine di garantire la qualità del prodotto.
I costi di produzione dei FRP sono in relazione ai dispositivi e dagli strumenti utilizzati per produrli.
Alcune parti complesse di veicoli commerciali leggeri, possono essere stampate a compressione. Le tecnologie all’avanguardia di stampaggio, lavorazione con utensili e fabbricazione hanno aperto possibilità di una maggiore produzione di veicoli che utilizzano poliesteri rinforzati. Nei veicoli commerciali, anche l’estetica è importante così come l’aspetto funzionale. Poiché un veicolo commerciale è un investimento di capitale, sono i rendimenti di tale investimento che vengono considerati. Il tasso di rendimento dipende dal costo iniziale, dalla durata e dai costi di manutenzione.
La FRP è un vantaggio perché ha tempi di consegna più brevi e il costo degli utensili è notevolmente più economico. I tempi per il lancio di un nuovo modello vengono mantenuti facilmente, poiché il tempo che intercorre tra la produzione e l’introduzione sul mercato può essere perfettamente coordinato.
La resistenza alla corrosione e all’impatto rende i compositi ampiamente utilizzati nei pannelli sotto i paraurti anteriore e posteriore. Il parametro cruciale è la riduzione del peso poiché influisce direttamente sull’efficienza, sul carico utile e sull’economia. La durabilità è il fattore principale in quanto questi veicoli comportano investimenti di capitale. Il tempo richiesto, il costo e la frequenza della manutenzione si aggiungono sostanzialmente ai costi totali. Pertanto, è naturale cercare di ridurre al minimo questi fattori. Il GFRP è ampiamente utilizzato in varie parti dei camion.
Le proprietà a fatica dei materiali e il peso ridotto, la capacità di sopportare le sollecitazioni dovute al calore del motore e le vibrazioni stradali a bassa frequenza sono caratteristiche che favoriscono l’utilizzo dei compositi nei camion e in altri veicoli pesanti. Anche il mercato dei pick-up e rimorchi realizzati GFRP è in crescita. a prezzi competitivi.
Nautica&Tempo Libero
I materiali compositi polimerici sono stati utilizzati in barche, navi, sommergibili, strutture offshore e altre applicazioni strutturali nautiche per circa 50 anni. In questo periodo sono stati compiuti notevoli progressi nella comprensione del comportamento di questi materiali e le strutture su misura in termini di meccanica, termica ecc. Anche le considerazioni sulla lavorazione e sulla produzione hanno ricevuto molta attenzione portando a tecnologie costruttive molto complesse. Si prevede che il mercato dei compositi marini crescerà a un tasso del 7,40% durante il periodo di previsione dal 2022 al 2029. Il recente rapporto di una ricerca di mercato dedicata all’utilizzo dei compositi marini, fornisce analisi e approfondimenti su vari fattori che dovrebbero prevalere durante il periodo di previsione, fornendo al contempo il loro impatto sulla crescita del mercato. La crescente domanda di prodotti per varie applicazioni industriali sta guidando la crescita del mercato dei compositi marini.
La tendenza verso i materiali compositi marini con proprietà migliori rispetto ad altre alternative e la crescente domanda di imbarcazioni e yacht ad alta velocità, a motore e di lusso stanno accelerando la crescita del mercato. I materiali compositi sono ampiamente utilizzati nella produzione di imbarcazioni da diporto con motori più efficienti, con basse caratteristiche magnetiche, migliorate caratteristiche di smorzamento del rumore ed elevato rapporto resistenza/peso, influenzando ulteriormente il mercato. Inoltre, l’aumento degli investimenti, la rapida industrializzazione, le attività di navigazione marittima e il movimento di merci transfrontaliero stanno avendo un impatto positivo sul mercato dei compositi marini.
Il mercato dei compositi marini è segmentato in base a tipo composito, tipo di fibra, tipo di resina e tipo di imbarcazione.
Tuttavia, c’è ancora un’aria di conservatorismo e persino di esitazione specificando soluzioni a base di compositi polimerici per diverse applicazioni. Questo è dovuto a dubbi su nuovi modi di utilizzare materiali esistenti o di utilizzare nuovi e materiali esistenti in nuove applicazioni. Ciò implica la necessità di ulteriori lavori per migliore applicazione e uso di materiali compositi nella nautica.
Le sfide chiave per il futuro sono duplici.
Innanzitutto, sul fronte economico, è necessario garantire che le spese di costruzione e i costi operativi di navi, barche e altri manufatti marini siano ottimizzati. In secondo luogo, con una preoccupazione sempre crescente per la sostenibilità, è importante apprezzare e comprendere i problemi del ciclo di vita da un punto di vista punto di vista dell’impatto ambientale.
Comunque, i materiali compositi sono stati utilizzati dall’industria nautica da lungo tempo e come detto, il loro utilizzo continua a crescere. La mancanza di corrosione, la (relativamente) bassa manutenzione richiesta, la flessibilità di progettazione e la possibilità di produrre parti molto grandi e resistenti in un unico pezzo, hanno contribuito alla diffusione dei compositi. Oltre alle imbarcazioni da diporto, sono state prodotte anche parti di grandi imbarcazioni militari e commerciali e scafi di navi. A bordo delle navi sono utilizzati grandi serbatoi in GFRP per carburante, acqua e merci.
I compositi hanno anche avuto un grande impatto nel settore degli articoli sportivi, sostituendo i materiali tradizionali a un ritmo rivoluzionario. Applicazioni quali aste di mazze da golf, canne da pesca, racchette da tennis, attrezzatura da sci, attrezzature per la nautica, caschi per motorsport e molti altri prodotti per attrezzature sportive vengono ora prodotti quasi esclusivamente utilizzando compositi avanzati. Nella maggior parte dei casi, il cambiamento del materiale si è tradotto in un miglioramento delle prestazioni e della sicurezza degli utilizzatori.
Edilizia&Costruzioni
Quale sarà il futuro dei compositi nell’ambito dell’industria delle costruzioni?
Edilizia e ingegneria civile rappresentano il terzo più grande mercato in crescita per l’industria dei compositi negli Stati Uniti, in Europa le previsioni non sono a questo livello ma sicuramente i compositi polimerici rinforzati in fibra (FRP) vengono utilizzati sempre più frequentemente. Le qualità dei materiali compositi che influiscono maggiormente sulla scelta sono l’elevata resistenza specifica, la possibilità di ridurre i tempi di costruzione, la flessibilità di progettazione e la ridotta manutenzione necessaria.
In questo ambito, tema di grande interesse è il settore opere pubbliche quali a esempio la costruzione di ponti, viadotti e gallerie. La gran parte delle infrastrutture esistenti in Italia, come ponti e gallerie, è stata realizzata nella seconda metà del XX secolo. La vita nominale di progetto delle opere è oramai giunta al limite per effetto, in particolar modo, del degrado e dell’evoluzione delle sollecitazioni che agiscono sulle strutture esistenti. Per tali ragioni sono necessari degli interventi programmati di manutenzione straordinaria con l’impiego di tecniche costruttive e materiali evoluti. I ponti ed i viadotti esistenti su cui non è stata eseguita una costante e corretta manutenzione strutturale, sono generalmente affetti da numerosi fenomeni di degrado dovuti alle azioni ambientali (diverso è il caso degli edifici dove gli elementi resistenti primari sono, in genere, maggiormente protetti dalle intemperie). Al fine di progettare gli interventi di ripristino e di eventuale rinforzo, occorre pertanto considerare con attenzione le effettive condizioni di conservazione del ponte e una sua configurazione di verifica degradata nel caso in cui i fenomeni di ammaloramento esistenti abbiano ridotto la capacità della struttura. Quindi, i materiali compositi sono ampiamente impiegati nel consolidamento e ripristino di strutture esistenti in c.a. e c.a.p. quali possono essere i ponti, i viadotti e le gallerie, per l’adeguamento ai nuovi carichi d’esercizio o per il ripristino di elementi strutturali danneggiati o degradati. I sistemi FRP e SRP presentano un ottimo comportamento anche dal punto di vista della durabilità. Infatti, possiedono un’elevata resistenza alla corrosione, in ambienti ove il calcestruzzo armato normalmente si degrada (per effetto della carbonatazione, attacco acido, azione da parte dei cloruri, gelo e disgelo). I materiali, per essere qualificati, vengono sottoposti a prove di invecchiamento per verificarne la resistenza negli ambienti salino, alcalino e umido, nonché a prove cicliche di gelo-disgelo.
Nella prossima puntata di questa serie dedicata ai materiali compositi, parleremo delle numerose tecnologie per la realizzazione di componenti in composito.
La scelta del processo produttivo dipende sia dalle esigenze specifiche di progetto sia dal materiale, dalla forma e dall’utilizzo finale. Parleremo di compositi termoindurenti e di compositi termoplastici esaminando tipologie, vantaggi e svantaggi delle diverse tecniche di produzione: laminazione, sacco a vuoto, autoclave, ecc. per i termoindurenti e di pultrusione, termoformatura e stampaggio a iniezione per i termoplastici.
