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Organo ufficiale di Assocompositi

anno X - numero 36 giugno 2015


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Editoriale

Prof. Roberto Frassine, Presidente Assocompositi

Assocompositi is 10 years old!

Assocompositi compie 10 anni!

Founded in May 2005, our association has just celebrated its 10th birthday. In 10 years the number of members has doubled, rising from 30 to over 60 companies. This result was possible thanks to the efforts and support of all the members, allowing us to develop new technical and promotional activities that we have made us representative of the sector not only in Italy but also internationally. The strong connection with the European Association, which Assocompositi took over as pro tempore Chairman, offers us the opportunity to have a vantage point of view also on community strategies and to anticipate the trends of the global market. We thank all our members for their ongoing support and for the trust. Their increasing involvement in our activities is for us not only a source of personal satisfaction but also a tangible sign that the Association moves in tune with its members.

Fondata a maggio 2005, la nostra associazione ha appena festeggiato il suo decimo compleanno. In questi anni il numero dei soci è raddoppiato, portandosi da 30 a oltre 60 aziende. Questo risultato è stato possibile grazie all’impegno di tutti i soci che hanno continuato a sostenerci permettendoci di fornire servizi sempre nuovi e di sviluppare attività normative, fieristiche e convegnistiche che ci hanno resi rappresentativi del settore non solo in Italia ma anche a livello internazionale. La forte connessione con l’Associazione europea, di cui Assocompositi ha assunto la presidenza pro tempore, ci offre l’opportunità di avere un osservatorio privilegiato anche sulle strategie comunitarie e di anticipare i trend del mercato globale. Ringraziamo tutti i nostri soci per il costante sostegno e per la fiducia che continuano ad accordarci; il loro sempre maggiore coinvolgimento nelle nostre attività è per noi non solo fonte di soddisfazione personale ma anche il segno tangibile che l’Associazione si muove in sintonia con i propri associati.

ERRATA CORRIGE Sul numero 35, edizione di marzo, è stato pubblicato l’articolo “Valutazione non distruttiva di danni da impatto a bassa velocità su laminati compositi sottili” a firma di De Angelis G., Dati E., Marrone M., Bernabei M.. Lo stesso articolo ha visto anche la preziosa collaborazione del Prof. Paolo Guadenzi e del Dott. Luca Lampani del Dipartimento di Ingegneria Meccanica ed Aerospaziale dell’Università “Sapienza” di Roma che hanno anche prodotto, e reso disponibili, i provini in materiale composito indispensabili allo svolgimento dello studio.

Compositi

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Sommario

Anno X – Numero 36 Year X – Issue 36 Giugno 2015 June 2015 Periodicità trimestrale Quarterly review abbonamento Italia € 25,00 abbonamento Estero € 50,00 una copia € 7,00

EDITORIALE

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VITA ASSOCIAZIONE

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Miscele polimeriche di farina di legno con fibre di vetro riciclato Recycled glass fibres in wood flour thermoplastic composites Marco Valente, Jacopo Tirillò, Fabrizio Sarasini

9

Trasporti eco-sostenibili con i compositi termoplastici Eco-sustainable transport with the use of thermoplastic composites Daniela Di Cecco, Francesca Di Paolo, Federica Rossetti

45

Fornitore e cliente 49 Intervista a Gianni Cioni, Marcello Agrati, Michal Simkovic

Ottimizzazione di processi Liquid Composite Molding con analisi numeriche complesse Advanced numerical analyses for Liquid Composite Molding optimization Antonio Gerardi, Annalisa Cassinelli

17

Nuovo paradigma per la previsione della resistenza a fatica dei compositi New paradigm for the prediction of the fatigue strength of the composite materials Marco Regi e Francesco Sintoni

25

Protezioni balistiche in composito a bordo delle navi Composite ballistic protections on ships G. De Luca

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Strategie innovative per la progettazione a fatica di parti strutturali in composito Innovative strategies for the design against fatigue of composite parts Quaresimin M., Zappalorto M., Carraro P.A.

38

Pubblicità e Marketing via Delle Foppette, 6 20144 Milano – Italy tel. +39 0236517115 fax. +39 0236517116 e-mail: marketing@tecneditedizioni.it Progetto grafico impaginazione e fotolito Photo type – setting Bonazzi grafica - Sondrio

Lamborghini punta sulla competenza in-house Intervista a Luciano De Oto

50

Il sistema per il taglio e la finitura con laser CO2 Intervista a Marco Ruozzo

52

Un partner affidabile Intervista a Fabrizio Gindre

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Direttore responsabile Publishing manager Liliana Pedercini

VETRINA

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Coordinamento di redazione Editing Co-ordination Anna Schwarz

Rigidezza equivalente di travi snelle con parete sottile in materiale anisotropo Equivalent stiffness evaluation of anisotropic thin-walled slender beams G. Frulla, E. Cestino

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Specialisti del carbonio anche nel settore medicale Diego Zanolini

65

Speciale Software di progettazione

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50

31 69 56

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

Stampa - Printed by Bonazzi grafica - Sondrio È vietata la riproduzione, anche parziale, senza l’autorizzazione della casa editrice Reproduction even partial is forbidden, without the permission of the publisher

Ufficio Commerciale Sales office Sara Sturla Comitato Tecnico – Scientifico Technical Scientific Committee Luigi Ascione Andrea Benedetti Roberto Frassine Alfonso Maffezzoli Orazio Manni Mario Marchetti Claudio Migliaresi Carlo Poggi Marino Quaresimin Andrea Ratti Giuseppe Sala Antonino Valenza Maurizio Vedani A questo numero hanno collaborato Contributors Marcello Agrati P.A. Carraro Annalisa Cassinelli E. Cestino Gianni Cioni G. De Luca Luciano De Oto Daniela Di Cecco Francesca Di Paolo G. Frulla Antonio Gerardi Fabrizio Gindre M. Quaresimin Marco Regi Federica Rossetti Marco Ruozzo Fabrizio Sarasini Michal Simkovic Francesco Sintoni Jacopo Tirillò Marco Valente Diego Zanolini M. Zappalorto

Compositi

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4° Convegno nazionale Assocompositi

Il 6 e 7 maggio 2015 Assocompositi ha organizzato il suo 4°Convegno Nazionale presso Fiera Milano-Rho nell’ambito di PLAST 2015. Il Convegno, realizzato in collaborazione con Assocomaplast, ha registrato una buona partecipazione di pubblico. Si è svolto in 4 sessioni tematiche (costruzioni/ materiali e tecnologie/trasporti/sostenibilità) e ha dato ai partecipanti la possibilità di visitare sia il Salone PLAST che EXPO Milano 2015. Un sentito ringraziamento va a Mapei e Cefla, sponsor rispettivamente delle sessioni tematiche costruzioni e sostenibilità, e al Comitato scientifico (Prof.L. Ascione, Prof. C. Poggi, Ing. M. Iannone, Prof. M. Quaresimin, Prof. A. Ratti, Prof. V. Carvelli, Prof. A. Maffezzoli) per la preziosa collaborazione. Gli abstract del convegno sono già online nel nostro sito web, mentre gli atti completi (pubblicati con codice ISBN) saranno disponibili a partire da luglio.

Nuovi Soci

Siamo molto lieti di dare il benvenuto a 4 nuovi Soci Ordinari: • Ecodime Italia, società che eroga formazione specialistica per la lavorazione dei materiali compositi (www.ecodimeitalia.com); • DUNA-Corradini SpA, azienda modenese attiva dal 1957 che sviluppa e commercializza poliuretani e resine epossidiche (www.dunagroup.com); • Persico Marine che fornisce una gamma completa di servizi: dalla progettazione al design, alla produzione di prototipi, modelli, stampi, sistemi di automazione e yacht chiavi in mano (www.persicomarine.com); • Tec Eurolab, centro qualificato per il testing sui materiali, dotato delle più moderne attrezzature per poter eseguire analisi accurate su molteplici tipologie di materiale e offrire un supporto tecnico qualificato su materiali, prodotti e processi (www.tec-eurolab.com).

Approvazione Linee Guida FRP

Dopo una lunga gestione, lo scorso 19 febbraio la 1a Sezione del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici ha approvato la tanto attesa Linea Guida dal titolo “Linea Guida per l’identificazione, la qualificazione ed il controllo di accettazione di compositi fibrorinforzati (FRP) da utilizzarsi per il consolidamento strutturale di costruzioni esistenti”. La bozza iniziale era stata predisposta da un apposito Gruppo di Lavoro nominato dal Presidente del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici e composto da: Ing. Pietro Baratono (Coordinatore), Arch. Mario Avagnina, Ing. Antonio Lucchese, Ing. Emanuele Renzi, Prof. Luigi Ascione, Prof. Gaetano Manfredi, Prof. Giorgio Monti, Prof. Antonio Nanni, Prof. Carlo Poggi, Prof. Marco Savoia, Prof. Gianni Royer. Alla sua redazione avevano attivamente partecipato Fornitori e Produttori di FRP afferenti ad Assocompositi. Tale bozza era stata trasmessa dal Coordinatore al Servizio Tecnico Centrale

6

Compositi

nel dicembre 2011. Successivamente il testo della suddetta bozza aveva subito una profonda modificazione sia da parte del Servizio Tecnico Centrale, sia da parte della Commissione Relatrice incaricata dell’affare in vista dell’esame ed approvazione da parte della 1a Sezione del Consiglio Superiore. In occasione dell’adunanza del 26 giugno 2014 la bozza così modificata sollevò vari dubbi e perplessità, tanto che la 1a Sezione ravvisò la necessità di un ulteriore approfondimento da parte della Commissione Relatrice. I lavori della Commissione così integrata sono iniziati in data 12 novembre 2014 e si sono conclusi in data 17 febbraio 2015 pervenendo ad un testo concordato, approvato nella già richiamata adunanza del 19 febbraio 2015, che sostanzialmente ricalca quello originario di quattro anni prima. Per ulteriori informazioni e approfondimenti invitiamo a contattare la nostra Segreteria.

Riclassificazione stirene posticipata a gennaio 2016

È stato pubblicato sulla GUUE L 78 del 24 marzo 2015 il Regolamento (UE) 2015/491 che modifica il Regolamento (UE) n. 605/2014 (6° ATP al CLP) posticipando la sua data di applicazione al 1° gennaio 2016. La modifica si è resa necessaria in quanto il periodo transitorio fino all’applicazione del regolamento (UE) n. 605/2014 è significativamente più breve rispetto a quelli applicati per i precedenti adattamenti al progresso tecnico e scientifico. Dieci mesi sono apparsi insufficienti a consentire agli operatori economici di adattarsi alle nuove regole, alcune delle quali riguardano sostanze chimiche ampiamente utilizzate come la formaldeide e lo stirene, quindi è stata posticipata la data di applicazione del 6 ATP per concedere un periodo transitorio in linea con la prassi dei precedenti adattamenti al progresso tecnico del regolamento (CE) n. 1272/2008. Di conseguenza vengono differiti anche i termini per la redazione dell’aggiornamento del Documento di Valutazione del Rischio al 1° febbraio 2016.

Ultimo stand disponibile per Composites Europe 2015

Assocompositi in collaborazione con Reed Exhibition coordina anche per il 2015 il Padiglione italiano nell’ambito di Composites Europe che si terrà a Stoccarda dal 22 al 24 settembre prossimi. Per i Soci sono previsti stand a prezzi fortemente scontati. Poiché è ancora disponibile un solo stand, in caso di interesse si prega di contattare la nostra Segreteria al più presto.

Report JEC Europe 2015 e novità per il 2016

Per il terzo anno consecutivo Assocompositi ha coordinato il Padiglione italiano all’interno di JEC Europe. L’area collettiva ha ospitato i Soci ICR, CEL, Dear Composites, Compositi Magazine, Mates, Maroso, Quanta e Vetorix. Dal prossimo anno ci saranno grandi cambiamenti per lo show parigino che si chiamerà JEC World e si trasferirà nel quartiere fieristico di Paris Nord Villepinte. Siamo già al lavoro per organizzare un Padiglione Italia tutto nuovo, che avrà un layout innovativo e di grande impatto. Ulteriori aggiornamenti saranno inviati ai Soci da metà giugno.


Proposte espositive per i Soci

Informiamo gentilmente che è ancora possibile aderire alle seguenti offerte espositive scontate riservati ai nostri Soci: partecipazione con l’ICE a Eurasian Composite Show di Istanbul; stand scontati a Composites Meetings che si terrà a Nantes dal 4 al 5 novembre 2015. Per informazioni: info@ assocompositi.it

Prove sperimentali FRP e FRCM

Il Laboratorio Prove Materiali, Strutture e Costruzioni (LPM) del Politecnico di Milano ha recentemente ottenuto l’accreditamento delle prove di caratterizzazione meccanica di materiali FRP e FRCM in accordo a quanto previsto nelle norme ISO/IEC 17025. Per informazioni: www.lpm.polimi.it

Scuola e corso estivo sui compositi dell’Università di Padova

Il Dipartimento di Tecnica e Gestione dei sistemi industriali dell’Università di Padova (Prof. Marino Quaresimin) organizza in luglio 2015 presso la sede di Vicenza i seguenti corsi: Summer School Fatigue and Damage Mechanics of Composite Materials e Experimental Techniques and Testing of Composite Materials. Per ulteriori informazioni: http://static.gest.unipd.it/damageschool2015/

Assemblea dei Soci 2015

Il 22 maggio si è tenuta a Milano l’Assemblea ordinaria dei Soci. Oltre all’approvazione dei bilanci, si sono svolte le elezioni per il rinnovo delle cariche sociali. Altre informazioni sono disponibili presso la nostra Segreteria.

CALENDARIO PROSSIMI EVENTI Fiere

Convegni

JEC Americas Huston 2-4 giugno, USA

ICMAC 2015 24-25 giugno, UK

Paris Air Show 15-21 giugno, Francia

Experimental Techniques and Testing of Composite Materials 9-10 luglio, Italia

JEC Americas Huston 2-4 giugno, USA Paris Air Show 15-21 giugno, Francia

Summer school Fatigue and Damage Mechanics of Composite Materials 13-17 luglio, Italia

CARBON 2015 12-17 luglio, Germania

ICCM20 19- 24 luglio, Danimarca

China Composites Expo 2015 2-4 settembre, Cina

5th ECCOMAS 7-9 settembre, UK

SPE ACCE 2015 8-10 settembre, USA

1st ICC 22-24 settembre, Germania

IBEX 2015 15-17 settembre, USA Composites Europe 2015 22-24 settembre, Germania


Marco Valente, Jacopo Tirillò, Fabrizio Sarasini - Dipartimento di Ingegneria Chimica Materiali Ambiente, Sapienza - Universitá di Roma

Miscele polimeriche di farina di legno con fibre di vetro riciclato Studio delle proprietà meccaniche e della microstruttura dei compositi additivati con farina di legno a base di polietilene a bassa densità (LDPE) modificati con fibre corte di vetro riciclato. Per la miscelazione intima dei costituenti è stato realizzato un impianto nel quale il calore è generato per attrito: valida alternativa a basso costo a processi tradizionali come l’estrusione.

I

compositi additivati con farina di legno (WPCs) stanno riscuotendo un interesse negli ultimi anni in virtù di una crescente attenzione alle problematiche ambientali. L’impiego del legno può aiutare a ridurre l’impatto ambientale delle materie plastiche. Tali compositi sono riciclabili ed ecosostenibili, dal momento che il filler legnoso può essere ottenuto dagli scarti della lavorazione del legno o dalla segatura alla pari della matrice polimerica, la quale non necessariamente deve essere pura ma può derivare da operazioni di riciclo di prodotti a fine vita. I polimeri comunemente impiegati come matrice nei WPC includono il polietilene (sia a bassa che ad alta densità) [1], il polipropilene [2] e il polivinilcloruro [3]. Il mercato globale di tali compositi è stato valutato intorno ai 2,64 miliardi di dollari nel 2012 con previsioni di crescita fino a 5,39 miliardi di dollari entro il 2019, con un tasso di crescita annuale composto (CAGR) pari a 10,8% tra il 2013 e il 2019. I compositi con matrice in polietilene hanno dominato il mercato globale dei WPC nel 2012, con le maggiori applicazioni confinate nel settore delle costruzioni, mentre quelli a matrice in polivinilcloruro mostrano le maggiori prospettive di crescita in virtù del loro crescente impiego nel settore degli infissi. Per quanto riguarda i settori applicativi, quello delle costruzioni ha rappresentato da solo, nel

a

Fig.1: Micrografie SEM di fibre

2012, oltre il 70% del volume totale della richiesta di WPC mentre è il settore automobilistico quello in maggiore espansione [4]. Un altro settore in espansione è quello della nautica. Considerando la forte crescita del settore anche in termini di migliaia di chilometri di pontili galleggianti o di deck in legno con cui sono realizzate la maggior parte delle coperte di imbarcazioni, risulta evidente l’enorme potenziale di questi materiali. Il legno è un materiale versatile, di facile lavorazione e biodegradabile, ma mostra una certa variabilità in termini di qualità unita ad una ridotta durabilità. Inoltre esso tende ad usurarsi con facilità in ambiente marino, a subire l’attacco di microorganismi marini e a supportare la crescita di alghe. Le assi di legno che realizzano il piano di calpestio dei pontili galleggianti possono sformarsi e deformarsi in modo disuniforme causando pericoli durante il passeggio. Per ovviare a tali problemi è necessario prevedere periodiche operazioni di ispezione e sostituzione. Un’alternativa economica e a bassa manutenzione al legno per la realizzazione di ponti galleggianti, pontili e stazioni di ormeggio è rappresentata dai WPC. È possibile conseguire un’ampia gamma di proprietà a seconda della natura dei singoli costituenti e del rapporto polimero/filler. Rispetto al legno, tali WPC mostrano una durabilità superiore in virtù della maggiore resistenza all’umidità, all’aggressio-

b

a

di legno,

b

di fibre di vetro riciclate e

ne da parte dell’ambiente marino, delle muffe, degli insetti unitamente ad una ridotta tendenza alla formazione di schegge. Tra i filler inorganici comunemente utilizzati in queste miscele stampabili a caldo le fibre di vetro ne rappresentano la tipologia maggiormente impiegata e conosciuta anche se sono ormai noti i problemi relativi allo smaltimento dei loro compositi a matrice termoindurente. Una alternativa al conferimento in discarica dei suddetti compositi termoindurenti può essere rappresentata dal riciclo delle fibre di vetro e il loro successivo impiego come filler in WPC, con evidenti vantaggi in termini di impatto ambientale in considerazione del fatto che in Europa circa 150000 tonnellate di scarto a base di fibre di vetro vengono smaltite in discarica ogni anno. MATERIALI E METODI Come matrice è stato utilizzato il polietilene a bassa densità LD 250 fornito dalla ExxonMobil con le seguenti proprietà: MFI = 5 g/10min (190°C/2,16 kg), densità = 0,916 g/cm3, carico di rottura a flessione = 15±1,21 MPa, modulo elastico a flessione = 460±47 MPa, durezza Shore D = 48±0.37 (a temperatura ambiente). La farina di legno di faggio è stata fornita dalla società La.So.Le. Est srl. L’analisi granulometrica ha evidenziato una distribuzione dei diametri nell’intervallo 250-500 µm.

c

c

vergini

Compositi

9


- Miscele polimeriche di farina di legno con fibre di vetro riciclato -

Fig.2: Processo produttivo dei composite ibridi Come filler inorganico è stata usata fibra di vetro E derivante dal riciclo meccanico di manufatti in vetroresina (matrice poliestere) provenienti dal settore automobilistico. Per esigenze di confronto, sono state utilizzate anche fibre corte di vetro E vergini di lunghezza pari a 3 mm. La morfologia dei rinforzi impiegati nella presente sperimentazione è mostrata in figura 1. La resistenza all’umidità dei compositi è stata confrontata con quella di un legno tropicale (Ipê) tradizionalmente impiegato in pavimenti per esterni (decking). Il processo di fabbricazione dei compositi, mostrato in figura 2, si è articolato in due fasi: una prima fase di miscelazione intima dei costituenti che sfrutta le forti azioni di taglio e la rapida velocità di rotazione (~3000 rpm) per generare calore in grado di eliminare l’umidità e fondere la matrice termoplastica ed una successiva fase di stampaggio per compressione della massa omogenea. La tabella 1 riporta la designazione e la formulazione di tutti i materiali realizzati e caratterizzati. Dalle piastre di dimensioni 200 mm × 200 mm × 10 mm sono stati ricavati i campioni (200 mm × 30 mm × 10 mm) per le prove di flessione a quattro punti secondo la norma ASTM D7264 eseguite con una velocità di 2 mm/min ed uno span di 140 mm mediante una macchina di prova universale Zwick/Roell Z010 con cella di carico da 10 kN. Le prove di durezza Shore D sono state eseguite secondo la norma ASTM D2240 con un durometro digitale S1 della Instron mediando 30 misurazioni per ciascuna formulazione a due diverse temperature, temperatura ambiente (23 °C) e 60 °C (±2 °C). La resistenza all’estrazione delle vite è stata valutata secon-

10

Compositi

do la normativa ASTM D1037 utilizzando una vite con lunghezza filettata pari a 18 mm e diametro maggiore pari a 5 mm. Le prove di assorbimento di acqua sono state condotte secondo quanto prescritto dalla norma ASTM D570. Per ciascuna formulazione tre campioni sono stati condizionati per 24h a 105 °C prima di essere immersi in acqua distillata per 2 h e 24 h ad una temperatura di 23±2 °C. Le superfici di frattura dei campioni al termine delle prove di flessione sono state osservate mediante un microscopio elettronico a scansione (SEM) Philips XL40. Prima dell’osservazione al microscopio i campioni sono stati rivestiti con oro mediante sputtering.

RISULTATI E DISCUSSIONE La figura 1a mostra una micrografia SEM della farina di legno utilizzata nella sperimentazione. Essa è formata da fasci di fibre piuttosto che da fibre individuali con rapporti di forma molto bassi (di solito tra 1 e 5). Sebbene un basso rapporto di forma deprima l’efficienza del rinforzo, le prestazioni meccaniche del composito risultante appaiono soddisfacenti per molte applicazioni. Infatti, l’impiego di fibre di legno come rinforzo in materiali compositi a matrice polimerica è ancora nettamente inferiore a quello della farina di legno a causa dei maggiori costi e delle difficoltà di processo che si verificano quando si utilizzano i processi tipici dello stampaggio delle materie plastiche. Le fibre di vetro riciclate (fig.1b) mostrano una morfologia completamente diversa da quelle vergini (fig.1c). Appaiono infatti intimamente aggrovigliate senza però la presenza evidente di danneggiamenti superficiali. Si può notare la presenza di residui della precedente matrice termoindurente sulla superficie delle fibre. La morfologia aggrovigliata delle fibre di vetro riciclate può influenzare in modo significativo le condizioni di processo e le proprietà meccaniche dei compositi ibridi risultanti. La tabella 2 riporta la durezza dei compositi in funzione della temperatura e si può notare come, per i compositi con la sola farina di legno, la durezza aumenti all’aumentare del tenore di filler. Tale incremento risulta maggiormente evidente all’aumentare della temperatura, ove la matrice polimerica subisce un rammollimento mentre la farina di legno non risulta subire modificazioni fino a 60 °C. La presenza delle fibre di vetro comporta un ulteriore miglioramento della durezza

Composite sample code

LDPE content

Wood flour content

Glass fibre content

LDPE80W20

80

20

-

Recycled glass fibre content -

LDPE65W35

65

35

-

-

LDPE50W50

50

50

-

-

LDPE35W65

35

65

-

-

LDPE45W45V10

45

45

10

-

LDPE40W40V20

40

40

20

-

LDPE60W30V10

60

30

10

LDPE50W30V20

50

30

20

-

LDPE60W30R10

60

30

-

10

LDPE50W30R20

50

30

-

20

LDPE45W45R10

45

45

-

10

LDPE40W40R20

40

40

-

20

Note. LDPE, W, V and R codes stand for low-density polyethylene, wood flour, virgin glass fibres and recycled glass fibres, respectively

Tab.1: Formulazioni dei compositi additivati con farina di legno (percentuale in peso)


- Miscele polimeriche di farina di legno con fibre di vetro riciclato soprattutto ad alta temperatura mentre non si notano differenze significative tra i contributi offerti dalle fibre di vetro vergini e riciclate. I risultati della caratterizzazione a flessione dei compositi sono invece mostrati nella figura 3. Come commento generale, la resistenza a flessione tende ad aumentare al diminuire del tenore di farina di legno ed anche la presenza di fibre di vetro non risulta essere benefica. Si notano miglioramenti sono nel caso dei compositi ibridi rispetto ai compositi con i tenori maggiori di farina di legno (65 % in peso) anche se non sufficienti per superare le resistenze mostrate dai compositi con bassi tenori di farina di legno (LDPE80W20). Tale comportamento è caratteristico dei compositi a matrice termoplastica con fibre corte e particelle, specialmente nel caso di rinforzi lignocellulosici [7]. In tali compositi il processo micromeccanico principale responsabile della deformazione è il debonding. La diminuzione della resistenza a flessione è perciò da ascrivere alla debole interfaccia tra polimero e rinforzo (farina di legno e fibra di vetro) che rende inefficace il trasferimento degli sforzi dalla matrice alle fibre. Le fibre di vetro riciclate forniscono valori di resistenza confrontabili con quelli offerti dalle fibre vergini, sottolineando ancora una volta come le operazioni di riciclo non abbiano influenzato negativamente l’efficienza di rinforzo delle fibre di vetro anche se risulta necessario l’utilizzo di un adatto compatibilizzante tra polimero termoplastico e fibra di vetro. Il modulo elastico al contrario ha evidenziato un notevole aumento in funzione del tenore di entrambi i rinforzi anche se con risultati migliori nel caso dell’aggiunta delle fibre di vetro, sia vergini che rici-

Fig.3: Resistenza alla flessione e modulo dei composite a base di polietilene a basa densità (LDPE)

clate. In genere il modulo elastico risulta essere molto meno influenzato dal livello di adesione interfacciale di quanto non lo sia il carico di rottura [8]. La tabella 3 riassume i risultati relativi alla prova di estrazione della vite ove, per tenere conto delle differenze di spessore tra i campioni, i valori sono espressi in forza per unità di lunghezza della vite inserita nel composito (N/mm). La presenza delle fibre di vetro gioca un ruolo positivo bilanciando l’effetto negativo causato dall’introduzione della farina di legno, come risulta evidente confrontando tra loro i compositi LDPE50W50 e LDPE50W30V20 oppure LDPE45W45V10 e LDPE40W40V20. I

risultati dell’assorbimento di acqua sono riassunti nella tabella 4. L’assorbimento di acqua aumenta all’aumentare del tenore di farina di legno pur mantenendosi nettamente inferiore a quello del materiale di riferimento costituito dal legno Ipê a causa del carattere fortemente idrofilo del legno non bilanciato dal carattere idrofobo della matrice polimerica. A parità di tenore di fibra di legno, l’aggiunta di fibre di vetro siano esse vergini o riciclate comporta un aumento dell’assorbimento di acqua a causa della scarsa adesione interfacciale con il polietilene. Le micrografie al SEM (fig.4) mostrano sia una omogenea dispersione dei rinforzi a conferma dell’efficacia

Composite sample code

Room temperature

60°C

Composite sample code

Screw withdrawal resistance (N/mm)

COVa (%)

LDPE80W20

55.16 (0.87)

36.00 (0.86)

LDPE80W20

91.63

8.60

LDPE65W35

56.59 (1.62)

37.86 (1.31)

LDPE65W35

91.92

2.92

LDPE50W50

57.89 (1.08)

44.15 (1.33)

LDPE50W50

57.16

4.45

LDPE35W65

58.93 (1.29)

44.54 (1.78)

LDPE35W65

48.09

8.25

LDPE45W45V10

59.86 (1.65))

45.81 (1.68)

LDPE45W45V10

65.27

5.91

LDPE40W40V20

62.64 (1.43)

48.28 (2.03)

LDPE40W40V20

76.91

9.12

LDPE60W30V10

85.85

7.04

LDPE60W30V10

59.01 (1.64)

45.32 (1.28)

LDPE50W30V20

59.49 (1.96)

47.34 (1.69)

LDPE50W30V20

93.06

8.75

LDPE60W30R10

59.38 (0.99)

45.23 (1.26)

LDPE60W30R10

75.04

9.23

LDPE50W30R20

60.07 (1.02)

46.31 (1.58)

LDPE50W30R20

81.66

5.97

LDPE45W45R10

59.47 (1.15)

45.94 (1.18)

LDPE45W45R10

63.34

2.63

LDPE40W40R20

61.38 (1.07)

47.28 (1.09)

LDPE40W40R20

71.79

10.05

Note: values in parentheses are standard deviations

a

Tab.2: Durezza Shore D dei compositi ibridi

Tab.3: Prova di estrazione delle vite

COV = coefficient of variation

Compositi

11


- Miscele polimeriche di farina di legno con fibre di vetro riciclato del processo produttivo, sia la non ottimale compatibilità interfacciale tra matrice e rinforzi. Le superfici di frattura sono infatti dominate da fenomeni di debonding e pull-out che giustificano la diminuzione di resistenza e l’aumento di assorbimento di acqua. CONCLUSIONI Al fine di valutare la possibilità di impiego di fibre di vetro riciclate come filler in compositi termoplastici additivati con farina di legno sono state studiate le proprietà meccaniche e la microstruttura di WPC modificati mediante fibre corte di vetro al variare della percentuale in peso. I materiali compositi ibridi sono stati fabbricati mediante un processo in due stadi costituito da una fase di miscelazione mediante un miscelatore appositamente realizzato e una successiva fase di stampaggio a compressione. La sperimentazione ha comportato la valutazione delle proprietà meccaniche a flessione (resistenza e modulo elastico), della durezza in funzione della temperatura, della resistenza all’estrazione della vite e dell’assorbimento di umidità. La presenza del rinforzo ibrido (vetro e farina

a

Composite sample code 2h

a

0.20 (0.01 )

0.38 (0.01)

LDPE65W35

0.54 (0.03)

1.03 (0.03)

LDPE50W50

1.45 (0.01)

3.25 (0.17)

a

LDPE35W65

3.18 (0.44)

7.16 (0.64)

LDPE45W45V10

1.21 (0.09)

2.85 (0.22)

LDPE40W40V20

1.13 (0.14)

2.56 (0.25)

LDPE60W30V10

0.35 (0.01)

0.66 (0.01)

LDPE50W30V20

0.46 (0.03)

0.83 (0.05)

LDPE60W30R10

0.31 (0.01)

0.57 (0.02)

LDPE50W30R20

0.61 (0.06)

1.16 (0.05)

LDPE45W45R10

1.31 (0.01)

2.79 (0.07)

LDPE40W40R20

1.97 (0.40)

4.61 (0.96)

Values are average of three replicates and values in parentheses are standard deviations

Tab.4: Assorbimento di acqua dei composite ibridi

b

di legno) si è mostrata positiva ai fini dell’incremento del modulo elastico e della durezza mentre si è registrata la diminuzione della resistenza all’estrazione delle vite all’aumentare del tenore di farina di legno. Tale comportamento è stato parzialmente mitigato dall’aggiunta delle fibre di vetro. Alla luce dei risultati sperimentali, le fibre di vetro riciclate hanno evidenziato un comportamento confrontabile con quello di analoghe fibre di vetro non derivanti da riciclo. In tal modo è possibile offrire una soluzione alternativa ai problemi di smaltimento dei compositi termoindurenti a fine vita conservando delle proprietà soddisfacenti per applicazioni non strutturali. La caratterizzazione morfologica ha inoltre evidenziato come il processo di fabbricazione adottato, benché discontinuo, rappresenti una soluzione economicamente efficiente e rapida per la realizzazione e l’omogeneizzazione di miscele difficilmente processabili con le tradizionali tecniche di lavorazione dei materiali plastici.

Compositi

24h

LDPE80W20

Fig.4: Micrografie SEM delle superfici di frattura tipiche per compositi contenenti

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Water absorption (%)

c

a

farina di legno,

b

fibre di vetro vergini e

RINGRAZIAMENTI/ ACKNOWLEDGEMENTS The results presented are to be placed inside the “Project for the promotion of a culture of innovation and technology transfer - marine sector” approved and funded by the Region of Lazio with determination n. B03034 of 22/05/2012. The actuator of this Project is the Polo interprovinciale formativo della nautica Rome-Latina which the I.I.S.S. “G. Caboto “is the leader. BIBLIOGRAFIA/REFERENCES

[1] Adhikary KB, Pang S, Staiger MP. Dimensional stability and mechanical behaviour of wood–plastic composites based on recycled and virgin high-density polyethylene (HDPE). Compos Part B Eng 2008;39:807–15. [2] Dányádi L, Móczó J, Pukánszky B. Effect of various surface modifications of wood flour on the properties of PP/wood composites. Com-

c

riciclato

pos Part A Appl Sci Manuf 2010;41:199–206. [3] Jiang H, Kamdem DP. Development of poly(vinyl chloride)/wood composites. A literature review. J Vinyl Addit Technol 2004;10:59–69. [4] Wood-Plastic Composites Market (Polyethylene, Polypropylene, Polyvinyl Chloride and Others) for Building & Construction, Automotive, Electrical and Other Applications Global Industry Analysis, Size, Share, Growth, Trends and Forecast, 2013 - 2019. 2014. [5] Carus M, Eder A, Dammer L, Korte H, Scholz L, Essel R, et al. Wood-Plastic Composites (WPC) and Natural Fibre Composites (NFC): European and Global Markets 2012 and Future Trends. 2014. [6] Väntsi O, Kärki T. Utilization of recycled mineral wool as filler in wood–polypropylene composites. Constr Build Mater 2014;55:220–6. [7] Taçdemır M, Biltekin H, Caneba GT. Preparation and characterization of LDPE and PP-Wood fiber composites. J Appl Polym Sci 2009;112:3095–102. [8] Nunez AJ, Sturm PC, Kenny JM, Aranguren MI, Marcovich NE, Reboredo MM. Mechanical characterization of polypropylene-wood flour composites. J Appl Polym Sci 2003;88:1420–8.


Marco Valente, Jacopo Tirillò, Fabrizio Sarasini Dipartimento di Ingegneria Chimica Materiali Ambiente, Sapienza - Università di Roma

Recycled glass fibres in wood flour thermoplastic composites Results of a project investigating the possibility of using glass fibres obtained from thermoset composites in combination with wood flour reinforced low density polyethylene (LDPE) composites. The effect of recycled glass fibre contents on water absorption behaviour, mechanical properties, screw withdrawal resistance and microstructure of the hybrid composites was addressed. The compounding step in the composite manufacturing process was performed by a customized kinetic mixer designed to allow the intimate mixing of high amount of reinforcement with the polymer matrix: a cheaper alternative to traditional extrusion processes.

W

ood plastic composites (WPCs) are relatively new materials which are gaining considerable attention in these environment-conscious times. The use of wood, a natural and renewable resource, can help to reduce the carbon footprint of plastics and their proportion in municipal solid waste. Moreover, WPCs are potentially recyclable and can be considered sustainable materials, as the wood can be obtained from sawdust or scrap wood products as well as the plastic, which can be mainly derived from consumer and industrial recycling efforts. The present generation of WPCs comprises a very broad range of materials, from those manufactured from 100% post-consumer waste to those containing pulped wood and engineering resins. Common polymers used in WPCs include polyethylene (low and high density) [1], polypropylene [2] and polyvinyl chloride [3]. The global woodplastic composites market has been valued at USD 2.64 billion in 2012 and is anticipated to reach USD 5.39 billion in 2019, expanding at a CAGR (compound annual growth rate) of 10.8% between 2013 and 2019. Polyethylene woodplastic composites dominated the global wood-plastic composites market in 2012. The major application of polyethylene wood-plastic composites is in building and construction industry. Polyvinyl chloride wood-plastic composite is expected to be the fastest growing product segment of the market during the forecast period owing to its growing application in window and decking applications. Building and construction was the largest application segment of the wood-plastic composites and accounted for over 70% of the total volume demand in 2012. Exterior building and construction products manufactured using wood-plastic composites offer high resistance to fading and scratching. Additionally, automotive is expected to be the fastest growing application of the market owing to the increasing substitution of conventional materials such as metals by wood-plastic composites [4]. In this framework, fibreglass and more recently wood-plastic composites are making

inroads against traditional wood, steel and cement materials in the marina industry. Given that there is a huge quantity of miles of decking/walkway, this is where the potential is most apparent. Although wood – nature’s own composite – is versatile, easily fabricated, biodegradable and has a traditional feel, it can vary in quality and has limited life. Wood wears smooth, easily becoming slippery when wet. It can rot, suffer attack by marine organisms and may support the growth of algae. Walkway planks can sag and warp unevenly, creating a trip hazard. Even the hardwood walkways normally used are subject to these depravations and need replacing periodically. Moreover, hardwoods are becoming more difficult to source and therefore more expensive. In this regard, a low maintenance alternative to timber for docks, pontoons, jetties, walkways, docking stations and similar applications is represented by WPCs. A wide range of properties can be achieved depending on the nature of the material components used and the wood/ plastic ratio. WPCs suited for marina applications behave like wood, can be cut with conventional woodworking tools and are dimensionally stable over time. However, they are more moisture resistant than wood and more resilient to weather, rot, mould growth, insects, cracking and splintering. Glass fibres are known to be a suitable reinforcement for polymers. An effective way to enhance the performance of glass fibre while minimizing cost and landfill disposal of thermoset composites would greatly improve the economic attractiveness of WPCs. A possible approach to this issue would be using glass fibres which have been recovered from post-industrial waste. About 150,000 tonnes per year of different glass fibre waste go to European landfills. MATERIALS AND METHODS Low density polyethylene (LD 250), supplied by ExxonMobil Chemical, has the following proper ties: a MFI of 5 g /10 min (190 °C/2.16 kg), a density of 0.916 g / cm 3 , a flexural strength of 15 ± 1.21 MPa, a flexural modulus

of 460 ± 47 MPa, a Shore D hardness of 48 ± 0.37 (at room temperature). Wood flour (WF) of hardwood beech was kindly supplied by La.So.Le. Est Srl – Italy. The sieve analysis showed that most of the wood particles fall in the 35–60 mesh sizes, with the corresponding diameter ranging between 500 and 250 µm, respectively. Both chopped virgin E-glass fibres (length = 3 mm) and recycled ones were used as reinforcement. The recycled fibres were obtained from mechanical recycling of glass fibre reinforced polyester composites coming from the automotive industry. The morphology of the used reinforcements is shown in figure 1. For comparison purposes, samples of Ipê wood (labelled as I) were used for water absorption tests. Ipê is a tropical wood often used in outdoor applications (decking). The manufacturing process is shown schematically in figure 2. A compression moulding machine was used to mould the square plates (200 mm × 200 mm × 10 mm) from which the samples for the characterization were cut. A custommade kinetic mixer was used to blend the polymer and the reinforcements (wood flour and glass fibres). Kinetic mixing is a batch polymer processing technique that uses high shear and rapid rotational motion (~3000 rpm) to create frictional heat sufficient to volatilize moisture and melt thermoplastics. Polymer and fillers are fed to the mixing chamber, rapidly (~3 min) brought to melting temperature of polymers, mixed and then discharged as a thoroughly homogenized molten mass. A summary of the samples manufactured and tested are reported in table 1. The flexural properties were measured in four point bend tests at room temperature using a Zwick/Roell Z010 equipped with a 10 kN load cell. The tests were performed in accordance with ASTM D 7264 with the following test parameters: crosshead speed of 2 mm/min, support span length of 140 mm. The specimens were obtained from the square plates with the following dimensions: 200 mm × 30 mm × 10 mm (L × W× t). Shore D hardness measurements were carried out according

Compositi

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- Recycled glass fibres as filler in wood flour thermoplastic composites to ASTM D 2240, using a Shore Model S1 Digital Durometer by Instron. The hardness value for each sample was calculated as the average of 30 measurements at two different temperatures, namely 23 (room temperature) and 60 °C (± 2 °C). The screw withdrawal test (ASTM D 1037) determines the load required to pull a screw from the panel specimen. The threaded length was 18 mm with a major diameter = 5 mm. The screw was hand-driven perpendicular to the face of the panel (18 mm) into each specimen immediately before testing. Three screws for each composite type were tested. The screws were withdrawn at a uniform speed (2 mm/min) until maximum load was recorded at room temperature (23 ± 2 °C). Water absorption tests were performed in accordance with ASTM D 570. Three specimens were oven dried at 105 °C for 24 h. The conditioned specimens were immersed in distilled water for 2 h and 24 h at a temperature of 23 ± 2 °C. The fracture surfaces of the flexural test specimens were investigated using a scanning electron microscope (Philips XL40). All specimens were sputter coated with gold prior to examination. RESULTS AND DISCUSSION Figure 1a shows a SEM micrograph of the wood flour used in this study. Wood flour is made of fibre bundles rather than individual wood fibres with small aspect ratios (usually 1–5). Though the low aspect ratio can reduce the reinforcing ability, mechanical performance of the composite is sufficient for many applications. In fact, the use of wood fibres in polymer composites still greatly lags behind that of wood flour because of greater cost and increased processing difficulties when using traditional plastics processing methods. The virgin glass fibres are short fibres traditionally used in composites, as can be seen in figure 1c. Recycled glass fibres appear to be completely different from the virgin ones, as can be clearly seen in figure 1b. They appear to be heavily entangled and they do not seem to suffer from evident surface damage. However, it was noted the presence of some residual resin coming from the previous mechanical recycling operation. The entanglement could affect to a great extent both the processing and mechanical properties of the resulting hybrid composites. A summary of hardness data is presented in table 2. As for wood flour composites, hardness of polymer matrix is found to slightly increase with increasing WF content. The increase is more evident at higher temperatures, where the polymer suffers from a softening effect with increasing temperature, whilst WF is not affected by temperatures as high as 60 °C. The presence of glass fibres causes a further improvement of hardness especially at higher temperatures, whilst a significant difference between virgin and recycled fibres is not observed, thus confirming the positive role of recycled glass fibres. As a whole, the presence of both WF and glass

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Compositi

fibres is beneficial as regards the hardness of the thermoplastic polymer investigated, especially at high temperature where they are able to counteract effectively the polymer softening. The flexural strength and stiffness of the composites measured using four point bending tests are shown in figure 3. As a general comment, the flexural strength of the composites increases with decreasing wood content in the matrix. The addition of glass fibres does not cause an improvement of flexural strength compared with the neat polymer, even though an enhancement of strength occurred for hybrid composites in comparison with those having higher amount of wood flour (65 wt.%). Nevertheless, this increase is not sufficient to attain the strength values of composites reinforced with the smallest amount of wood flour (LDPE80W20). This is quite a common feature for filled thermoplastic composites, especially for composites reinforced with lignocellulosic fillers [7]. In particulate filled and short fibre reinforced composites the dominant micromechanical deformation process is the debonding of the phases. The decrease in flexural strength is therefore to be ascribed to a poor interface between polymer and reinforcement (WF and glass fibres) which makes ineffective the transfer of stress from the matrix to the fibres. The recycled glass fibres provided strength values comparable with those of the virgin ones, thus highlighting that recycling operation did not affect the reinforcing efficiency of the fibres, even though a suitable compatibilizing agent is needed between glass and thermoplastic polymer. The flexural modulus of the composites exhibited a different behaviour with a marked increase with reinforcement content. This trend is even more significant with the addition of glass fibres, both virgin and recycled. Modulus is usually less dependent of interfacial adhesion than strength is [8]. Results for screw withdrawal resistance are given in table 3. In order to take into account any difference in specimen’s thickness, the values are presented in force per unit of embedded screw length (N/mm). The presence of glass fibres has a positive role on the screw strength of hybrid composites, offsetting the decrease caused by increasing wood flour content as can be seen, for instance, by comparing LDPE50W50 and LDPE50W30V20 or LDPE45W45V10 and LDPE40W40V20. Results of water absorption are given in table 4. Water absorption increases with increasing wood content in the composites, a trend that is found for both 2 h and 24 h water immersion tests, but it was nevertheless very low as compared with the control samples (Ipê wood), because the matrix polymers are hydrophobic, whereas the control samples are hydrophilic. Virgin glass fibres caused an increase in water absorption, which can be ascribed to the poor interface between fillers and matrix. The effect of recycled glass fibres is comparable to that of the

virgin ones. As a whole, SEM micrographs (fig.4) show that a good and homogeneous dispersion of the fillers, both WF and glass fibres, has been achieved through the use of the two step manufacturing process. The compounding step was also able to allow an adequate level of dispersion of the recycled glass fibres, regardless of their high entanglement. This is a confirmation of the effectiveness of the manufacturing process used. Only at higher fibre contents some localized agglomerations of fibres occurred. From micrographs is evident that debonding and pull-out dominate the fracture surface, thus confirming the poor interfacial bonding as proposed in the discussion on the mechanical properties. These features provide an explanation of the decrease in strength and increase in water absorption. CONCLUSIONS Hybrid thermoplastic composites from wood flour and recycled glass fibres were manufactured through a two-step process involving a kinetic mixer and a compression moulding machine. To evaluate the effect of recycled glass fibres, hybrid composites containing virgin glass fibres were also manufactured and tested. Mechanical properties of the composites including flexural modulus and strength, hardness as a function of temperature, screw withdrawal resistance and water absorption behaviour were studied. The flexural modulus and hardness were found to increase as a function of increasing wood flour and glass fibre content, whilst the flexural strength and screw withdrawal resistance decreased as a function of increasing wood flour content, even though a positive effect due to the addition of glass fibres was found. The recycled glass fibres showed a behaviour comparable to that of the virgin ones. This result can offer a suitable solution to disposal problems of thermoset composites at endof-life while retaining satisfactory properties for cosmetic or semi-structural applications. As a general conclusion, morphological and mechanical characterization confirm that the manufacturing procedure adopted represents a cost-effective and fast solution to the fabrication and homogenization of highly entangled blend of polymers and fillers.

All the mentioned figures refer to the italian version Tab.1: Wood plastic composite formulations (percent by weight) Tab.2: Shore D hardness of hybrid composites Tab.3: Screw withdrawal resistance of composites Tab.4: Water absorption of hybrid composites Fig.1: SEM micrographs of (a) WF, (b) recycled and (c) virgin glass fibres Fig.2: Manufacturing process of the hybrid composites Fig.3: Flexural strength and modulus of LDPE-based composites Fig.4: SEM micrographs of typical fracture surfaces for composites containing (a) wood flour, (b) virgin and (c) recycled glass fibres


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Antonio Gerardi, Annalisa Cassinelli - Consorzio CETMA

Ottimizzazione di processi Liquid Composite Molding con analisi numeriche complesse Vengono presentati due casi studio riguardanti due componenti del settore della nautica realizzati tramite tecnologia VARTM: una paratia e la console di guida di un’imbarcazione. Tramite l’utilizzo di codici di calcolo avanzati e opportunamente implementati è stata ottimizzata la loro realizzazione, analizzando le fasi più critiche del processo: il posizionamento del tessuto di rinforzo sullo stampo e il processo di impregnazione dello stesso tessuto ad opera della resina, individuando per quest’ultima la migliore strategia di iniezione.

N

ell’industria navale uno degli obiettivi primari è la riduzione del peso dei componenti impiegati attraverso l’utilizzo di nuovi materiali. In tal senso, i materiali compositi fibrorinforzati, garantendo elevate proprietà meccaniche e pesi limitati, sono sempre più utilizzati rispetto ai materiali metallici tradizionali. Attualmente i processi più promettenti per la realizzazione di componenti in composito sono quelli denominati Liquid Composite Molding - LCM, in essi si assiste all’impregnazione di un rinforzo secco con resina liquida, in seguito all’applicazione di un gradiente di pressione. Esistono differenti tipi di processi LCM che differiscono tra di loro essenzialmente per la tipologia di stampo utilizzato (chiuso, semichiuso, flessibile), per i livelli di pressione e velocità della resina in ingresso e per i valori di temperatura raggiunti durante il processo. Rispetto ai processi tradizionali di lay-up manuale, tali tecniche consentono di ottenere superfici complesse, parti integrate, buona finitura superficiale, laminati di qualità superiore, con un minor impiego di manodopera e, soprattutto, riducendo l’esposizione degli operatori ad agenti chimici nocivi. Uno dei processi LCM più diffusi è il Resin Transfer Molding - RTM: la resina liquida, miscelata con iniziatori o indurenti, è iniettata in una cavità tra stampo e controstampo in cui è stata sistemata precedentemente una preforma secca. Il componente rimane nello stampo durante la cura della resina ed è estratto solo dopo la completa polimerizzazione della matrice. Gli svantaggi di tale processo sono i costi elevati per la realizzazione del doppio stampo e le elevate pressioni necessarie per far fluire la resina all’interno del rinforzo.

Una variante dell’RTM è il Vacuum Assisted Resin Transfer Molding - VARTM. In questo processo il controstampo viene sostituito con un sacco elastomerico e la resina è iniettata per effetto dell’applicazione del vuoto. Un mezzo di distribuzione ad alta permeabilità, posto tra il tessuto ed il sacco, consente alla resina di fluire velocemente e di riempire in tempi ridotti tutto lo stampo. L’assenza del controstampo e la sua sostituzione con un sacco flessibile riduce i costi rispetto all’RTM, rendendo tale tecnica particolarmente adatta alla realizzazione di componenti di grandi dimensioni, come nel settore delle costruzioni nautiche. Come per tutti i processi LCM, produrre un componente in materiale composito mediante VARTM può essere molto impegnativo a causa della complessità geometrica del componente da realizzare,

delle proprietà non sempre note dei materiali impiegati o del tempo necessario per definire correttamente il sistema di iniezione ed aspirazione della resina. Per evitare, quindi, un approccio di tipo trial and error, soprattutto quando i costi degli scarti e degli stampi sono elevati, è fondamentale ricorrere alla modellazione numerica avanzata. Si è deciso, quindi, di studiare la realizzazione mediante VARTM di una paratia e di una console di guida di un’imbarcazione. La paratia è un elemento trasversale della struttura dello scafo, tipicamente utilizzata per incrementarne la rigidezza strutturale o per separare differenti ambienti. Quella esaminata è stata ricavata da un pannello piano di dimensioni 1200x620 mm. Utilizzando un codice di calcolo fluidodinamico si è analizzata la fase di impregnazione dei tessuti di

Fig.1: Schematizzazione del processo RTM

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- Ottimizzazione di processi Liquid Composite Molding con analisi numeriche complesse -

Fig.2: Schematizzazione del processo VARTM

Fig.4: Modello CAD della console

Fig.5: Passaggi del tool di Draping sviluppato da CETMA

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Compositi

Fig.3: Schema della paratia prima e dopo il taglio rinforzo, valutando l’uniformità ed i tempi di riempimento. Successivamente, lo stesso componente è stato realizzato in laboratorio. L’altro componente esaminato è una struttura secondaria di un’imbarcazione, la console di comando. Essendo la geometria più complessa, attraverso l’ausilio di un codice di calcolo strutturale, opportunamente implementato, si è analizzato il posizionamento del tessuto di rinforzo sullo stampo al fine di individuare e ridurre le zone con probabile formazione di difetti. Successivamente, si è studiato il processo di impregnazione del tessuto di rinforzo, individuando il sistema di iniezione della resina in grado di garantire un riempimento omogeneo in tempi ridotti. La console si è supposta essere costituita inizialmente da due parti distinte, ciascuna avente dimensioni 95 x 40 x 20 cm (HxLxP) ed uno spessore di 6 mm. Una volta realizzati i due gusci possono essere giuntati per incollaggio. LA MODELLAZIONE NUMERICA DI PROCESSI VARTM Analisi della fase di Draping Una delle principali criticità che si incontra in un processo LCM è la realizzazione della preforma, soprattutto per la produzione di componenti di forma complessa. Se su di essa si formano delle distorsioni eccessive, grinze o pieghe, queste andranno a creare, nel componente finale, dei difetti di produzione. Un’analisi numerica della deformazione della preforma consente di capire come il rinforzo si adatterà alla forma dello stampo (draping) e di individuare eventuali zone critiche. In questo modo è possibile intervenire sul rinforzo con tagli e/o overlap per minimizzarne le distorsioni e di garantire la realizzazione di componenti esenti da difetti. La maggior parte dei codici commerciali fanno riferimento a modelli cinematici


- Ottimizzazione di processi Liquid Composite Molding con analisi numeriche complesse che considerano il tessuto costituito da una rete di fibre inestensibili, ignorando la risposta non lineare del tessuto a sforzi di taglio, wrinkling e possibile scorrimento relativo fra le fibre. Per superare tali limitazioni, si è sviluppato un tool in grado di analizzare il comportamento del rinforzo attraverso un modello meccanico continuo che tenga conto delle proprietà meccaniche del tessuto come la rigidezza strutturale e a taglio nelle differenti direzioni. Tali informazioni sono inserite nel tool attraverso un’apposita routine sviluppata in Matlab. Nella fase di pre-processing, svolta in HyperWorks, si sono importati la geometria dello stampo della console di comando e il file con i parametri del tessuto. Successivamente, mediante il codice LS-Dyna, si è simulato il processo di lay-up del tessuto sulla superficie dello stampo. Lo stato deformativo delle fibre è stato valutato attraverso un indice di forma “F”, calcolato sulla base delle deformazioni di ogni singola cella di tessuto. Attraverso una mappa a colori è possibile evidenziare le zone con tessuto indeformato (verde), mediamente deformato (arancione) e altamente deformato (rosso) (fig.6). Per la console, le zone con distorsione massima sono presenti in prossimità della base; valori intermedi si hanno, invece, in corrispondenza della sommità. Per ridurre tali deformazioni, si è intervenuti sulla geometria del tessuto, effettuando opportuni tagli. Ripetendo l’analisi con tali modifiche, si è osservato come le distorsioni nel tessuto si siano nettamente ridotte, annullando quelle con un valore critico dell’indice di forma (fig.7). Analisi della fase di iniezione della resina In un processo LCM, una volta che il tessuto di rinforzo è stato posizionato nello stampo, questo viene chiuso mediante un sacco a vuoto e viene iniettata la resina liquida in pressione. Per ottenere un composito di buona qualità, è importante evitare che la resina si accumuli in zone specifiche del manufatto, determinando la formazione di punti di debolezza e fragilità. Inoltre, occorre impedire che si creino percorsi preferenziali attraverso i quali la resina possa raggiungere i canali di uscita prima di avere completato il riempimento dello stampo e l’impregnazione delle fibre. Ciò può causare nel componente finale difettosità come vuoti, delaminazioni, dry spot, che ne andranno a compromettere la funzionalità.

Fig.6: Shape factor del tessuto nell’ipotesi iniziale

Fig.7: Shape factor del tessuto modificato

Fig.8: Avanzamento del fronte di resina (rosso) con flusso rettilineo

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- Ottimizzazione di processi Liquid Composite Molding con analisi numeriche complesse -

Fig.9: Avanzamento del fronte di resina (rosso) con flusso radiale Fig.10: Paratia realizzata Anche in questo caso, le analisi numeriche sono uno strumento indispensabile per stimare il tempo di riempimento della preforma, ottimizzare il sistema di iniezione e aspirazione della resina e la progettazione degli stampi. Utilizzando un codice general purpose, quale ANSYS/FLUENT, è stato definito un modello numerico basato sulla legge di Darcy e validato attraverso l’analisi di due casi semplici teorici: l’iniezione di resina in uno stampo bidimensionale con inlet su uno dei lati o da posizione centrale. Per entrambi i casi, è nota l’espressione analitica che descrive l’avanzamento del fronte fluido in funzione del tempo. I risultati numerici ottenuti con ANSYS/ FLUENT hanno evidenziato un totale accordo con quelli analitici, confermando la validità del modello implementato. Definito il modello numerico, si è proceduto con la sua applicazione ai due casi studio (paratia e console di comando), allo scopo di ottimizzare la strategia di iniezione della resina nel processo VARTM. La paratia è stata realizzata usando tessuti in fibra di vetro e lino, un core in PET e resina epossidica; le proprietà di porosità e permeabilità di tali materiali erano state precedentemente determinate. Il tempo impiegato per infondere completamente i tessuti è stato di circa un’ora con un fronte di avanzamento della resina uniforme, in ottimo accordo con quanto previsto dalle simulazioni.

a

b

Fig.11: Confronto tra il risultato sperimentale e numerico del riempimento della preforma dopo 25 minuti

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- Ottimizzazione di processi Liquid Composite Molding con analisi numeriche complesse ca di 43 cm e con un diametro di 8 mm. Il tempo di riempimento dello stampo si è ridotto a 2500 secondi, con un cammino costante e regolare del fronte di flusso della resina che impregna tutta la preforma.

Fig.12: Avanzamento del fronte di resina utilizzando la prima configurazione del sistema di iniezione

CONCLUSIONI Si è illustrato come sia possibile studiare e ottimizzare la produzione di componenti complessi per il settore navale da realizzare in materiale composito mediante processi LCM. Sono stati analizzati due componenti: una paratia e la console di guida di un’imbarcazione. Strumenti fondamentali per l’ottenimento di componenti di qualità risultano essere i codici di calcolo avanzati. In tal senso, utilizzando un tool opportunamente implementato con LS-Dyna, si è potuto analizzare e prevedere la fase di draping di un tessuto di rinforzo sullo stampo per la realizzazione della console di comando. Inoltre, per entrambi i componenti, si è definito e validato un modello numerico fluidodinamico in ANSYS/FLUENT in grado di simulare il processo di impregnazione del tessuto di rinforzo ad opera della resina e di ottimizzare il tempo e le modalità di riempimento dello stampo. Il confronto con i dati sperimentali ha confermato la validità dei modelli numerici implementati. BIBLIOGRAFIA/REFERENCES

Fig.13: Avanzamento del fronte di resina utilizzando la configurazione ottimizzata del sistema di iniezione

Analogamente si è analizzata la realizzazione di una console in fibra di vetro e matrice epossidica, ipotizzando diversi schemi di iniezione e individuando quello in grado di assicurare una completa impregnazione delle fibre e di minimizzare la durata del processo. La prima configurazione analizzata è stata quella più semplice, con un canale di iniezione centrale posto in direzione longitudinale, lungo 68 cm e con un diametro di 8 mm. Il sistema di aspirazione è lungo il bordo più esterno del-

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Compositi

la console. Il tempo di riempimento calcolato è stato di circa 4000 secondi con un avanzamento della resina nel tessuto abbastanza uniforme. Nella successive configurazioni analizzate, sono stati aggiunti alcuni canali trasversali a quello centrale, caratterizzati da differenti valori di lunghezza e di reciproca distanza. In figura 13 sono riportati i risultati relativi alla configurazione ottimale: i canali trasversali sono due, lunghi 16 cm, ad una distanza recipro-

- Liércio A. Isoldi, Cristiano P. Oliveira, Luiz A. O. Rocha, Jeferson A. Souza, Sandro C. Amico, “Three-Dimensional Numerical Modeling of RTM and LRTM Processes”, J. of the Braz. Soc. of Mech. Sci. & Eng. April-June 2012, Vol. XXXIV, No. 2 / 105; - V. Antonucci, M. Giordano, L. Nicolais, “Liquid Molding Processes”, Handbook of Polymer Blends and Composites, Vol. 2, Chapter 2, Ed. K. Kulshreshtha, C. Vasile, 2002; - P. Potluri, S. Sharma, R. Ramgulan., “Comprehensive drape modelling for moulding 3D textile preforms”, Science Direct, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 32, Issue 10, October 2001, Pages 1415–1424; - Morren, G., Bottiglieri, M., Bossuyt, S., Sol, H., Lecompte, D., Verleye, B. and Lomov, S.V., 2009, “A Reference Specimen for Permeability Measurements of Fibrous Reinforcements for RTM”, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 40, pp. 244-250; - G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini, “Tecnologie per infusione: RTM, VARTM e RFI. Tecnologie dei PMC a fibra discontinua: SPRAY-UP, RIM, BMC, SMC”, Tecnologie e materiali aerospaziali, Ver. 01, Cap. 41; - U. Morano, “Analisi dei Parametri Tecnologici in un Processo RIFT” (2005).


Antonio Gerardi, Annalisa Cassinelli - Consorzio CETMA

Advanced numerical analyses for Liquid Composite Molding optimization Two case studies are presented. In particular, two naval components, manufactured by VARTM technology, were examined: a bulkhead and a boat driving console. Using advanced and implemented numerical codes, the more critical steps of the manufacturing process were analyzed and optimized: the fabric lay-up on the mold and the reinforcement impregnation process, finding the best configuration for the resin injection system.

O

ne of the main goals in the naval industry is to reduce the components weight, using new materials, as fiber reinforced composites. In fact, composite materials are largely used thanks to their remarkable properties such as high mechanical strength and lightweight. Liquid Composite Molding (LCM) is the generic name for a family of manufacturing processes for composite materials, in which a dry fiber reinforcement is laid up on a mold, then the mold is closed and a resin is injected in the cavity as consequence of a pressure gradient. There are many variants of LCM process which differ in terms of mold type (closed, semi-closed, flexible), of pressure and velocity of the resin input and in terms of temperatures during the process. Compared with traditional manufacturing processes, these techniques allow to obtain complex surfaces, integrated parts, good surface finish, superior quality laminates in terms of thickness uniformity and defects reduction. Moreover, LCM processes are low labour intensive and they reduce the workers’ exposure risk to harmful volatiles. Resin Transfer Molding (RTM) is the most popular LCM manufacturing process: a catalyzed thermosetting resin is injected in a cavity, between a mold and a counter-mold, where a dry fiber preform was placed. Finally, after curing the part is demolded. Main disadvantages are the cost of the molds and the high pressures in order to force the resin through the fabric. Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM) is a variant of the traditional RTM process. In VARTM, the upper half of a conventional mold is replaced by a vacuum bag and the resin is injected under vacuum. Moreover, a distribution network is used which allows the resin to flow large distances through the fabric in short times. The substitution of the counter-mold with the vacuum bag reduces the costs and makes VARTM attractive for the manufacturing of large-scale components, especially in the naval sector. In LCM process, manufacturing a composite part by

VARTM can be very difficult because of complex geometry, of material properties not always known or of a long set-up of the resin injection system. In order to avoid a “trial and error” approach, especially when the cost of waste and the molds are high, advanced numerical modelling is a fundamental support. For these reasons, VARTM manufacturing of two naval components was studied: a bulkhead and a boat driving console. The bulkhead is a wall within the hull of a ship, used to increase the structural rigidity of the vessel or to separate different compartments. The bulkhead was obtained from a flat panel of dimensions 1200x620 mm. The impregnation process was analyzed using a fluid-dynamic code, evaluating the resin flow and the filling time. After that, the same component was manufactured in laboratory. Another component analyzed was a boat driving console, characterized by a complex geometry. A structural numerical model was implemented to analyze the fabric distortion during draping and to minimize the critical areas. After that, reinforcement impregnation process was simulated by a fluid-dynamic code in order to optimize the injection system and to reduce the filling time. Initially, the console was constituted by two distinct parts, whose dimensions were: 95 x 40 x 20 cm (HxLxP) and with a thickness of 6 mm. These shells can be joined by gluing. VARTM PROCESSES NUMERICAL MODELLING Draping Analysis In LCM manufacture processes, a very critical step is the draping of the reinforcement onto the mold surface, especially for complex geometries. During the lay-up preform, the presence of defects in the reinforcement fabrics, as excessive distortions, wrinkling, twisting, can have significant effects on the final properties of the composite component. Numerical analyses of the reinforcement distortion are essential to understand the draping of the preform on the mold and to define critical areas. In this way, it is pos-

sible to shape the fabric with overlaps and cuts in order to minimize the distortions and to make free-defects components. The most commercial codes for draping simulations are based on kinematic models, considering the fabric as a net of rigid fibers. Non-linear behavior of the fabric under shear stress, wrinkles and fibers sliding is not considered. To overtake these limits, a specific tool was developed which analyzes fabric as a solid continuum sheet, taking into account the mechanical properties as stiffness and shear module. Fabric and fibers properties were defined by a specific routine developed in Matlab code. In the pre-processing step, the mold geometry of the driving console and the fabric properties file were imported in HyperWorks code. After that, the fabric lay-up on the driving console mold was simulated using LS-Dyna code. Fibers distortion was evaluated calculating a “shape factor F” in each fabric cell. As result, a colored map shows 3 levels of distortions: not-deformed (green), medium deformed (orange) and high deformed (red) fabric reinforcement (fig.6). In the analyzed driving console, high fabric distortion areas were maximum at the base; on the contrary, medium values were at the top. In order to reduce these deformations, specific cuts were made on the fabric. In this way, the fabric distortions were significantly reduced and there weren’t areas with critical value of the shape index (fig.7). Resin Injection Analysis In LCM process, the preform is draped, then the mold is closed by a vacuum bag and the resin is injected. To obtain a composite of good quality, it is important to avoid resin storing in specific zones of the component, causing points of weakness and fragility. Furthermore, it has to avoid that the liquid reaches output channels before having completed the mold filling and the fibers impregnation. This may cause defects such as voids, delamination, dry spots, which compro-

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mise the mechanical properties of the component. Also in this case, numerical analyses are a fundamental tool in order to evaluate the filling time, to optimize resin injection and extraction systems and to improve mold design. Using a “general purpose” code, as ANSYS/FLUENT, a Darcy’s law based numerical model was defined and validated, simulating a resin injection process in 2D geometries. Two simple cases were studied: rectilinear and radial resin flow. Both problems have an analytical solution, describing the flow front position vs time. The analytical results were compared with the ANSYS/FLUENT results, showing an excellent agreement and confirming the validity of the developed model. Defined the numerical model, it was used to simulate the two cases study (bulkhead and driving console), in order to optimize the injection strategy in the VARTM process. In particular, the bulkhead was manufactured using glass fibers, linen fibers, a core in PET and an epoxy resin. Porosity and permeability properties of these materials were defined before. The filling time was about an hour and the resin front flow was uniform. The numerical and experimental results are in good agreement. In the same way, the driving console manufacturing process was studied and different injection systems were analyzed, monitoring the fibers impregnation and the filling time. The console was manufactured using epoxy matrix and fiber glass. The first configuration analyzed was characterized by a central injection channel (68 cm length, 8 mm of diameter), placed in the longitudinal direction. Outlet channel is along the external edge of the console. Calculated filling time was about 4000 seconds with a homogeneous resin flow in the fabric. After that, different configurations were analyzed, adding transversal channels to the center one. Several simulations were carried out, changing geometrical parameters of these channels. In the optimized solutions, there were two transversal channels: 16 cm length and 43 cm far. Calculated filling time was reduced at 2500 seconds; the fabric impregnation was always uniform and complete. CONCLUSIONS This article shows that advanced numerical analyses are a fundamental tool in order to obtain high quality composite components by LCM manufacturing process. Two naval components were studied and optimized: a bulkhead of a hull and a boat driving console. A specific tool was developed using LS-Dyna in order to analyze the draping of the reinforcement fabric on the console mold. Areas characterized by high distortion of the fibers were identified and reduced. Furthermore, for both components, it was defined and validated a fluid-dynamic numerical model in ANSYS/FLUENT, able to simulate the resin injection process in the reinforcement fabric. It was possible to value different injection strategies, choosing the best configuration as function of the total filling time and of the homogenous impregnation of the fabric. The numerical and experimental results were in perfect agreement, validating the developed models.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: RTM process Fig.2: VARTM process Fig.3: Bulkhead geometry Fig.4: CAD Model of the console Fig.5: Draping Tool developed by CETMA Fig.6: Shape factor on the fabric reinforcement Fig.7: Shape Factor on the modified fabric Fig.8: Resin volume of fraction in a rectilinear filling Fig.9: Resin volume of fraction in a circular filling Fig.10: The Bulkhead prototype Fig.11: Comparison between experimental and ANSYS/FLUENT results after 25 minutes Fig.12: Calculated filling time in the first injection scheme Fig.13: Calculated filling time in the optimized injection scheme


Marco Regi e Francesco Sintoni

Nuovo paradigma per la previsione della resistenza a fatica dei compositi Il nuovo approccio al calcolo della vita residua utile dei materiali compositi basato sull’uso del teorema di Bayes potrebbe avere interessanti ricadute in ambito navale.

I

l moto di un natante sottoposto all’azione di onde è un moto armonico complesso a cui è associata una sollecitazione di tipo ciclico agente sotto la linea di galleggiamento le cui caratteristiche dipendono dalla sua velocità e dai parametri fisici dell’onda (pulsazione, ampiezza, periodo, vettore d’onda, ecc.) (fig.1). Come conseguenza di questa azione, la fatica meccanica (manifestazione macroscopica dell’accumulo di microcricche che gradualmente aumentano di dimensione con l’aumentare dei cicli di sollecitazione) gioca un ruolo importante nella progressione del danneggiamento originato nel composito dello scafo da una serie di cause (processi di osmosi o l’urto contro oggetti sommersi) ed esaltato dall’effetto congiunto delle onde e dei motori (quando in funzione), e del bending prodotto dall’acqua. Sebbene il comportamento a fatica meccanica dei compositi sia una tematica ben nota, la progettazione della struttura della barca viene spesso fatta con il supporto anche di approcci caratteristici dei materiali metallici e del legno. Ad esempio il limite di durata (o resistenza a fatica) che viene utilizzato è pari alla metà della ultimate strength statica, ma di fatto, nel caso del composito, questa grandezza meccanica viene a dipendere non solo dalle caratteristiche meccaniche stand alone dei materiali componenti, ma anche da altri fattori quali l’orientamento delle fibre (la cui frazione può variare da oltre il 65% a meno del 25%). Che il limite a fatica di natanti sottoposti all’effetto delle onde possa assumere un’importanza rilevante è dimostrato dal fatto che si stima che barche nel corso della loro vita operativa interagiscono con le onde fino a 10 milioni di volte. Il materiale composito, sia nella sua accezione generale di vetroresina, che di sandwich, che d’infuso in RTM, oggi è il materiale adottato nella pressoché totalità delle imbarcazioni, indipendente-

mente dalla dimensione, costo e dall’uso (agonistico, amatoriale, trasporto, etc.). Per la selezione e scelta del composito nel caso delle applicazioni marine è necessario far riferimento alle dimensioni dello scafo, allo spettro delle sollecitazioni e al tempo di vita. Ed è in relazione a questi parametri che viene operata la scelta sul tipo di fibra (carbonio per la resistenza strutturale, vetro per la resistenza e la leggerezza, Kevlar per la resistenza dinamica, ultraleggere come il Nomex), sulla matrice (polimerica - PMC - idonea per le fibre di cui sopra, metallica - MMC - idonea per fibre quali il carburo di silicio, ceramica - CMC - che non è d’interesse in quest’ambito) e sul processo (Hand lay up, prettamente “artigianale”, sistemi ad infusione - es. RTM - che di fatto sono quelli più vicini a un concetto di produzione industriale su larga scala). Se è banale osservare che la fibra (tape, textile o braid che sia) definisce la resistenza del composito, non lo è ricordare che è la matrice a ‘’dialogare’’ con il mondo esterno. In ambito navale, ad esempio, è la tipologia di acqua (salina o meno) a giocare un ruolo importante insieme ai carichi applicati (tab.1). La poliestere è la più usata, anche se la vinilstirene presenta una significativa resistenza alle sollecitazioni dinamiche (urti), all’acqua e agli agenti chimici. L’epossidica è di gran lunga la migliore, ma d’impiego tipicamente aerospaziale. Il materiale composito, la lunghezza ammissibile dello scafo (S ), la lunghezza L e l’altezza H dell’onda sono, quindi, gli elementi da prendere in considerazione in modo integrato nella progettazione e nell’utilizzo di una barca realizzata con tale materiale. Quanto detto sino ad ora riguarda le sollecitazioni agenti sullo scafo (e, quindi, sul composito) di tipo puramente random/dinamiche. Fermo restando la necessità della conoscenza sia analitica che sperimentale della resistenza meccanica di quest’ultimo, è complesso va-

lutare il comportamento dello scafo in un ambiente operativo di questo tipo e non noto a priori (a meno di valori nominali massimi ammissibili calcolati in fase di progetto). La progettazione dello scafo avviene dimensionando, in base al materiale, gli elementi strutturali per supportare carichi e stress secondo gli ammissibili e ai requisiti nominali (massimizzando e/o ottimizzando specifiche funzioni quali, ad esempio, la stabilità e la tenuta). Inoltre, si usano set specifici di formule semiempiriche riportate nei registri di classificazione. In tal senso si distinguono la robustezza primaria (la nave è intesa come una trave soggetta a momenti flettenti verticali e orizzontali, torcenti - critici per scafi con grandi aperture sui ponti -, stress di taglio), la robustezza

Fig.1: Natante in navigazione in presenza di onde

Fig.2: Danneggiamento da fatica in una struttura in composito

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secondaria (relativa alla travi longitudinali rinforzate e comprese tra due paratie sottoposte a carichi sia locali che globali) e quella terziaria (comportamento del fasciame compreso tra due elementi longitudinali e trasversali contigui dello scafo). Nel primo caso, definiti i carichi agenti, si calcola il campo di sollecitazione e di deformazione. Nel fare questo possono essere usati semplicemente approcci statici (gli effetti dinamici random d’onda e di moto della nave sono considerati assumendo carichi di tipo statico opportunamente maggiorati), nonché ipotesi di linearità che permettono la sovrapposizione degli effetti. Se, però, questo approccio è rappresentativo della realtà in condizioni di mare calmo, nel caso reale delle onde complesse sarà necessario usare modelli probabilistici ipotizzando previsioni di breve periodo (distribuzione spettrale nel tempo) e previsioni di lungo periodo (distribuzione spettrale dei carichi sommatoria di tutti quelli tipici di breve periodo estesa a un periodo che è quello nominale di esercizio). Il dimensionamento dei singoli elementi strutturali e delle campate deve essere calcolato di modo che la struttura (intesa in pratica come un telaio) resista e non colassi sotto l’azione dei carichi agenti, compresi quello della struttura e del carico utile imbarcato. Relativamente al rivestimento esso deve garantire la sua resistenza strutturale, ma anche la protezione nei confronti del fluido marino. Il principale fenomeno di innesco del danneggiamento del materiale composito di un’imbarcazione è quello dell’osmosi, ovvero un processo di infiltrazione/assorbimento di acqua all’interno del materiale dovuto alla porosità intrinseca dello stesso e alla non perfetta impermeabilità della resina e del rivestimento esterno. Laddove la resina non è completamente polimerizzata l’acqua assorbita interagisce chimicamente con le catene polimeriche creando microbolle la cui densità, essendo diversa da quella dell’acqua, crea una pressione osmotica che fa da driving force all’ulteriore assorbimento del fluido nella bolla e all’innesco di meccanismi di delaminazione delle regioni circostanti (nota 1). Naturalmente altre forme di danneggiamento sono causate da carichi superiori a quelli nominali e da urti/impatti con oggetti sommersi o semisommersi (nota 2) (fig.2). IL TEOREMA DI BAYES La statistica bayesiana - sviluppata (secondo alcuni per calcolare la probabilità dell’esistenza di Dio) nel 18.mo secolo da un ministro presbiteriano di nome Thomas Bayes (nota 3) - è un insieme di regole matematiche pensate per gestire l’utilizzo di dati al fine di avere uno strumento logico/ analitico che consente sia di aggiornare continuamente un insieme di dati e/o conoscenze pregresse/esistenti che di approcciare soluzioni probabilistiche a problemi complessi. Nel suo ambito la probabilità perde la tipica caratteristica di oggettività per diventare soggettiva: la probabilità di un evento ha il significato del grado di fiducia che una persona ha, secondo le sue informazioni ed opinioni, circa l’avverarsi dell’evento (nota 4). L’affermazione precedente ha come importante ricaduta il fatto che la probabilità che si verifichi l’evento dipende dal livello di conoscenza dello stesso ed è aggiornabile all’aumentare della conoscenza stessa. In questo contesto, quindi, si parla di probabilità a priori (dipendente dall’informazione conosciuta prima dell’analisi dei dati) e di probabilità che si verifichi un evento dato il verificarsi di un altro evento (probabilità a posteriori dipendente dall’analisi dei dati). Basata sull’idea intuitiva che la probabilità di un evento quantifichi il grado di fiducia nell’occorrenza dello stesso, la statistica bayesiana, muovendosi in modo ciclico all’interno del paradigma pregiudizio + indizio R conclusione, fornisce uno strumento logico che permette l’aggiornamento del valore della probabilità (P) dell’evento secondo una rete logica di propagazione dell’in-


Nuovo paradigma per la previsione della resistenza a fatica dei compositi Resin

Polyester

Vinilstirene

Epoxy

Advantage

Economical Easy to be found Easy to be machined

Highly resistant to chimica and environmental agents Mechanical characteristics superior to Polyester

High mechanical characteristics High workability time Exercise Tmax esercizio about 200°C Low strain while curing

Medium mechanical properties Postcuring to improve properties Chemical emissions during Styrene high concentration manufacturing Disadvantage High cost High workability limited time High strains while curing High strain while curing

High cost Not easy to be machined

Tab.1 - Criteri di scelta delle resine di matrice certezza e sulla base delle informazioni raccolte/disponibili. L’APPROCCIO BAYESIANO I materiali compositi per impiego marino sono soggetti a processi di danneggiamento da fatica meccanica che, a differenza dei metalli, si caratterizza come l’effetto di più meccanismi subcritici (frattura del materiale di matrice, delaminazione locale e globale, rottura delle fibre, ecc.) la cui progressione è influenzata dalle caratteristiche del materiale, dalla sequenza di stacking, dai livelli di sollecitazione, ecc. ed è scandita da soglie di pronostica importanti per l’analisi e nel controllo del processo di danneggiamento stesso. L’incertezza nell’evoluzione del danneggiamento, nella sua misura, nel modo con cui le diverse modalità di danneggiamento subcritico lo influenzano al crescere del numero di cicli da fatica meccanica, rende la statistica di Bayes una risposta agile e capace. Quest’ultima, attraverso l’aggiornamento delle informazioni acquisite da diverse sorgenti (sensori, modelli, dati di letteratura, ecc.), permette la realizzazione di modelli prognostici meno incerti e più accurati di quelli basati sulla statistica tradizionale. Tenere sotto controllo in modo accurato l’intero processo di danneggiamento del composito del natante e delle soglie di transizione da un meccanismo subcritico all’altro consente anche una più accurata previsione di fine vita (End Of Life, EOL), avvalendosi, però, di principi fisici (cioè, confronto dell’energia associata a ciascun meccanismo di danno sottocritico) e non di metodologie di tipo data – driven. Per queste ragioni la statistica bayesiana può diventare un tool di indubbio interesse nell’assessment strutturale delle imbarcazioni. Analizzando l’evoluzione dell’energia rilasciata nel processo di frattura del composito al crescere del numero di cicli di fatica meccanica n, è possibile comprendere meglio e prevedere come

il processo di danneggiamento progredisce nelle sue diverse fasi (cioè, delaminazione locale e globale, rottura della fibra, ecc. indotta da microfessure esistenti, microbolle, etc.) confrontando statisticamente le misurazioni della densità di danno ed i valori di densità di danno forniti dal modello in termini di probabilità. La statistica bayesiana applicata al caso della fatica meccanica di pannelli in materiale composito permette l’elaborazione di diagrammi del tipo di quello di figura 3 che riportano l’energia liberata in funzione della densità di cricche prodotta dai diversi meccanismi di danneggiamento, evidenziando la presenza di due punti critici in cui si verifica il passaggio da un meccanismo di danneggiamento all’altro. Questi punti del grafico definiscono le soglie di prognostica che sono molto importanti nella previsione della vita residua di esercizio della struttura. CONCLUSIONI L’articolo introduce un nuovo approccio statistico per il calcolo del valore stimato di vita residua utile dei compositi polimerici (utilizzabile in tutti i settori di applicazione, tra cui il navale) basato sui valori di energia rilasciati nei diversi modi di danneggiamento associati alla fatica meccanica di un materiale composito. Il modello probabilistico fornisce la stima delle soglie di cut - off del danneggiamento le quali cambiano dinamicamente man mano che nuovi dati di fatica sono resi disponibili. È in questo contesto che il teorema di Bayes fornisce uno strumento metodologico potente ed agile (nonchè robusto e affidabile) adatto a far fronte alla gestione di una grande mole di dati sulla cinetica del danneggiamento. Va, infine, evidenziato che questo approccio può essere introdotto, mediante lo sviluppo di software dedicati, all’interno dei data logger ovvero in tutti quei strumenti/sensori che monitorano (con funzioni anche di post analisys) “in live

Fig.3: Meccanismi di danneggiamento e loro evoluzione nel processo di fatica meccanica ed in remoto” qualsiasi apparato. Ciò significa che l’analisi dei dati acquisiti può essere fatta anche in tempo reale utilizzando un’ulteriore tool logico basato sul modello di Bayes che si contraddistingue per un livello di accuratezza superiore. Nota 1: Sebbene l’osmosi è di fatto non eliminabile totalmente, esso può essere rallentato/ridotto attraverso l’uso di resine epossidiche pure con il seguente procedimento che passa per le fasi di rimozione del rivestimento esterno (gel coat), asciugatura della carena, applicazione mediante hand lay up della resina pura di cui sopra, applicazione del gel coat, polimerizzazione. Nota 2: Per la parte relativa al danneggiamento da osmosi si ringrazia l’Ing. Fulvio Ferraro, carissimo collega al Centro Sviluppo Materiali S.p.a, oltre che profondo conoscitore della tecnologia dei materiali compositi e grosso appassionato di nautica. Nota 3: Thomas Bayes è stato un matematico e ministro presbiteriano inglese, ricordato per i suoi studi nel campo della matematica e della filosofia e noto come l’inventore del teorema sulla probabilità condizionata pubblicato postumo nel 1763. Nota 4: La definizione è presa dal libro “Probabilità e scelte razionali” – Edito dalla società Armando Editore e scritto dai dott. Paolo Agnoli e Francesco Piccolo.

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Marco Regi e Francesco Sintoni

New paradigm for the prediction of the fatigue strength of the composite materials A new approach to the calculation of the remaining useful life of composite materials based on the use of the Bayes’ theorem could have interesting implications in the naval field.

T

he motion of a vessel subjected to the action of waves is an harmonic complex motion in which a complex cyclic stress acting under the waterline is associated whose characteristics depend on its velocity and on the physical parameters of the wave (pulsation, amplitude, period, wave vector, etc.) (fig.1). As a result of this action, the mechanical fatigue damage (i.e., the macroscopic manifestation of the micro-cracks accumulation which gradually increase in size while the stress cicles increase) plays an important role in the progression of the damage originated in the composite hull from such causes as osmosis processes and collision with submerged objects. The coupled action of waves and engine (when running) matched to the bending produced by the sea water exalts the damage progression. Although the mechanical fatigue behavior of composites is a wellknown issue, the design of the boat structure is often made according with the same approaches used with metals and wood. For example, the used lifetime limit (or fatigue strength) is the half of the ultimate static strength, but , in the case of the composite materials this mechanical entity depends not only on the stand alone mechanical characteristics of the component materials, but also by such other factors as, for example, the orientation of the fibers, which fraction can vary from over 65% to less than 25%. The fatigue limit of the vessels subjected to the effect of the waves can take a significant importance as it is demonstrated by the fact that boats during their lifetime interact with waves up to 10 million times. The composite material in the general term of fiberglass, sandwich or infused RTM is today the material used in almost all the boats regardless of size,

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cost and usage (competitive, recreational, transportation, etc.). For the selection and choice of composites in marine applications it is necessary to refer to the size of the hull, to the spectrum of the stresses and to the boat lifetime. The choice of the type of fiber (Carbon for structural strength, glass for strength and lightness, Kevlar for the dynamic resistance, Nomex for lightweight applications), of the matrix (Polymeric - PMC - suitable for the above mentioned fibers, metal - MMC - suitable for fibers such as silicon carbide, ceramic - CMC - which is not of interest in this area) and of the process (Hand lay-up which is a purely “craft’’ method, infusion systems - e.g. RTM - which de facto are closest to the concept of a large scale industrial production) is driven by these parameters. If it is trivial to observe that the fiber (tape, textile or braid) defines the strength of the composite, the ‘’dialogue’’ of the composite material with the outside world is demanded to the matrix. In the naval field, for example, it is the type of water (saline or less) to play an important role together with the applied loads (tab.1). The polyester is the most used, although the vinilstirene presents a significant resistance to both dynamic stresses (bumps), and to water and chemical agents. The epoxy is by far the best, but employed typically in aerospace applications. The composite material, the allowable length of the hull (S), the length L and the height H of the wave are, therefore, the elements to be taken integrally into account in the design and use of a boat made by such type of material. All what said up to now has, in fact, the meaning of purely random and dynamic stresses acting on the hull (and, therefore, on the composite). Notwithstanding the need of both an analytical and experimental knowledge of the mecha-

nical strength of the material, it is complex to evaluate the behavior of the hull in an operating environment of this type which is not known a priori (for less than the maximum rated admissible values calculated in the design phase). The design of the hull is carried out by sizing, according to the material, the structural elements in order to support the load and the stress according to the allowables and the nominal requirements (by maximizing and/or optimizing specific functions such as, for example, the stability and the seal). In addition, specific sets of semi-empirical formulas reported in the records of classification are used. In this sense we distinguish the primary robustness (the ship is intended as a beam subjected to the bending vertical and horizontal moment, twisting critical for hulls with large openings on the bridges -, shear stress), the secondary robustness (relative to the longitudinal beams reinforced and comprised between two bulkheads subjected to both local and global loads) and the tertiary robustness (the behavior of planking between two contiguous longitudinal and transverse hull elements). In the first case, once defined the acting loads, the field of stress and strain is calculated by using simply static approaches (the dynamic random effects due to the wave and to the motion of the ship are considered by assuming appropriately increased static loads), as well as the assumption of linearity that allows the superposition of the effects. If, however, this approach is representative of the reality in calm sea conditions, in the real case of complex waves probabilistic models are requested while assuming short-term (spectral distribution of loads over time) and long-term forecasts (spectral distribution of loads which are the sum of all those typical of the short period, but extended to the whole nominal operating time).


After defining the boundary conditions, the dimensioning of each individual structural element and of the spans must be done so that the structure (in practice thought as a frame) can resist and does not colapse under the action of the acting loads, including the structure and the embarked payload ones. Relatively to the coating, it must ensure both its own structural strength and also the protection in respect of the fluid marine environment. The main phenomena of ignition of the composite material damage of a boat vessel is the osmosis, which is the process of water infiltration/absorption into the material due to the intrinsic porosity of the not perfect impermeability of the resin and the external coating. Whenever the resin is not completely cured, the absorbed water chemically interact with the polymer chains creating microbubbles whose density, being different from that of the water, creates an osmotic pressure that is the driving force to the further absorption of the fluid in the bubble and of all the trigger mechanisms of delamination of the material surrounding regions. Of course, other forms of damage are triggered by loads greater than the nominal ones and from shock/impact with submerged or semi-submerged objects (fig.2). BAYES AND HIS THEOREM The bayesian statistics - developed in the 18th century by a Presbyterian minister named Thomas Bayes - is a set of mathematical rules designed to manage large amounts of data in order to have a logical/analytical tool which allows to update a set of prior or existing data and/or knowledge as well as to approach complex problems by means of a very smart probabilistic methodology. In the sphere of the bayesian statistics the probability loses the typical characteristic of objectivity to become subjective: the likelihood of an event has the meaning of the degree of confidence that a person has, according to his information and opinion, about the event occurrence. The previous statement has the important effect that the probability that the event occurs depends on the level of knowledge of it and that this probability is upgradeable with the increase of the knowledge itself. In this context, therefore, there is the prior probability, which is dependent on information known before the data analysis and the probability of occurrence of an event given the occurrence of another event (posterior

probability which depends on the handled data analysis). Thus, based, as mentioned, on the intuitive idea that the probability of an event quantifies the degree of confidence in its occurrence, the bayesian statistics, therefore, provides a logical tool that, by cyclically moving within the paradigm injury + clue R conclusion and on the basis of the progressively collected available information, allows the updating of the probability value related to the event according to a logical route of uncertainty propagation. THE BAYES’ APPROACH The composite materials for marine use are subjected to mechanical fatigue-based damage processes that, unlike metals, are characterized as the effect of multiple subcritical mechanisms (fracture of the matrix material, local and global delamination, breakage of the fibers, etc.) whose progression is influenced by the characteristics of the material, by the sequence of stacking, by the stress-levels, and so forth, and is marked by prediction thresholds which are important for the analysis and the control of the damage process itself. The uncertainty in the damage evolution, in its measure, in the way by which the different modes of subcritical damage influence its growth as the number of mechanical fatigue cycles increases, makes the Bayes’ statistics a nimble and smart response in constructing, through the update of the information acquired from different sources (sensors, models, data from the literature, etc.), less uncertain and more accurate prognostic models than those based on the traditional statistics. Taking more accurately under control the whole damage process of both the boat vessel composite and the transition thresholds from a subcritical mechanism to another, also allows a more accurate prediction of the structure end of life (EOL), by using in this case, however, physical principles (i.e., comparison of the energy associated with each subcritical damage mechanism) and not data driven-based methodologies. For these reasons, the bayesian statistics can become a tool of great interest in the structural assessment of boats and more generally marine infrastructures. By analyzing the evolution of the energy released in the process of composite fracture as the number of mechanical fatigue cycles grows, it is possible to better understand and predict how the

damage process progresses in its different stages (i.e., local and global delamination, fiber breakage, etc. induced by existing microcracks, microbubbles, etc.) by statistically comparing in terms of probability the damage density measurements and the damage density values given by the model. The bayesian statistics applied to the case of the mechanical fatigue of panels in composite material allows the processing of diagrams of the type of figure 3 that show the energy released as a function of crack density produced by the different damage mechanisms, and that highlights the presence of two critical points in which occurs the transition from a damage mechanism to another. These graph points define prognostic thresholds which are remarkable in forecasting the residual exercise life of the structure. CONCLUSIONS This article introduces a new statistical approach to the calculation of the estimated value of remaining useful life of polymer composites (usable in all areas of application, including the naval one) which is based on the values ​​ of the energy released in the different modes of damage associated to the mechanical fatigue of the material. The Bayes probabilistic model provides the estimation of cut - off thresholds of the damage which change dynamically as new fatigue data and measurements are available. It is in this context that the Bayes’ theorem provides a powerful and flexible methodological tool (as well as robust and reliable) suitable to deal with the handling of large amounts of data related to the damage kinetics. Finally, it should be also underlined that this approach can be introduced, through the development of dedicated software, in data-loggers or in all those instruments/sensors that monitor any apparatus “in live and in remote”. This means that the analysis of the acquired data can be carried out both in real time and in post analysis by using a Bayes model ‘’logical tool’’ which is characterized by a level of higher accuracy.

All the mentioned figures refer to the italian version Tab.1: Selection criteria of resin matrix Fig.1: Ship sailing over waves Fig.2: Fatigue damage in the composite structure Fig.3: Damage mechanisms and their evolution during the mechanical fatgue process

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G. De Luca - CETENA S.p.A. (Fincantieri Group) e IMAST Scarl “Technological District on Engineering of polymeric and composite Materials and Structures”

Protezioni balistiche in composito a bordo delle navi Nell’ambito dei progetti di ricerca di IMAST (TRASPORTI - DM 24440) e (MACADI - DM 60683) sono state sviluppate protezioni balistiche in composito ottimizzate per l’utilizzo a bordo delle navi, come alternativa all’uso dell’acciaio balistico convenzionale. La ricerca è stata prima focalizzata sulla scelta e la combinazione dei materiali grazie a simulazioni numeriche e una campagna di prove sperimentali al poligono di tiro. Successivamente è stato curato lo sviluppo di modelli di simulazione numerica degli impatti balistici.

P

er rispondere alle sfide globali del mercato e alle molteplici esigenze provenienti dai moderni settori industriali è necessario proporre nuove soluzioni attingendo a tecnologie e criteri ingegneristici diversi. Infatti l’innovazione richiede sempre più un approccio multisettoriale e multidisciplinare, soprattutto nel settore dei materiali compositi. IMAST, il Distretto Tecnologico sull’Ingegneria dei Materiali Compositi Polimerici e delle Strutture, propone tale approccio agendo da knowledge integrator tra le competenze scientifiche e tecnologiche dei propri soci: imprese, università, enti e centri di ricerca. Ha promosso e promuove collaborazioni su scala nazionale e internazionale, agendo come holding dei laboratori dei soci. Da questo approccio sono nate e continuano a nascere progettualità comuni. Per il settore navale l’IMAST, in collaborazione con socio Centro per gli Studi di Tecnica Navale (CETENA S.p.A), società del Gruppo FINCANTIERI, ha attivato diversi filoni di ricerca finalizzati all’utilizzo a bordo nave di materiali polimerici e compositi multifunzionali, con l’obiettivo di ridurre il peso delle strutture e il consumo di combustibile, di sviluppare nuovi sistemi adesivi e di giunzione resistenti al fuoco semplificando l’assemblaggio di componenti a bordo e realizzare sistemi multifunzionali quali ad esempio le protezioni balistiche in composito. Questa tematica ha avuto inizio con il progetto TRASPORTI “Soluzioni integrate per la progettazione e realizzazione di elementi in composito per applicazioni nel settore dei trasporti” (DM 24440) ed è proseguita con il progetto MACADI “Sviluppo di Modelli e metodi di calcolo per l’Analisi di strutture in materiale polimerico e composito sotto Carichi Dinamici e d’Impatto” (DM 60683), entrambi finanziati dal MIUR. La protezione balistica, un tempo appannaggio esclusivo del naviglio militare, è diventata progressivamente d’interesse anche per il settore diporto e megayacht e per le navi mercantili in generale, a causa dell’attuale scenario

Fig.1: Fregata Carlo Bergamini, programma FREMM (Cortesia Fincantieri e MMI)

Fig.2: Configurazione tipica delle protezioni balistiche sviluppate

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Le visioni diventano realtà.

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- Protezioni balistiche in composito a bordo delle navi internazionale e l’incremento del rischio di attacchi di pirateria e terrorismo. Sulle navi militari è richiesta una corazzatura per la plancia di comando e alcune zone sensibili, quali i depositi munizioni, contro potenziali attacchi di tipo asimmetrico, condotti con armi portatili o spallabili. Il livello di protezione richiesto dalle varie normative in uso prevede tipicamente minacce quali proiettili 7.62x51, di tipo ball ordinario o perforante, e 12.7x99 perforante. Per quanto concerne le applicazioni civili, per i megayacht e per le navi mercantili che operano in zone ritenute pericolose viene prevista una zona nave protetta in caso di abbordaggio definita “cittadella”. Tradizionalmente la corazzatura viene realizzata con acciaio balistico, che presenta un costo contenuto ma anche un peso elevato e difficoltà tecnologiche di integrazione a bordo. La problematica del peso della protezione è rilevante non tanto come valore assoluto rispetto al dislocamento totale, ma in quanto localizzata sui ponti alti, e pertanto con elevato momento statico. Ne consegue l’innalzamento del centro di gravità e la riduzione della stabilità nave, parametro che impatta sensibilmente sul progetto di una moderna unità navale. Dal punto di vista dell’integrazione a bordo, l’acciaio balistico presenta problematiche di corrosione e saldabilità con l’acciaio normale dello scafo; inoltre risulta incompatibile con le sovrastrutture in lega leggera. Una valida alternativa è rappresentata dalle protezioni in materiale composito, già diffuse in altri settori industriali, ma ancora poco impiegate sulle grandi navi per problematiche di costo e di rispetto delle severe normative navali e militari. Nel progetto TRASPORTI IMAST ha utilizzato un approccio multidisciplinare per sviluppare soluzioni in materiale composito per il settore dei trasporti. Hanno partecipato al progetto il CETENA S.p.A. (Fincantieri group), ELASIS (FIAT group) e l’Istituto dei Materiali Compositi e Biomedici del CNR. La sinergia tra i partner industriali (automotive e navale) e la collaborazione con enti di ricerca eccellenti operanti sul tema dei compositi, ha permesso di sviluppare una piattaforma multiobiettivo e nuove metodologie di calcolo, sperimentazione e progettazione di strutture in materiale composito. Per il settore automotive, infatti, è stato realizzato il portellone di un’autovettura in polimero fibrorinforzato e per il settore navale, invece, sono stati progettati e realizzati dei pannelli di compartimentazione al fuoco e dei pannelli di protezione balistica. Nel caso delle protezioni balistiche la piattaforma multiobiettivo ha permesso di identificare i materiali e la tecnologia realizzativa più idonei per il settore navale. In particolare sono state sviluppate soluzioni ad hoc, con pannelli di tipo

Fig.3: Test di sparo al poligono e analisi post-mortem di proiettile e pannelli

Fig.4: Strumentazioni del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale del Politecnico di Torino (DIMEAS) – SHPB e Gas Gun. Cortesia DIMEAS add-on, cioè da installare direttamente dietro l’acciaio da scafo del fasciame nave, per la protezione da proiettili 7.62x51 Nato ball ordinario e perforante.

Il composito utilizzato nelle configurazioni finali è di tipo fibro-ceramico, cioè costituito da un pannello base in laminato di fibra aramidica (Twaron) e resina

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- Protezioni balistiche in composito a bordo delle navi -

Fig.5: Materiali componenti delle protezioni testati

Fig.6: Test SHPB trazione su acciaio scafo – confronto test reale/simulazione

Fig.7: Simulazione impatto proiettile con acciaio scafo

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fenolica con un rivestimento di piastrelle in ceramica balistica (allumina sinterizzata). La figura 2 mostra la configurazione tipica. La ceramica ha la funzione di frammentare i penetratori d’acciaio dei proiettili perforanti, ma è stato mostrato che in questo caso un aumento proporzionale dello strato d’allumina rispetto al laminato può essere globalmente sfruttato per contenere i costi di produzione. L’utilizzo di resina fenolica ha consentito il rispetto delle norme navali sull’emissione di fumi e la tossicità in caso di incendio previste dall’IMO, International Maritime Organization, (FTP code, Annex 1, parte 2, ISO 5659:1994). Grazie alla simulazione numerica dell’impatto e a un’estensiva campagna di prove al poligono è stato possibile ottimizzare la soluzione, considerando nel sistema anche il contributo balistico dell’acciaio del fasciame nave e trovando il giusto compromesso tra riduzione dei pesi e contenimento dei costi dei materiali e di produzione. Le prove al vero al poligono sono state condotte utilizzando la metodologia di prova “V 50”, secondo lo standard “MIL-STD-662F - V50 BALLISTIC TEST FOR ARMOUR” del dipartimento della difesa USA. Questo sistema ha consentito di quantificare l’effettiva prestazione dei pannelli e confrontare le soluzioni migliori, e di individuare la distanza ottimale di montaggio tra fasciame e protezione dal punto di vista dell’efficienza balistica. La figura 3 mostra alcuni test condotti al poligono; si evidenzia l’analisi “post mortem”, con la verifica degli strati danneggiati e della modalità di rottura del proiettile recuperato. Il progetto MACADI verte sullo sviluppo di strumenti di modellazione, simulazione e validazione sperimentale degli impatti dinamici (bassa, media e alta velocità), per strutture in materiale composito del settore trasporti (automotive, aeronautico e navale). Anche per questo progetto IMAST ha adoperato un approccio multidisciplinare coinvolgendo nella ricerca soci industriali del settore navale (CETENA), aeronautico (Alenia Aermacchi e CIRA) e automotive (Centro Ricerche Fiat), cui si aggiungono i soci accademici quali il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale (DIAS) dell’Università di Napoli “Federico II” e il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale del Politecnico di Torino (DIMEAS). Proprio grazie a questo approccio multidisciplinare vengono studiati e sviluppati nuovi modelli matematici previsionali, frutto dell’interazione di differenti competenze, che vanno dal crash dell’automobile all’urto della fusoliera di un aereo in fase di atterraggio, all’impatto balistico per le navi. Dal punto di vista della balistica navale MACADI rappresenta il naturale proseguimento di TRASPORTI, e nasce dall’esigenza di affinare le simulazioni


- Protezioni balistiche in composito a bordo delle navi numeriche attraverso la caratterizzazione e la modellazione del comportamento ad altissima velocità di deformazione (strain-rate) di tutti i materiali coinvolti nel fenomeno impatto balistico. Obiettivo finale è ottenere attraverso l’analisi F.E. uno strumento progettuale efficace con buone capacità previsionali, in termini di resistenza delle configurazioni e stima della velocità balistica limite VBL (velocità teorica minima del proiettile per cui si verifica la completa perforazione del bersaglio). Per le simulazioni numeriche condotte dal CETENA è stato scelto il codice ad elementi finiti di tipo esplicito Dytran della MSC Software. A tal fine è stata condotta ed è tutt’ora in corso da parte DIMEAS del Politecnico di Torino una campagna di test dinamici altamente specialistici con strumentazioni e attrezzature all’avanguardia, quali tre Split Hopkinso Pressure Bar (SHPB) di compressione e di trazione e un cannone a gas (Gas Gun). Concettualmente il sistema proiettile/bersaglio è stato scomposto in tutti i suoi componenti, mostrati in figura 5, e cioè il proiettile perforante (e in particolare il penetratore in acciaio), l’allumina, l’acciaio scafo e il laminato aramidico-fenolico, con lo scopo di identificare e sviluppare per ciascuno di essi i modelli costitutivi più idonei alla simulazione dinamica. Dai componenti sono stati ricavati provini di diverse tipologie che sono stati testati con prove statiche, dinamiche a elevato strain rate e in temperatura (sono tutt’ora in corso le prove al Gas Gun sul laminato). Già in questa fase l’analisi F.E. è risultata funzionale e complementare alle prove di laboratorio, permettendo di progettare e ottimizzare i test e in seguito di tarare i modelli. I modelli selezionati sono quello di Johnson e Cook per i componenti metallici, il modello di Johnson Holmqist e altri modelli equivalenti per l’allumina, mentre è attualmente in sviluppo un modello ad hoc per il laminato aramidico-fenolico. La figura 6 mostra il confronto tra i risultati del test a elevato strain rate alla SHPB di trazione dell’acciaio dello scafo e la simulazione numerica, da cui si evince un perfetto accordo. La figura 7 mostra la simulazione dell’impatto di un proiettile 7.62x51 perforante con l’acciaio scafo. La velocità residua calcolata per il proiettile all’uscita differisce da quella misurata al vero di appena il 2%, confermando la bontà del modello. La figura 8 mostra alcune delle simulazioni condotte sull’allumina, e in particolare la riproduzione di una prova alla SHPB e l’impatto con un penetratore di proiettile 7.62x51 perforante. La figura 9 mostra una simulazione funzionale al progetto di una prova del laminato aramidico-fenolico al gas gun, al fine di stimare preliminarmente la VBL del sistema.

Fig.8: Simulazioni sull’allumina: test alla SHPB e impatto con penetratore proiettile 7.62x51 AP

Fig.9: Simulazione test al Gas Gun dei pannelli aramidico/fenolici e identificazione velocità balistica limite VBL CONCLUSIONI Attraverso l’approccio multidisciplinare di IMAST, nell’ambito dei progetti di ricerca TRASPORTI e MACADI è stato possibile progettare e realizzare soluzioni innovative in composito multifunzionali da adoperare a bordo nave. In particolare le soluzioni di protezione balistica sviluppate permettono di ottenere un sensibile risparmio di peso rispetto alle corazzature navali tradizionali (circa il 40% con riferimento alla minaccia 7.62x51 A.P.), nel rispetto delle normative navali e risolvendo alcune problema-

tiche tecnologiche proprie dell’acciaio balistico convenzionale. È stato inoltre mostrato come l’analisi numerica, applicata al settore dei compositi polimerici, possa essere utilizzata come un efficace strumento progettuale. Si segnala che, anche grazie alle ottimizzazioni e ai risultati conseguiti nei progetti IMAST, per le navi militari FINCANTIERI attualmente in progetto e di prossima costruzione è previsto l’uso estensivo di corazzature in materiale composito avanzato, con un importante salto tecnologico per il settore.

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G. De Luca - CETENA S.p.A. (Fincantieri Group) and IMAST Scarl “Technological District on Engineering of polymeric and composite Materials and Structures”

Composite ballistic protections on ships Ballistic protections made out of composite materials and optimized for the use on ships were realized as an alternative to the use of conventional ballistic steel within the framework of the IMAST research projects TRASPORTI - DM 24440 and MACADI - DM 60683. The research activity was initially focused on the choice and assembly of materials by means of numerical simulations and an experimental campaign at a shooting range. Numerical simulation models of ballistic impacts were subsequently developed.

I

n order to meet the global market challenges and the multiple needs of the different modern industries it is necessary to offer new solutions drawing on a range of technologies and engineering criteria. Indeed innovation requires an increasingly multisectoral and multidisciplinary approach, especially in the field of composite materials. IMAST, the Technological District on Engineering of polymeric and composite Materials and Structures, offers this approach acting as a knowledge integrator between the scientific and technological expertise of its associates: companies, universities, research institutes and bodies. IMAST has been promoting collaborations on a national and international scale acting as a holding of its associates’ laboratories. Common projects have been born and keep blossoming from this approach. In collaboration with its associate Centro per gli Studi di Tecnica Navale (CETENA S.p.A.), a company of the FINCANTIERI Group, IMAST has activated a range of research lines for the shipbuilding industry, focusing on the use of polymeric materials and multifunctional composites in ships with the aim of: Reduction of the weight of structures and fuel consumption; Development of new fire-resistant adhesive and jointing systems by streamlining the assembly of components on board; Realization of multifunctional systems such as composite ballistic protections. This topic started with the project TRASPORTI “Integrated solutions for the design and realization of composite elements for applications in the transportation field” (DM 24440) and continued with the project MACADI “Development of models and methods for the analysis of structures in polymer and composite materials under dynamic and im-

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pact loads” (DM 60683). Both projects were funded by the MIUR. Ballistic protection progressively evolved from being in the past an exclusive hallmark of military fleets to attracting interest in the field of recreational boating and megayachts as well as of merchant ships in general, too, due to the current international situation and the increased risk of pirate and terroristic attacks. Military vessels require an armour protection of the forebridge and of some sensitive areas (such as ammunition depots) against potential asymmetric attacks performed by means of portable or shoulder-fired weapons. The protection level required by various standards of current use typically takes into account threats like 7.62x51 ball and armor-piercing rounds and 12.7x99 armor-piercing rounds. Concerning civil applications, a protected area used in case of boarding and defined “citadel” is foreseen for megayachts and merchant ships operating in areas deemed dangerous. The armour protection is usually made out of ballistic steel, a low-cost solution that unfortunately also features heavy weight and difficulties in the integration on board. The critical issue of the protection weight does not lie in the local entity of the load but in the placement in the upper decks which results in a large static moment. Consequently the protection raises the center of mass and decreases the ship stability, a parameter with a significant impact on the design of modern ships. Concerning the on-board integration, ballistic steel exhibits issues regarding corrosion and welding with the conventional steel used in the hull. Furthermore it turns out to be incompatible with the lightweight alloy superstructures. A valid alternative lies in the use of composite protections,

which are already widespread in other industries but have been scarcely used so far on large ships due issues like cost and compliance with the strict naval and military standards. IMAST implemented in the project TRASPORTI a multisciplinary approach aimed at the development of composite materials solutions for the transportation industry. CETENA S.p.A. (Fincantieri group), ELASIS (FIAT group) and the CNR Institute of Composite and Biomedical Materials participated in the project. The synergy between industrial (automotive and shipbuilding) partners and the collaboration with research centers of excellence working on the topic of composite materials allowed for the development of a multi-objective platform and of new computation, experimentation and design methods for composite structures. Indeed a fiber-reinforced polymeric car door was realized for the automotive industry, while in the context of shipbuilding fire compartmentalization panels and ballistic protection panels were designed and manufactured. In the case of ballistic protections the multi-objective platform allowed to identify the materials and of the manufacturing technology most suited to the shipbuilding industry. In particular, ad hoc solutions were developed with add-on panels, i.e. elements to be installed directly beneath the ship’s hull steel plating for the protection from 7.62x51 NATO ball and armor-piercing rounds. The composite used in the final configurations is a fiber-ceramic material, i.e. it is based on an aramyd-fiber (Twaron) laminated panel with the addition of a phenolic resin and a coating of ballistic ceramic tiles (syntered alumina). Figure 2 shows the typical configuration.


The purpose of the ceramic material is the fragmentation of the steel piercing shell, but it has been shown that in this case a proportional increase in the alumina layer with respect to the laminate can be exploited to reduce the overall manufacturing costs. The use of a phenolic resin allowed for the complaince with the standards on smoke emission and toxicity in case of fire issued by IMO, the International Maritime Organization (FTP code, Annex 1, part 2, ISO 5659:1994). Thanks to the numerical simulation of the impact and to an extensive test campaign in a shooting range an optimal solution was achieved including in the system the ballistic contribution of the ship steel plating and the right compromise was found between weight reduction and material and manufacturing cost. The shooting range tests were performed using the “V 50” test method according to the “MIL-STD-662F V50 BALLISTIC TEST FOR ARMOUR” standard of the US Department of Defense. This method allowed for the quantitative evaluation of the real performance of the panels and for the comparison of different solutions as well as the for the identification of the optimal mounting distance between the plating and the protection in terms of ballistic efficiency. Figure 3 shows some of the test performed in the shooting range. Notice the “post-mortem” analysis with the evaluation of the damaged layers and the failure mechanism of the projectile. The MACADI project consists in the development of tools for the modelling, simulation and experimental validation of impacts at low, medium and high velocity in composite structures for the transportation industry (automotive, aviation and marine transportation). IMAST again implemented a multidisciplinary approach to the project including in the research activity industrial associates coming from shipbuilding (CETENA), aviation (Alenia Aermacchi and CIRA) and automotive (Centro Ricerche FIAT) as well as academic partners such as the Aerospace Engineering Department (DIAS) of the Napoli University “Federico II” and the Mechanical and Aerospace Engineering Department (DIMEAS) of the Torino Polytechnic. This approach allows for the study of new predictive mathematical models thanks to the interaction of different expertise ranging from car crash to the impact of an airplane fuselage at landing, to ballistic impacts in ships.

From the viewpoint of naval ballistics MACADI represents the natural following of TRASPORTI and stems from the need of refining the numerical simulations by means of the characterization and modelling of the strain rate behaviour at very high speed of all materials involved in the ballistic impact phenomenon. The ultimate goal is to achieve through the use of FE analysis a design tool with good predictive power concerning the structural strength of the configuration under analysis and the estimate of the ballistic limit velocity VBL (minimum theoretical velocity of the projectile resulting in the complete perforation of the target). The explicit finite elemet code Dytran by MSC Software was chosen for the numerical simulations performed by CETENA. A campaign of specially tailored dynamics test has been performed and presently continues to this aim at the DIMEAS in the Torino Polytechnic, where state-of-the art instrumentation and equipment is used, e.g. three Split Hopkinson Pressure Bars (SHPB) for compression and tensile tests and a gas gun. The projectile/target system was conceptually broken up into its components, shown in Fig. 5, i.e. the armor-piercing round (and in particular the steel penetrator), the alumina, the steel of the hull and the aramid-phenolic laminate, with the purpose of identifying and developing the models most suited to the numerical simulation for each of the elements. Specimens of different types were obtained from the components and tested by means of static tests, dynamic tests at high strain rate and high temperature tests (Gas Gun tests on the laminate are still ongoing). The FE analysis proved useful and complementary to the laboratory tests already at this stage, allowing for the design and optimization of tests first and successively for the calibration of models. The choices fell on the Johnson-Cook model for the metallic components, the Johnshon-Holmquist and equivalent models for alumina, while an ad hoc model is currently under development for the aramid-phenolic laminate. Figure 6 shows the comparison between the high strain rate SHBP tensile test of the hull steel and the numerical simulation, where one can notice a perfect agreement. Figure 7 shows the simulation of the impact of a 7.62x51 armor-piercing round with the hull steel. The calculated residual velocity of the round coming out of

the target differs from the measured one by a mere 2%, thus confirming the validity of the model. Figure 8 shows some of the simulations performed on the alumina and in particular the reproduction of a SHPB test and the impact with a 7.62x51 armor-piercing round. Figure 9 shows a simulation performed to design a Gas Gun test of the aramid-phenolic laminate so that a preliminary estimate of the system’s VBL can be drawn. CONCLUSIONS The design and realization of innovative, multifunctional composite solutions for the use in ships was made possible within the research projects TRASPORTI and MACADI thanks to the multidisciplinary approach of IMAST. In particular the ballistic protection solutions thus developed allow for a significant weight reduction with respect to traditional ship armour protections (approximately 40% when 7.62x51 armor-piercing rounds are considered) while they are compliant with naval standards and solve some technology issues typical of conventional ballistic steel. Furthermore it was demonstrated that numerical analysis applied to the field of polymer composites can be used as an effective design tool. We remark that, also thanks to the optimization and the results achieved in the IMAST projects, FINCANTIERI military vessels presently being designed and soon to be built will make extensive use of shieldings implementing advanced composite materials, representing an important technological leap forward in this industry.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Carlo Bergamini frigate, FREMM program (Courtesy Fincantieri and MMI) Fig.2: Typical configuration of the developed ballistic protections Fig.3: Shooting range tests and post-mortem analysis of projectiles and panels Fig.4: Instrumentation of the Mechanical and Aerospace Engineering Department (DIMEAS) of the Torino Polytechnic – SHPB and Gas Gun. Courtesy DIMEAS Fig.5: Tested materials of the protections Fig.6: SHPB tensile test of the hull steel – real test/simulation comparison Fig.7: Simulation of projectile impact with the hull steel Fig.8: Simulations of alumina: SHPB tests with 7.62x51 AP penetrator Fig.9: Gas Gun test simulation of aramid-phenolic panels and identification of the ballistic limit velocity VBL

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Quaresimin M., Zappalorto M., Carraro P.A. - Dipartimento di Tecnica e Gestione dei sistemi industriali, Università di Padova

Strategie innovative per la progettazione a fatica di parti strutturali in composito Il gruppo di ricerca sui compositi del DTG - Università di Padova ha condotto un’attività di caratterizzazione e modellazione volta allo sviluppo di una procedura per la previsione della diminuzione di rigidezza di laminati soggetti a carichi ciclici: uno strumento importante per una progettazione affidabile di parti strutturali in composito avanzato.

N

egli ultimi anni l’industria automobilistica ha dovuto fronteggiare il bisogno di diminuire i consumi di carburante, e le conseguenti emissioni di CO2, senza penalizzare le performance su strada. Ciò ha portato alla necessità di diminuire il peso dei veicoli, richiamando un crescente utilizzo di materiali compositi, anche per la progettazione di componenti strutturali. Questi, infatti, offrono numerosi vantaggi in quanto sono caratterizzati da rigidezza e resistenza specifiche molto elevate, permettendo anche di “progettare” il materiale a seconda di determinate esigenze, potendone variare sia i costituenti sia l’architettura. La maggior parte dei componenti realizzati in composito, sia in ambiente automotive che in altri settori industriali, è soggetta a carichi di esercizio ciclici che possono portare all’innesco ed evoluzione del danno. Questo si manifesta con una perdita di proprietà meccaniche (rigidezza e resistenza residua) e può portare alla rottura del componente. Di conseguenza, per migliorare l’affidabilità del prodotto finale, si rende indispensabile la progettazione a fatica nella fase

di ingegnerizzazione delle parti strutturali in materiale composito. Per far fronte alla richiesta di strumenti di progettazione a fatica adeguati in ambito automotive, e non solo, il gruppo di ricerca sui materiali compositi del DTG - Università di Padova sta lavorando da qualche anno allo sviluppo di una procedura progettuale per la previsione dell’innesco ed evoluzione del danno, la perdita di rigidezza e la rottura finale di laminati in composito soggetti a carichi ciclici. In questo contesto la progettazione a fatica si può declinare in diverse forme: • progettazione ad innesco del danno • progettazione a rigidezza • progettazione a resistenza. Attualmente alcuni campi di applicazione richiedono una progettazione volta ad evitare l’innesco di danno, basti pensare a componenti contenenti fluidi in pressione in ambiente automotive, quali ad esempio il distributore della benzina agli iniettori. In questi casi è fondamentale essere in grado di prevedere i cicli spesi per l’innesco della prima cricca in una data condizione di carico. In altre circostanze, in cui è preferibile un approccio damage tolerant, l’obietti-

Fig.1: Curve S-N per l’innesco di cricche off-axis in laminati vetro/epossidica [0/602/0/-602]s e [0/502/0/-502]s [2]

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Compositi

vo più immediato della progettazione a fatica è quello di evitare la rottura finale. È importante però considerare che la vita a fatica di un laminato in composito è caratterizzata da un’evoluzione progressiva del danno che avviene tramite diversi meccanismi di danneggiamento e che può portare a perdite di rigidezza consistenti (fino al 30-40%) anche molto prima della rottura finale. La rigidezza rappresenta spesso un parametro fondamentale nella progettazione di parti in composito, per cui è essenziale essere in grado di prevederne la diminuzione in presenza di carichi ciclici, in modo da assicurare una progettazione più affidabile ma anche ottimizzata e quindi più economica. L’evoluzione del danneggiamento in laminati in composito è un fenomeno complesso che coinvolge processi gerarchici e su scale di lunghezza diverse, nonché dipendenti dai materiali utilizzati, dalla sequenza di sovrapposizione, dalla tipologia di carico e dalla condizione di multiassialità [2]. Lo sviluppo di una metodologia di progettazione affidabile non può che prevedere l’utilizzo di modelli basati sui meccanismi di danneggiamento che si manifestano alle diverse scale di lunghezza e la loro integrazione in una procedura di progettazione multi-scala e multi-meccanismo. Questo tipo di approccio basato sulla meccanica del danneggiamento è alla base dell’attività di ricerca condotta dall’Università di Padova orientata alla caratterizzazione e modellazione del comportamento a fatica di compositi avanzati. DANNEGGIAMENTO E ROTTURA A FATICA IN MATERIALI COMPOSITI L’evoluzione del danno a fatica in laminati in composito coinvolge diversi meccanismi di danneggiamento, concorrenti o sequenziali, il cui risultato è la perdita di rigidezza, prima, e la rottura finale, poi. Tipicamente il primo evento di danno su scala macroscopica è rappresentato dall’innesco di cricche nelle posizioni più critiche degli strati inclinati


(off-axis) rispetto ai carichi esterni. Questo fenomeno è descrivibile tramite tipiche curve di Wöhler, come si può evincere dai dati riportati in figura 1 relativi all’innesco di cricche in laminati in vetro/epossidica [0/θ2 /0/-θ2] s testati dagli autori [1]. È importante notare come le curve di innesco dipendano dall’angolo di off-axis, in quanto il fenomeno è fortemente influenzato dalla condizione di multiassialità locale [3, 4]. L’innesco delle prime cricche in un laminato multi-direzionale può rappresentare un evento da evitare in alcuni componenti in cui la presenza di danno non è tollerata, tuttavia ciò non comporta il cedimento del laminato, grazie alla presenza di strati più resistenti e alla re-distribuzione tensionale tramite le interfacce. Infatti, l’innesco di una cricca è seguito dalla sua propagazione nella direzione delle fibre e dal successivo innesco di cricche multiple all’aumentare del numero di cicli (fig.2). La densità di cricche aumenta progressivamente fino al raggiungimento di uno stato di saturazione, immediatamente seguito o preceduto dall’innesco di delaminazioni che poi propagano fino alla rottura finale. L’accumulo di cricche negli strati off-axis rappresenta la principale causa della perdita di rigidezza in laminati multi-direzionali. A riprova di questo fatto si osservi l’andamento della rigidezza e della densità di cricche in un laminato [0/502 /0/-502] s riportato in figura 3. Gran parte della perdita di rigidezza avviene nelle prime fasi della vita a fatica, in cui l’aumento della densità di cricche è molto veloce. Alla saturazione della densità di cricche corrisponde anche una stabilizzazione della rigidezza su un valore che è circa il 20% più basso rispetto al modulo iniziale. Tipicamente l’innesco e propagazione di delaminazioni hanno un effetto più contenuto sulla rigidezza, ma hanno il ruolo fondamentale di far progredire il danneggiamento, isolare gli strati off-axis e promuovere quindi la rottura delle fibre negli strati a 0°, causando così la rottura finale. Questa si manifesta con una diminuzione di rigidezza molto brusca, come evidenziato in figura 4, dove è rappresentata schematicamente la tipica evoluzione del danno in un laminato multi-direzionale. MODELLAZIONE DEL DANNEGGIAMENTO A FATICA Con l’obiettivo di descrivere in modo accurato l’evoluzione del danno e sviluppare quindi procedure di progettazione affidabili e di validità generale è necessario formulare dei modelli per la previsione dei cicli spesi per l’innesco delle prime cricche (Ni,c ), per l’innesco e propagazione di cricche multiple (Np,c ), per l’innesco di delaminazioni (Ni,d ) e la loro

propagazione (Np,d ), ed infine per la rottura finale (Nf) (fig.5). Negli ultimi anni gli autori hanno messo a punto una procedura per la previsione dell’evoluzione del danno a fatica caratterizzato dall’innesco e propagazione di cricche multiple ed il conseguente calo di proprietà meccaniche, fornendo

così uno strumento fondamentale per la progettazione a rigidezza di componenti e strutture in composito. Tale procedura comprende ed integra modelli basati sulla meccanica del danneggiamento e fornisce come risultati la densità di cricche e la diminuzione di rigidezza in funzione del numero di cicli, a partire dalla

Fig.2: Evoluzione del danno e rottura a fatica in un laminato vetro/epossidica [0/602/0/-602]s [2]

Fig.3: Evoluzione della densità di cricche e diminuzione di rigidezza in un laminato vetro/epossidica [0/502/0/-502]s [2]

Fig.4: Andamento tipico della rigidezza di un laminato soggetto a carichi ciclici

Compositi

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- pag 42, sezione "fatigue damage and failure in composites", riga 17: per favore aggiungere la parola "states" dopo "stress". Figure: fig. 5 è diversa da quella sottomessa. Si riporta seguito la figura originale- da sostituire -- Strategie innovative per la progettazione a fatica di di parti strutturali in composito 1

Ni,c

Ni,d

Nf Number of cycles

cycles for delamination propagation Np,d

cycles for multiple cracks initiation and propagation Np,c Fig.5: Sequenza di danneggiamento a fatica in laminati multi-direzionali

- fig. 7 è praticamente illeggibile, se possibile va portata a due colonne, magari ricavando spazio rimpicciolendo le fig 1, 4, 5 e 6, attualmente anche troppo grandi. a

b

Nel flusso di informazioni del paper la attuale figura 2 dovrebbe essere prima della figura 1, (come era nella versione originale inviata) alla luce del ridimensionamento della attuale figura 1 a pagina 38 sarebbe opportuno ritornare alla versione originale (vanno poi corretti i richiami nel testo italiano e inglese..)

Fig.6: Meccanismi di danneggiamento a scala microscopica: a carico ciclico [5]

a

immagine al microscopio SEM di una superficie di frattura [4] e

Fig.7: Procedura per la previsione dell’evoluzione del danno a fatica in laminati multi-direzionali [8]

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Compositi

b

micrografia di uno strato off-axis soggetto

sequenza di sovrapposizione, la condizione di carico e alcune basilari proprietà dei materiali utilizzati. Visto che la diminuzione di rigidezza è dovuta all’accumulo di cricche negli strati off-axis, un criterio di innesco in condizioni di carico multiassiali è stato recentemente presentato da Carraro e Quaresimin [6]. Questo criterio riconosce la natura multi-scala del processo di innesco, e si basa proprio sull’utilizzo di parametri tensionali alla micro-scala, rappresentativi della driving force per l’evoluzione del danno a livello microscopico. Tali parametri sono stati definiti sulla base dei meccanismi osservati tramite analisi microscopiche (fig.6) che hanno rivelato come l’innesco di una macro-cricca sia il risultato di un’evoluzione del danno alla micro-scala [5]. Integrando questo criterio con considerazioni di tipo statistico e un sofisticato strumento di analisi tensionale sviluppato dagli autori [7] è possibile stimare l’innesco delle prime cricche e l’evoluzione della loro densità fino allo stato di saturazione, tramite la procedura proposta [8]. Essa include anche la descrizione della fase di propagazione delle cricche innescate mediante curve tipo-Paris,


Fig.8: Previsione dell’evoluzione della densità di cricche a) e diminuzione di rigidezza in un laminato vetro/epossidica [0/502/0/-502]s b) nonché la stima della rigidezza, effettuata sulla base della densità e della lunghezza delle cricche, tramite il modello analitico presentato in [7]. La procedura sviluppata, schematicamente rappresentata in figura 7, è stata applicata ai laminati testati in [1], ottenendo un ottimo accordo sia per quanto riguarda l’evoluzione della densità di cricche sia per la diminuzione di rigidezza (fig.8). Il gruppo sta lavorando attualmente all’estensione della procedura alla previsione dell’innesco e propagazione delle delaminazioni e della rottura finale, in modo da fornire uno strumento completo, affidabile e generale per la previsione del comportamento a fatica di laminati in composito. BIBLIOGRAFIA

[1] M. Quaresimin, P.A. Carraro, L. Pilgaard Mikkelsen, N. Lucato, L. Vivian, P. Brøndsted, B. F. Sørensen, J. Varna, R. Talreja. Damage evolution under internal and external multiaxial cyclic stress state: a comparative analysis, Compos Part B-Eng 2014, 61, 282–290. [2] M. Quaresimin, L. Susmel, R. Talreja. Fatigue behaviour and life assessment of composite laminates under multiaxial loadings. Int J Fatigue 2010, 32, 2-16. [3] M. Quaresimin, P.A. Carraro P.A. On the investigation of the biaxial fatigue behaviour of unidirectional composites. Compos Part B-Eng 2013, 54, 200-208. [4] M. Quaresimin, P.A. Carraro, Damage initiation and evolution in glass/epoxy tubes subjected to combined tension-torsion fatigue loading, Int J Fatigue, 2014, 63, 25–35. [5] M. Quaresimin, P.A. Carraro, L. Maragoni. Damage evolution at the microscopic scale in off-axis plies under fatigue loading, to appear. [6] P.A. Carraro, M. Quaresimin. A damage based model for crack initiation in unidirectional composites under multiaxial cyclic loading, Compos Sci Technol 2014, 99, 154–163. [7] P.A. Carraro, M. Quaresimin. A stiffness degradation model for cracked multidirectional laminates with cracks in multiple layers. Int J Solids Struct 2015, 58, 34–51. [8] P.A. Carraro, L. Maragoni, M. Quaresimin. Assessment of matrix cracking in multidirectional laminates under cyclic loading, to appear.

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Quaresimin M., Zappalorto M., Carraro P.A. - Dipartimento di Tecnica e Gestione dei sistemi industriali, Università di Padova

Innovative strategies for the design against fatigue of composite parts The Composite Materials Group at DTG - University of Padova has carried out an extensive experimental and modelling activity aimed at developing a procedure for the prediction of damage evolution and stiffness degradation in laminates under cyclic loads. This represents a powerful tool for a more reliable design of composite parts.

C

omposite materials are excellent candidates for the development of reliable lightweight components and structures, complying with the needs, in the automotive industry, of decreasing fuel consumptions and CO2 emissions and, at the same time, increasing the performances. Most of structural components manufactured with composite materials are subjected to cyclic loads during the in-service life, which might lead to progressive damaging and, in turn, to the loss of stiffness, residual strength and, eventually, to final failure. Thus, the “design against fatigue” is essential to improve the reliability of composite structural parts. To meet the demand of tools for designing against fatigue of composites in the automotive, as well as other, industrial fields, the present authors are developing a design procedure suitable to predict the initiation of damage, its evolution leading to the degradation of elastic properties and final failure for composite laminates under cyclic loading. In fact, the “design against fatigue” can be divided into: • design against crack initiation (no damage) • design against stiffness degradation • design against failure. At present, for some applications the aim of fatigue design is to avoid the onset of any kind of damage. In this case being able to predict the cycles spent for the initiation of the first crack is essential. In other circumstances, in which a damage tolerant approach is adopted, avoiding fatigue failure is of course the most obvious goal in the design of a part. However, because of the several damage mechanisms characterising the fatigue life of composite laminates, structural components under cyclic loading can lose a significant part of their stiffness (up to 30-40%, depending on the lay-up) much before the final failure. As stiffness is often one of the most important parameters in the design of a composite component, being able to predict its degradation under prescribed loading conditions is essential for a safer and also cheaper design. However, the fatigue behaviour of composite materials is not an easy task, mainly when considering that cyclic loads can be very complex and in multiple directions.

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As it will be deeply discussed later, the development of damage in composite laminates is characterised by multiscale and hierarchical processes, from damage initiation at the microscopic scale to the onset and propagation of macro-cracks and delaminations leading to final failure. These mechanisms are also dependent on the materials adopted, the lay-up and the loading type and multiaxial conditions [2]. The only way to deal with such a complicated problem and come out with reliable design methods is to develop models based on the damage mechanisms actually occurring at the several length scales [2] and link them in a multiscale and multi-mechanism design procedure. This damage-based approach is the basis of the research activity carried out in the fatigue field in the last years by the Composite Materials Group at DTG - University of Padova. The modelling strategy is briefly summarised in the next sections taking advantage of some representative experimental results. FATIGUE DAMAGE AND FAILURE IN COMPOSITES Fatigue damage evolution in composite laminates is a complex phenomenon, involving several damage mechanisms leading to the degradation of the stiffness and load bearing capabilities and eventually to the final failure. Typically, the first macroscopic (observable) event of damage is the initiation of cracks in the off-axis plies. As an example, the S-N curves for crack initiation in the off-axis layers of Glass/Epoxy [0/θ2/0/-θ2] s laminates tested by the authors [1] are reported in figure 1. It can be seen that the trend can be suitably described by a Whöler-like power law, which is however different for the two orientations investigated, because of the different local multiaxial stress states [3, 4]. Due to the presence of tougher layers, the initiation of the first crack in multidirectional laminates does not bring to complete failure, but is followed by the propagation of the initiated cracks in the fibres direction and by the initiation of further cracks as the number of cycles is increased. This is for instance documented by figure 2 for a [0/602 /0/-602] s laminate. In this case several cracks were already initiated after 5000 cycles. Then, at 10000 cycles,

the existing cracks had propagated and new ones initiated. The crack density increases until a saturation condition, usually followed, or preceded, by the initiation of delaminations which then propagate for the remaining fatigue life. Even if the initiation of multiple off-axis cracks and delaminations is not critical for final failure, these mechanisms lead to the degradation of the global elastic properties and can trigger fibre failure. Figure 3 shows the trend of the elastic modulus of a [0/502 /0/-502] s laminate and the crack density evolution in the off-axis plies. Most of stiffness loss occurs in the earlier stages of fatigue life, where the crack density increases steeply. Then when the crack density reaches a saturated value the rate of stiffness degradation becomes very low. This is a proof that off-axis cracks are the main responsible for the loss of stiffness, the initiation and propagation of delaminations providing only a minor contribution in this sense. A schematic of the typical stiffness trend for multidirectional laminates is shown in figure 4. MODELLING FATIGUE DAMAGE EVOLUTION If design target is avoiding the final failure, the entire damage process must be modelled, with the aim to predict the cycles spent for the first crack initiation (Ni,c ), the cycles for crack multiplication and propagation (Np,c ), the life to the initiation of delaminations (Ni,d ), the cycles spent for the propagation of delaminations (Np,d ) and eventually the final failure (Nf) (fig.5). However, from the experimental observations reported above it is clear that a composite part under fatigue loading can lose a significant amount of stiffness, and therefore become unsuitable for in-service application, much before its final failure. For this reason, and considering the importance of stiffness as a design parameters for composite structures, it is important to develop a model to predict also the degradation of elastic properties throughout fatigue life. Such a model would allow a more reliable and also optimised design to be made. A damage-based design procedure has been recently developed by the Composite Group of the University of Padova to predict damage evolution and the


stiffness degradation in composite laminates. It will be briefly described in the following. As already proved the stiffness degradation is mainly due to the initiation and propagation of multiple off-axis cracks. Therefore a criterion to predict crack initiation, capable of accounting for multiaxial stress states, must be defined. Also in this case, a damage-based approach is necessary, mainly considering the multiscale nature of composite materials. In fact, the initiation of a macro-crack is the consequence of a damage process occurring at the microscopic scale (the length scale of the inter-fibre distance) since the early stages of fatigue. This was proved by the present authors [4, 5], who showed that the initiation of an off-axis crack was the result of the initiation, accumulation and coalescence of multiple micro-cracks in the matrix, inclined to the fibres, at least in the presence of shear stress, as shown in figures 6a and 6b. On the basis of the damage modes observed at the microscopic scale, Carraro and Quaresimin [6] proposed a criterion for crack initiation based on the use of local stress parameters (Local Hydrostatic Stress, LHS, and Local Maximum Principal Stress, LMPS) as equivalent stresses for the representation of the S-N curves. The criterion resulted in good agreement with a large bulk of experimental data.

This criterion, coupled with the classical lamination theory, is useful to predict the initiation of the first cracks is the off-axis plies of a laminate. Predicting the crack density evolution, which can be then correlated to the stiffness degradation, requires to include a more refined stress analysis to evaluate the stress fields in the plies considering the stress re-distribution due to the presence of already initiated cracks. Such a model was also developed by the authors [7]. This analytical model, a part from computing the stress re-distributions, allows one to calculate with a very good accuracy the laminate stiffness on the basis of the crack density on its plies. Based on the crack initiation criterion, combined with fundamental statistical considerations, on the stress-redistribution and stiffness model, and using Paris-like curves to describe crack propagation, the authors developed a procedure for predicting the crack density evolution and then the stiffness degradation under fatigue loading [8]. The procedure is actually a simulation of fatigue life, implementing the above mentioned analytical tools within a code. A schematic flowchart is shown in figure 7. The procedure was applied to [0/502 /0/502] s laminates tested by the authors, obtaining a very satisfactory agreement with experimental data, both for the crack

density evolution (fig.8a) and the resulting stiffness degradation (fig.8b). The Group is now working to complete the model including the prediction of the initiation and propagation of delaminations and the final failure, thus providing a universal and reliable tool for the design against fatigue damage and failure of composite parts.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: S-N curves for off-axis cracks initiation in Glass/ Epoxy (G/E) [0/602/0/-602]s and [0/502/0/-502]s laminates [2] Fig.2: Fatigue damage evolution and failure in a G/E [0/602/0/-602]s laminate [2] Fig.3: Crack density evolution and stiffness degradation in a G/E [0/502/0/-502]s laminate [2] Fig.4: Schematic of the typical stiffness trend in multidirectional laminates under fatigue Fig.5: Sequence of damage evolution in multidirectional laminates under fatigue Fig.6: Damage mechanisms at the microscopic scale: a) SEM image of a fracture surface [4] and b) micrograph on an off-axis ply under fatigue loading [5] Fig.7: Procedure for the assessment of fatigue damage evolution in multidirectional laminates [8] Fig.8: Prediction of crack density evolution a) and stiffness degradation in G/E [0/502/0/-502]s laminates b)


4th International Polyurethane Industry Exhibition

2nd Composites Industry and Production Technologies Exhibition

Eurasia’s Leading Polyurethane & Composites Industry Platform

Istanbul Expo Center www.putecheurasia.com www.eurasiancomposites.com Media Partner

In Cooperation with Chem�stry Sector Platform and Members

Organiser

Phone : +90 212 324 00 00 Fax : +90 212 324 37 57 sales@artk com.tr www.artk com.tr

THIS FAIR IS ORGANIZED WITH THE PERMISSION OF TOBB (THE UNION OF CHAMBERS AND COMMODITY EXCHANGES OF TURKEY) IN ACCORDANCE WITH THE LAW NO.5174


Daniela Di Cecco, Francesca Di Paolo, Federica Rossetti - Polo Innovazione Automotive

Trasporti eco-sostenibili con i compositi termoplastici Utilizzare i compositi termoplastici per trasformare componenti e struttura dei veicoli commerciali leggeri, aumentandone il valore del mezzo (a parità di prezzo) ed assicurandone un’elevata sostenibilità ambientale. A questo obiettivo risponde il progetto Matreco realizzato nell’ambito delle attività del Polo Innovazione Automotive.

T

ra le aziende appartenenti al Polo Innovazione Automotive, Consorzio abruzzese che coinvolge circa 70 aziende in ambito automotive, vi sono realtà aventi competenze coerenti con quelle richieste dal progetto Matreco - materiali avanzati per trasporti eco-sostenibili -, che vede il coinvolgimento di numerosi partner a livello nazionale. Per tale ragione, il Centro Ricerche Fiat, anch’essa aderente al Consorzio, ha affidato alla Società Consortile Innovazione Automotive e Metalmeccanica (IAM) l’attività di progettazione, sviluppo e realizzazione di un’applicazione strutturale e/o estetica (pannello, struttura, particolare soffiato, ecc.). Per meglio rispondere alle esigenze del progetto, su indicazione del Centro Ricerche Fiat, sono state selezionate applicazioni strutturali ed estetiche d’impatto nel settore automotive e nella fattispecie sui veicoli commerciali e professionali leggeri.

Obiettivo del progetto Matreco, realizzato nell’ambito del Pon – Ricerca e competitività 2007-13, è la ricerca di materiali ad alto contenuto tecnologico e di un loro competitivo processo di trasformazione per la realizzazione di componenti e strutture, funzionalizzati alla soddisfazione del cliente (più valore a pari prezzo) e contraddistinte da un’elevata sostenibilità ambientale (meno consumi nel ciclo vita a pari prestazioni, dall’estrazione della materia prima al riciclo/riuso del materiale finale). Nello specifico, il progetto ha permesso di acquisire competenze abilitanti su materiale termoplastico, processi e metodologie e realizzare componenti termoplastici per veicoli commerciali leggeri. Il progetto ha riguardato due applicazioni individuate su veicolo: traversa padiglione anteriore e padiglione anteriore. La prima caratterizzata da una forma complessa, ha una funzionalità prettamente strutturale, mentre la seconda, di grandi dimensioni, ha una funzionalità

estetica. Entrambi i componenti hanno la caratteristica di poter essere parzialmente o totalmente integrati. Nel corso delle fasi di lavoro, sono stati realizzati dei dimostratori in materiale composito per ognuno dei componenti selezionati. Considerando i complessivi obiettivi del progetto, sono stati individuati quattro materiali compositi a matrice termoplastica con poliammide ed un materiale termoindurente, a descrizione dello stato attuale della tecnologia sui materiali compositi comunemente impiegati. Il componente traversa, trattandosi di un componente strutturale, è sottoposto al processo di cataforesi, per cui la scelta di una resina termoplastica in grado di non subire variazioni e deformazioni alla temperatura di 200 °C è stata di fondamentale importanza.

Fig.2: Stampo prototipale del componente padiglione anteriore

Fig.1: Applicazioni inizialmente individuate

Fig.3: Stampo prototipale del componente traversa padiglione anteriore

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- Trasporti eco-sostenibili con i compositi termoplastici Per le loro particolari caratteristiche, quali le buone proprietà fisico-meccaniche, l’alta tenacità, il buon comportamento alla fatica ed il relativo basso costo, le resine termoplastiche con poliammide sono particolarmente indicate per il settore automotive e per applicazioni industriali. L’utilizzo del termoplastico nel campo dei materiali compositi offre un ampio range di vantaggi: • brevi tempi di ciclo (automazione del lay-up e del processo di stampaggio): tipicamente 2 minuti o meno • brevi tempi di consolidamento aumento delle caratteristiche di tenacità, resistenza a impatto e fatica • buone caratteristiche di infiammabilità

• possibilità di lavorazioni post formatura, quali correzioni e formatura, in più steps • durata di conservazione illimitata e bassa rischiosità nel maneggiare il materiale • elevata riciclabilità, sia durante il processo tecnologico (riutilizzo degli scarti), sia dopo la vita in servizio. Tra le resine termoplastiche sono stati selezionati materiali Tencate, Bond Laminates, Structura e Ferrari Carbon. Tra i materiali termoindurenti è stato scelto un materiale Delta-Preg. Per tale attività è stato scelto il processo di termoformatura. Si tratta di un processo discontinuo, che permette di trasformare semilavorati come lastre piane in oggetti di forma voluta mediante uno stampo.

Fig.4: Lastra di materiale composito posizionata sopra lo stampo

Fig.5: Padiglione anteriore stampato in uno dei materiali compositi individuati

Poiché tale metodologia è più rapida e non comporta problemi di contatto con superfici calde, per l’attività è stato deciso di riscaldare la lastra ad induzione mediante l’utilizzo di lampade infrarosse. La lastra viene poi messa sullo stampo (anch’esso può essere riscaldato) dove assume la forma con applicazione di un controstampo. Per ogni materiale è stato realizzato un dimostratore per entrambi i componenti individuati. Lo svolgimento delle attività inerenti la prototipazione dei particolari scelti è stata affidata ad un’azienda consorziata specializzata nella lavorazione e produzione di componenti in fibra di carbonio e vetroresina. CONCLUSIONI Il processo di lavorazione di materiali pre-impregnati con resine termoplastiche è sicuramente possibile con linee dedicate, che permetterebbero la ripetibilità del processo. La linea dovrebbe essere integrata di alimentatore con banco scaldante, che permetta il riscaldamento di entrambe le superfici del materiale, ed estrattore robotizzato abbinato a macchina rifilatrice. Il materiale base della linea deve essere costituito essenzialmente da lastre. La compattazione del materiale risulta essere infatti uno degli aspetti fondamentali per una buona riuscita del processo di stampaggio, poiché questo contribuisce alla non delaminazione dello stesso.

Il Polo Innovazione Automotive Il Polo Innovazione Automotive raggruppa circa 70 tra piccole e medie imprese, grandi aziende globalizzate, università, istituti di ricerca, enti e istituzioni. Si trova in Abruzzo, in prossimità della Val di Sangro; qui la filiera automotive è una forte realtà costituita da un gruppo di società operanti nel settore e dell’ingegneria, a partire dalle grandi aziende fino ai sub fornitori di piccole parti. E’ l’area dove ha sede la Sevel (join venture tra Fca e il gruppo Psa), Polo europeo per la produzione di veicoli commerciali e professionali, leggeri e trasporto persone e cose, con capacità produttiva di 300.000 veicoli/anno e circa 6.200 addetti diretti e altri 4.500 nell’indotto in Abruzzo. La presenza di questo patrimonio industriale ha spinto la Società Consortile Innovazione Automotive e Metalmeccanica (IAM, soggetto gestore) a costituire un Polo - il Polo Innovazione Automotive - che diventasse punto di riferimento per il territorio per incrementare le competenze e migliorare la diffusione delle conoscenze nell’automotive e nel metalmeccanico.

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Obiettivo del Polo è favorire aggregazioni per mettere a sistema competenze, esperienze e strutture per attività di R&D, progettazione-industrializzazione e produzione di veicoli dedicati e specializzati per il trasporto di prodotti all’utente finale in una logica sostenibile e smart. Tra i circa 70 partner del Polo: Fca, Honda, Denso, Bonfiglioli, ma anche Università e Centri di Ricerche. Il Polo coinvolge le aziende partner in diversi progetti di ricerca: progetti di ricerca e sviluppo sperimentale nell’ambito del FP7 (VII Programma Quadro dell’Unione Europea); progetti nazionali di ricerca e sviluppo sperimentale Industria 2015 - Ministero Ambiente - Pon 2007-13; progetti di ricerca industriale e sviluppo sperimentale presentati nell’ambito del POR FERS 2007-2013 Regione Abruzzo; progetti di trasferimento tecnologico. Le sue principali direttive di ricerca sono l’innovazione di prodotto, focalizzata su nuovi archetipi ed architetture per LCV (Light commercial vehicle), e l’innovazione di processo, con l’obiettivo di migliorare il rapporto fra peso/costi/performance attraverso

l’impiego di materiali innovativi e tecnologie abilitanti. Le tematiche ambientali, legate alla qualità e/o tracciabilità dei prodotti e dei processi, e le normative sono invece le tematiche trasversali. Il Polo conta oggi 8 progetti di R&D attivi a livello regionale, mentre altri 8, tra nazionali ed europei, sono in corso tramite il soggetto gestore. Il Polo ha attivato circa 25 iniziative di trasferimento tecnologico verso i soci, che mirano ad obiettivi di breve termine come ad esempio le analisi di fattibilità per l’applicazione di una certa tecnologia già disponibile ad un prodotto differente, il miglioramento della qualità od ottimizzazioni del processo dal punto di vista costi o sotto l’aspetto tecnico, anche tramite l’applicazione di metodologie adatte e all’avanguardia. Il Polo Innovazione Automotive d’Abruzzo è tra i promotori del “Cluster Trasporti Italia 2020”, associazione costituita da sessanta neoassociati, in rappresentanza dei maggiori player italiani, industriali e scientifici, tra cui Fiat, Ansaldo Breda ed Ansaldo STS, Rete Ferroviaria Italiana, Fincantieri, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Politecnico di Milano e di Torino.


Daniela Di Cecco, Francesca Di Paolo, Federica Rossetti - Automotive Innovation Pole

Eco-sustainable transport with the use of thermoplastic composites To use thermoplastic composites to transform components and structure of light commercial vehicles, with the aim of increasing the value of the vehicles (at the same price) and ensure high environmental sustainability. The Matreco project meets this ambitious objective. It is realized within the activities of the Automotive Innovation Pole.

A

mong Companies associated to the Automotive and Mechanical Innovation Consortium (IAM) there are some having skills consistent with those required by the Matreco project - advanced materials for environmentally sustainable transport -, that involves many partners at national level. For this reason, Centro Ricerche Fiat (CRF), also partner of the Consortium, has committed the design, the development and the manufacturing of an structural and/or aesthetic component (panel, frame, blown parts, etc.) to IAM. On CRF’s suggestion, structural and aesthetic applications of impact in the automotive sector and, in particular, in light commercial and professional vehicles field have been selected in order to respond better to needs of the project.

The aim of the Matreco Project is, in fact, the scouting of materials with high technological contents and their competitive transformation process for the realization of components and structures, which are functionalized to customer satisfaction (more value at same price) and characterized by high environmental sustainability (less consumption in the life cycle at same performance, from raw material extraction to recycling / reuse of the final material). Specifically, the project has allowed us to acquire qualifying competences on thermoplastic material, processes and methodologies to realize thermoplastic components for light commercial vehicles. The project involved two applications detected on the vehicle: roof front crossbeam and front roof. The first is characterized by a complex form, has a

purely structural functionality, while the second, large in size, has an aesthetic functionality. Both components have the characteristic of being able to be partially or fully integrated. During work phases, for each item selected some demonstrators in composite material have been realized. Considering the overall objectives of the project, four composite materials with polyamide thermoplastic matrix have been selected. It is important to specify that the roof front crossbeam, being a structural component, is subjected to cataphoresis process, so it was very important the choice of a thermoplastic resin that isn’t subjected to variations and deformations at a temperature of 200 ° C. For their particular characteristics, such as good physical-mechanical properties,

The Automotive Innovation Pole The Automotive Innovation Pole consists of a group of about 70 globalized companies, both LEs and SMEs, universities, research institutes, organizations and institutions. The Pole is located in the Abruzzo Region near the Val di Sangro; here the automotive industry is a strong reality composed of a group of enterprises (from large companies to the sub supplier of small parts) operating in that sector and engineering. It is the area where the Sevel is located (a joint venture between FCA and the PSA Group), the largest factory in Europe for the production of light commercial vehicles, with a production capacity of 300.000 trucks per year, 6.200 direct employees and about 4.500 in the supplier network. The presence of this industrial heritage has encouraged the Automotive and Mechanical Innovation Consortium (acronym IAM) to create a Pole - Automotive Innovation Pole - to became a point of reference for this area in order to increase the skills and to improve the dissemination of knowledge in the automotive and mechanical fields. The Automotive Innovation Pole aims at supporting the reinforcement of the interactions

among the companies, through sharing of facilities, knowledge exchange, R&D activities, technology transfer initiatives, design, industrialization and manufacturing of dedicated and specialized vehicles for the transport of goods to the end user, in a sustainable and smart logic. About 70 partners are part of the Pole, including FCA, Honda, Denso, Bonfiglioli, but also universities and research centers. The Automotive Innovation Pole involves partner companies in several research projects: Seventh Framework Program of European Union for Research & Innovation; National R&D projects in industrial innovation program by the Ministry of economic development (Energy and Sustainable Mobility); Regional R&D projects funded under POR FERS 2007-2013 – Abruzzo Region; Technology transfer projects. The main guidelines of these R&D projects are product innovation, meaning new archetypes and architectures for LCV (light commercial vehicle), and process innovation, with the goal of improving the ratio between weight/cost/performance through the use of

innovative materials and enabling technologies. On the other hand the cross-cutting themes are the environmental contents, related to the quality and traceability of products and processes, and the regulations and standards. The Pole is currently involved in 8 Regional R&D projects, while other 8 projects, including National and European, are managed by the IAM Consortium. The Pole has also launched about 25 technology transfer projects answering the needs of specific stakeholders, which aim at achieve shortterm objectives such as the feasibility analysis for the application of a certain technology or quality improvement processes. The Automotive Innovation Pole is also one of the promoters of the Cluster “Trasporti Italia 2020” (National Technological Cluster on Transportation and the “Italy 2020” project), which is an association consisting of sixty members, representing all the major Italian industrial and scientific players, including FCA, Ansaldo Breda and Ansaldo STS, RFI (the Italian Railway), Fincantieri, National Research Council, University of Milan and Turin.

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- Eco-sustainable transport with the use of thermoplastic composites high toughness, good fatigue behavior and the relative low cost, thermoplastic resins with polyamide are particularly suitable for automotive and industrial applications. The use of the thermoplastic in the field of composite materials, in fact, offers a wide range of advantages: • short cycle times (automatic layup process and molding process): typically 2 minutes or less • short time consolidation • increased toughness, resistance to impact and fatigue • good flammability characteristics • possibility of post forming operations, such as corrections and forming, in several steps • unlimited shelf- life and low risk in handling the material • high recyclability, both during the technological process (re-use of waste), and after the service life. Among the thermoplastic resins, materials such as Tencate, Bond Laminates, Structura and Ferrari Carbon were selected. Among the thermosetting ma-

terials, a Delta-Preg material has been chosen. For this activity, it was chosen the thermoforming process. It is a discontinuous process, in which semi-finished product, such as flat sheets, are shaped by punch and die. Since this methodology is faster and does not involve contact problems with hot surfaces, for the activity it was decided to heat the sheet by induction using infrared lamps. Then the sheet is placed on the mold (it can be heated too) where it take the shape with the application of a punch. A demonstrator has been manufactured for each material and for both identified components. The implementation of the prototyping activities of selected parts has been entrusted to another associated enterprise specialized in processing and manufacturing of components made of carbon fiber and fiberglass. CONCLUSIONS The outcome reached by the Matreco project is that the processing of the

pre-impregnated materials with thermoplastic resins is certainly possible with dedicated production lines, which would allow the repeatability of the process. The line should be integrated with hot bench, which allows the heating of both material surfaces, and robotized extractor combine with trimming machine. The basic material of the line must be essentially composed of sheets. The compaction of the material appears to be, in fact, one of the fundamental aspects for the success of the molding process, because this contribute to non-delamination of it.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Applications initially identified Fig.2: Prototypical front roof mould Fig.3: Prototypical roof front crossbeam mould Fig.4: A composite sheet placed on the mold Fig.5: Front roof moulded in one of identified composite material

SPECIALINSERT

Ad ogni materiale il sistema di fissaggio più adatto Specialinsert, da oltre 40 anni nel mercato dei fasteners, ha mantenuto l’iniziale specializzazione nei sistemi di fissaggio meccanici affiancando alla realizzazione di soluzioni in proprio la distribuzione di prodotti in esclusiva. Dotata di un proprio stabilimento di produzione e di un ufficio studi e progettazione, destina la maggior parte dei propri investimenti in R&S finalizzati a ideare nuovi sistemi di fissaggio. Specialinsert vende in Italia e in tutto il mondo, tutta la produzione è interamente realizzata in Italia. Il sistema di qualità aziendale è certificato dal 1997 presso l’ente certificatore ICIM. Tra le principali novità di prodotto spicca l’inserto filettato a deformazione Deform-Nut Autobloccante. Ideato, brevettato e prodotto da Specialinsert, abbina i vantaggi del classico rivetto a deformazione alla funzione Coppie di serraggio medie dei dadi autoper una corretta posa in opera bloccanti. Il suo M6 M8 utilizzo offre la possibilità di otCoppia serraggio Nm 91 8 tenere notevoli vantaggi tecniValori di riferimento max ci: installazione per prodotti in acciaio su parti senza M6 M8 possibilità di accesso dall’interCarichi trazione N 13000 21000 no; imperdibilità Momenti frenanti in linea con quanto garantita dal fisprescritto dalla norma DIN saggio meccadi riferimento nico sulla sede;

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rapidità di montaggio della vite di collegamento che, a differenza del dado autobloccante, non richiede l’ausilio di due chiavi di serraggio. CARATTERISTICHE TECNICHE La gamma di prodotti Specialinsert si arricchisce ulteriormente con l’introduzione a catalogo di nuove serie di prodotti, tra cui i perni a rivetto versione inox della serie TCPX, che rappresentano un’ottima soluzione tecnica quando la necessità è ottenere un filetto maschio su laminati e scatolati. Il montaggio, facile e veloce, può essere effettuato con la stessa attrezzatura pneumatica utilizzata per l’installazione dell’inserto a deformazione madrevite mediante l’ausilio di equipaggiamenti specifici. Infine, si segnalano anche i rivetti tubolari filettati per materiali a bassa resistenza della serie TC/INT, la particolare geometria del corpo ne garantisce l’applicazione anche su materiali teneri (come plastica, vetroresina ecc.) oltre a quella su laminati e scatolati.

Serie TCPX

SerieTC/INT


Fornitore e cliente Un legame di collaborazione imprescindibile La storia del Gruppo Global System International (GSI), società specializzata nella produzione di compositi strutturali nel settore automotive con differenti tecnologie SMC, si contraddistingue per un forte rapporto con le case produttrici. La ricerca di soluzioni che favoriscano lo sviluppo di un prodotto di elevata base tecnologica, realizzato attraverso una stretta collaborazione, è il sistema con cui GSI si è proposta al mercato. Un partner, dunque un collaboratore efficace, la cui competenza ed esperienza riescono a fornire un supporto valido per chi, come Lamborghini, Ferrari e Volskwagen, si avvale di un team di esperti che quotidianamente necessitano di risposte e chiarimenti specifici. Questa “chiave del successo”, che sembra l’imperativo categorico su cui si sviluppa buona parte delle soluzioni innovative sui materiali compositi, è per GSI un “sistema” sperimentato e valido attraverso il quale l’azienda è risultata il collaboratore ideale per molte case automobilistiche. GSI è il partner che cerca, insieme al costruttore, la miglior soluzione, sulla scorta delle profonde conoscenze delle proprie tecnologie. Abbiamo rivolto alcune domande a: Gianni Cioni - R&D, PMO Manager Marcello Agrati - Technical Manager Michal Simkovic - Key Account Manager.

Altrettanto importante è il mantenimento di contatti con tutti i Tier2 facenti parti del network dell’OEM, condividendo lo stato dell’arte e l’evoluzione di tutte le tecnologie che risultano complementari alla realizzazione di sistemi complessi. Risolvere insieme ha il significato di un lavoro in team. Potete farci qualche esempio? GSI mette a disposizione le proprie competenze, maturate negli anni di produzione e trasformazione dei materiali

compositi. È proprio questo know-how “dal campo” che talvolta risulta essere cruciale, necessariamente complementare alle tecniche simulative virtuali nell’impostazione progettuale e fondamentale nella validazione di un prodotto. In questo senso, tutti i nuovi prodotti necessitano di un lavoro di squadra, con la piena partecipazione del cliente, soprattutto nella fase di avviamento, laddove la velocità di reazione ad aspetti imprevisti risulta essere un reale valore aggiunto di GSI.

Cosa significa per voi la collaborazione con il cliente? Condizione fondamentale alla base di una proficua collaborazione è una profonda comprensione dei requisiti e delle necessità del cliente. Questo permette di poter sviluppare il prodotto dalla fase di concept con soluzioni tecniche e tecnologiche appropriate e solide, oltre che con uno sguardo rivolto al processo realizzativo in ottica di “design for manufacturing”. La ricerca e le competenze all’interno delle case di costruzione sono costantemente alimentate e rinnovate. Come collaborate a questa crescita? Attraverso una costante condivisione con il cliente delle necessità future, GSI imposta la propria Ricerca e Sviluppo principalmente sulle tecniche di trasformazione e integrazione sistemistica, in modo da rendere esecutivi e realizzabili processi ed applicazioni di nuovi materiali che vengono solitamente sviluppati dai grandi OEM.

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Lamborghini punta sulla competenza in-house Intervista a Luciano De Oto, Dirigente dell’Advanced Composite Development Center in Automobili Lamborghini S.p.A. Lamborghini ha una lunga storia relativa ai materiali compositi, vuole illustrarci i passaggi principali? La storia dei materiali compositi in Lamborghini nasce nel 1983 quando fu realizzata la prima monoscocca in carbonio per la Countach. Successivamente si iniziarono ad introdurre componenti in fibra di vetro per componenti tipo Body-panels e nel 1985 si passò all’introduzione di fibre di carbonio nel composito per molti dei componenti di carrozzeria della Countach. Nel 1990 si è iniziato ad impiegare la fibra di carbonio per parti strutturali del telaio sul progetto Diablo (tunnel, arco passaruota, pavimento). Nel 2001 la Murcielago presentava tutta la carrozzeria esterna in carbonio e un telaio ibrido acciaio / carbonio. Nel 2006 per la prima volta viene introdotta la tecnologia del RTM per body panels di grandi dimensioni in Classe A sulla Gallardo Spyder, che presentava il cofano motore in questa tecnologia. Nel 2010 la Lamborghini introduce per la costruzione dei propri telai la tecnologia AMC (Advanced SMC) a fibre corte,

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presentando la Sesto Elemento, la cui vasca è stata realizzata grazie ad un materiale brevettato, denominato “Forged composite”. Nel 2011 viene presentata l’Aventador, il cui telaio è composto da una monoscocca interamente in fibra di carbonio, per la quale sono stati depositati oltre 15 brevetti su tecnologie e processi inerenti i materiali compositi. L’Aventador rappresenta lo state of the art delle tecnologie relative ai compositi, dal momento che Lamborghini fa tutto al proprio interno, grazie alla sua decennale esperienza in questo ambito, dal concept all’engineering, alla simulazione, ai proto, agli stampi per la serie, ai componenti di serie, fino al repair, che è gestito direttamente dall’azienda grazie a specialisti altamente qualificati denominati “Flying Doctors”. La vostra esperienza a volte è confrontata e coadiuvata da rapporti con altre aziende come quello recente con la Boeing, quali benefici ha portato? Il vantaggio del rapporto con Boeing, iniziato nel 2007, si è concretizzato in due ambiti principali. Il primo ha riguardato direttamente il progetto Aventador, ed in particolare la crashworthiness, che è stata portata avanti assieme ai tecnici della Boeing, in particolare del reparto “Phantom Works”, che ha studiato il comportamento a crash del nuovissimo Boeing 787. Grazie al supporto dei tecnici Boeing siamo riusciti ad implementare, per la prima volta in ambito automotive, un processo denominato “Building Block Approach” che ha consentito di ridurre i tempi e i costi di sviluppo. Questo approccio inoltre ci ha consentito di tenere bassi i pesi e di lavorare su elevatissimi standard di sicurezza occupanti, come hanno dimostrato i recenti crash accaduti negli USA ed in CINA. Il secondo ambito di collaborazione ha riguardato la messa a punto di una strategia di repair della vettura, che ha visto l’implementazione in ambito automotive di tecnologie utilizzate in ambito aeronautico.


I nostri flying doctors hanno infatti seguito corsi presso Boeing per i moduli di “Basic Composite Repair” e poi presso la Abaris Co., che negli Stati Uniti si occupa di formare e certificare i tecnici abilitati alla riparazione di strutture in composito. Inoltre, nel settembre 2014, la Lamborghini e il TUV hanno ufficializzato la prima procedura per la riparazione di strutture in composito in ambito automotive che sia mai stata scritta. Pertanto, da quella data, qualunque costruttore automotive volesse certificare il processo di riparazione delle proprie vetture in materiale composito, dovrà seguire lo standard Lamborghini. La Aventador è un’auto di cui dal progetto, scelta dei materiali fino alla sua realizzazione è completamente sviluppato all’interno della vostra azienda, competenze e ricerca sono alla base di questo risultato, ce ne vuole parlare? Abbiamo deciso strategicamente nel 2007 di mantenere il più possibile al nostro interno il know how dei materiali compositi. Il primo passo è stata l’apertura di un nostro laboratorio di Ricerca all’interno dell’Università di Washington a Seattle, con lo scopo di portare nel mondo automotive il più possibile tecnologie e processi impiegati in ambito aeronautico. Questo ci ha consentito di fare enormi passi in avanti per quanto riguarda le nostre conoscenze e in particolare ci ha aperto la porta alla collaborazione con Boeing, ma anche con tutta la rete dei suoi fornitori strategici.

In questo modo abbiamo potuto rinforzare le nostre competenze interne, che sono poi confluite nel risultato dell’Aventador. L’Aventador è stato il risultato di uno sforzo ingegneristico molto grande, che ha dimostrato tutto il nostro potenziale in termini di Ricerca e Sviluppo sui materiali compositi. Al netto dell’attivià di crashworthiness portata avanti con la Boeing, tutto il resto della simulazione BIW e dell’ingegneria è stato fatto interamente in Lamborghini, inclusi i prototipi e le preserie. Inoltre, il fatto di avere il processo produttivo in casa ci ha dato enormi vantaggi dal punto di vista dei costi, ma soprattutto della qualità del prodotto finale, che può essere monitorato costantemente e direttamente da noi.

Università, che non sempre indirizzano la ricerca e l’innovazione in maniera tale da poter essere correttamente impiegata nel mondo automotive. Pertanto la competenza in-house è l’elemento chiave per gestire correttamente le scelte tecniche e tecnologiche, ottimizzando le risorse a disposizione e garantendo al prodotto finale i massimi standard di qualità e affidabilità di processo.

Fino a che punto le competenze in-house sono sufficienti e compatibili con le continue evoluzioni e soluzioni sperimentate con i compositi? Sono sufficienti nella misura in cui si abbia la competenza per fare uno scouting dell’innovazione a 360° in giro per il mondo, si definiscano quali tecnologie e quali processi possano essere implementati all’interno, e si dedichi il tempo e le risorse corrette per validare tutto quanto proviene dal mondo della ricerca, della supply chain, dell’aeronautica o dell’industria, per il settore automotive. Ovviamente uno dei problemi maggiori che ho riscontrato all’esterno di Lamborghini è proprio una generale mancanza di competenze interne che portano i principali OEM ad affidarsi a fornitori,

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Il sistema per il taglio e la finitura con laser CO2 Intervista a Marco Ruozzo, Sales Manager di TÈAS Spa

La società si è presentata per la prima volta al JEC di Parigi. Come siete entrati nel settore dei compositi? TÈAS è una società italiana specializzata nel settore dell’automazione industriale. Con esperienza decennale progettiamo e costruiamo impianti complessi, di elevato contenuto tecnologico, con la massima qualità ed altissimi gradi di sicurezza: dalla meccanica ai sistemi elettrici, al software, di cui possediamo la più ampia conoscenza. Al nostro interno vantiamo, inoltre, di un Team dedicato esclusivamente alla R&D. Ormai sette anni fa, grazie a questa propensione all’innovazione dei processi tecnologici, abbiamo introdotto negli stabilimenti produttivi del settore elettrodomestico un sistema integrato di taglio laser per la finitura delle celle plastiche utilizzate all’interno di frigoriferi e congelatori. Grazie al nostro sistema, denominato LASER T*, la finitura ed il taglio delle celle plastiche realizzate con processo di termoformatura poteva essere realizzato mediante un processo flessibile, ad altissima qualità e dai costi irrisori per manutenzione ed adeguamento/introduzione di nuovi modelli rispetto ai sistemi tradizionali a microfrese o matrice/punzone. Nel corso degli anni, il consolidamento di tale applicazione in ambito industriale, nel settore dell’elettrodomestico prima e in altri settori poi, ci ha portato ad intensificare la ricerca su differenti materiali e in diversi campi di applicazione, ottenendo eccellenti risultati nel vasto mondo dei materiali compositi. Da tali successi è nato il desiderio di promuovere il sistema anche in ambito fieristico, a partire dal JEC di Parigi. Il grande successo ottenuto al JEC ha confermato la bontà della strada intrapresa e l’interesse del mondo industriale verso i vantaggi che tale tecnologia offre. In realtà, il nostro “entrare” nel settore dei materiali compositi tramite la porta principale del JEC altro non è che un piacevole “ritornare” da una porta diversa. Infatti grandi società nel campo della produzione di fibra di vetro, come Owens Corning o PPG (anch’esse presenti al JEC come espositori), sono al tempo stesso per noi clienti storici per quanto riguarda la fornitura di sistemi automatici di handling all’interno degli stessi stabilimenti di produzione.

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Stand presso la fiera JEC Il sistema da taglio che avete sviluppato, nato per la materia plastica, ha ottenuto un largo consenso nel mondo dei compositi, di cosa si tratta? LASER T* è un sistema integrato e

completo di taglio o finitura dei materiali plastici e compositi, interamente realizzato da TÈAS, che prevede una sorgente laser CO2, il cui raggio viene condotto mediante un braccio articolato fino ad


una testa di taglio movimentata da un robot. A completamento del sistema è prevista anche l’installazione di un apposito sistema di raccolta ed evacuazione sfridi, nonché una cabina di protezione con relativo sistema di aspirazione e filtraggio del particolato derivante dal processo di taglio per l’abbattimento dei fumi. LASER T* assicura i massimi standard di sicurezza, pulizia dell’area di lavoro e rispetto ambientale. La nostra esperienza nel campo dell’automazione ci consente al tempo stesso di poter integrare il sistema nella migliore soluzione impiantistica per le specifiche esigenze dei nostri clienti. In base ai risultati di una pre-campionatura effettuata sui materiali utilizzati dai nostri clienti ed alla cadenza produttiva richiesta, definiamo per ciascuna applicazione specifica i corretti parametri di taglio da raggiungere e di conseguenza eseguiamo la scelta della sorgente laser e della testa di taglio ottimale per l’applicazione stessa. Mediante LASER T*, il cliente è in grado di produrre autonomamente qualsiasi nuovo modello o aggiungere una variante di design semplicemente modificando a livello software il ciclo di lavoro della macchina. La programmazione di cicli di lavoro diversi è estremamente user friendly e curata da TÈAS esattamente a tale scopo (ossia la massima semplicità). Tutte le operazioni di taglio e finitura vengono memorizzate in un database per forma e posizione (valori parametrizzati) e richiamati in modo semplice all’interno del ciclo di lavoro specifico. I rivoluzionari benefici ottenuti da nostri clienti grazie al sistema LASER* si possono così sintetizzare: • totale flessibilità • raggiungimento di elevate cadenze produttive con l’utilizzo di teste di taglio ad altissima velocità • abbattimento totale dei costi di gestione (niente più spese per consumo di punzoni, frese di taglio, etc…) grazie ai costi nulli di gestione di un sistema di taglio laser

• abbattimento dei costi di modifica e adeguamento dei sistemi di taglio tradizionali meccanici per poter processare nuovi modelli/varianti di design del prodotto • altissimi standard qualitativi, comparabili con quelli ottenibili con altre tecnologie. In sintesi, LASER T* assicura la massima flessibilità e precisione, consentendo al tempo stesso un notevole abbattimento dei costi di gestione e manutenzione. Fino a che livello può essere richiesta la precisione utilizzando questo sistema? A fronte dei vantaggi descritti, in tutte le applicazioni realizzate ad oggi siamo riusciti a garantire ai nostri clienti, grazie ad un’opportuna definizione dei parametri di esercizio, un livello di qualità superficiale assolutamente comparabile, se non migliorativo, ai processi tradizionali, motivo che li ha spinti ad abbandonare i sistemi di taglio tradizionali. Le ragioni alla base di tale considerazione sono facilmente identificabili nei seguenti punti di forza dei sistemi laser: • l’assenza di contatto meccanico con il pezzo in lavorazione garantisce da un lato la preservazione del materiale processato e dall’altro il non decadimento nel tempo delle qualità del taglio (il consumo ad esempio di punzoni o frese comporta un comportamento non costante nel tempo del processo) • lo spot size può essere opportunamente regolato secondo la specifica applicazione • pulizia della superficie (ad esempio i sistemi laser possono essere utilizzati per tutte le tipologie di materiali compositi che verrebbero invece rovinate da un sistema di taglio ad acqua) • massima precisione della geometria di taglio grazie all’accuratezza dei moderni sistemi di controllo

• nessuna necessità di effettuare seconde operazioni di finitura dei bordi di taglio, quali la sbavatura o la levigatura, anche ad elevate velocità nominali di taglio • la presenza di un apposito sensore garantisce la corretta e costante distanza focale durante il taglio, sempre assicurata indipendentemente dalla tolleranza superficiale del prodotto. Giusto per fare un esempio, un nostro importante cliente nel campo dell’automotive ha intravisto nel sistema LASER T* l’opportunità di incrementare le dimensioni dei canali di alimentazione necessari nel processo di stampaggio ad iniezione, riducendone il tempo ed aumentando la qualità finale del manufatto. L’allargamento dei canali di alimentazione è possibile proprio grazie al grado di finitura superficiale ottenibile mediante il taglio laser della materozza, che non necessita di seconde lavorazioni di sbavatura e levigazione. Per quali applicazioni e per che tipo di materiali avete le più frequenti richieste? Il sistema TÈAS LASER T* per il taglio e la finitura con laser CO2 è rivolto a tutte le tipologie di materiali non metallici, quali le plastiche in genere, ABS, polistirolo, plexiglass i termoformati, i tessuti e soprattutto la grande varietà di materiali compositi (fibra di vetro, fibra di carbonio, kevlar). Al momento le richieste più frequenti vengono dal mondo dell’automotive, anche se i settori industriali di applicazione del sistema TÈAS LASER T* sono molto vari e potenzialmente illimitati, in quanto legati semplicemente alla tipologia di materiale da tagliare. Laddove sia richiesta alta flessibilità, per la molteplicità di diversi modelli da dover gestire, ripetibilità della produzione su scala considerevole e qualità, LASER T* trova ampie possibilità di impiego.

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Un partner affidabile Nata negli anni ’70 la Celbo è un’azienda che, con la sua attenzione al dettaglio unita alla profonda conoscenza dello stampaggio in SMC, l’ha portata negli anni ad essere riconosciuta tra le più interessanti aziende nel settore automotive come un affidabile partner con cui collaborare. Il suo supporto inizia sin dal design del particolare, alla progettazione degli stampi fino ad arrivare, attraverso incontri tecnici, prove e ottimizzazioni, alla realizzazione di un prodotto altamente ottimizzato. Ne abbiamo parlato con Fabrizio Gindre, Direttore Commerciale della Celbo. Avete iniziato con Landini, di cosa vi siete occupati? Celbo nasce producendo cassette ed armadi per i settori elettrico e delle telecomunicazioni ma, effettivamente, nel settore delle macchine agricole, in particolare nel settore dei trattori, abbiamo iniziato a metà degli anni ’90 con la Landini, oggi Argo Tractors. Ci siamo occupati inizialmente del semplice stampaggio di un cofano in SMC con l’utilizzo di stampi di proprietà del cliente (fig.1). Successivamente siamo stati chiamati allo sviluppo dei nuovi prodotti sin dal loro design. La collaborazione era necessaria per poter offrire suggerimenti tecnici anche sulla scelta del design per far sì che il pezzo potesse essere stampabile ed al minor costo possibile. Si è trattato infatti di una sorta di co-progettazione. In questa prima fase si è trattato di cofani per trattori su cui ci sia-

mo proposti come partner tecnici e non semplicemente come fornitori. Attualmente per la Argo Tractors stampiamo, assembliamo e verniciamo non solo i cofani, ma anche i tetti ed i parafanghi delle loro linee di prodotto (fig.2). Quanto conta la flessibilità in questo comparto e soprattutto cosa significa per voi? Per noi flessibilità significa essere non solo dei puri esecutori, ma soprattutto dei consulenti in grado di supportare l’azienda nello sviluppo del prodotto. L’obiettivo è avvicinarci il più possibile a ciò che desidera il cliente e, nei limiti possibili, aiutarlo ad apportare quelle modifiche che consideriamo essenziali perché il prodotto finale possa risultare tecnicamente ed economicamente “meglio ottimizzato”, rispettando i tempi ed i volumi dettati dal mercato. Le no-

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Fig.4

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stre produzioni possono infatti andare dai 500 agli oltre 30.000 pezzi/anno! La fama nel settore è una conseguenza del passaparola dei tecnici, è stato così anche per Celbo? Certamente, dopo i primi risultati e verificata la nostra competenza abbiamo ottenuto collaborazioni con altri produttori sia nel settore delle macchine agricole che in altri, quali i veicoli industriali o quello specifico delle automobili. Non è stato solo un passaparola, infatti si tratta di comparti molto differenti tra loro. Diciamo piuttosto che dopo gli ottimi risultati dimostrati, oltre alla disponibilità a fornire collaborazione costante anche in fase di progetto, è stato più facile proporci ed allargare il nostro campo di azione. Attualmente tra i principali clienti per i quali produciamo, sia direttamente che indirettamente, annoveriamo nomi importanti, oltre alla già citata Argo Tractors, quali CNH Industrial, Agritalia e BCS nel settore agricolo, Iveco per i veicoli industriali, Nissan, Suzuki, Ferrari, Lamborghini, Porsche e Mc Laren nel settore automobilistico. Il mercato si evolve, la vostra sensibilità vi ha portato ad orientarvi verso le fibre di carbonio, quando è avvenuta questa tendenza e perché? L’orientamento delle differenti case automobilistiche, unito alla peculiarità di un prodotto in grado di offrire performance migliori, è stato l’invito anche per noi a seguire questo cambiamento. Il primo esperimento con l’SMC a base di fibre di carbonio è stato per noi quello di aver collaborato nel 2010, e stampato con le nostre presse, una scocca/telaio portante totalmente in SMC carbonio per una concept car della Lamborghini: la “Sesto Elemento”. Questo ambizioso progetto ci ha permesso di acquisire un’ottima esperienza nello stampaggio di questo materiale. Nello specifico questo telaio, con incorporate le sedute (fig.3 e 4), è stato realizzato in un’unica stampata utilizzando


circa 35 kg di materiale. Il pezzo veniva stampato con tempi, e di conseguenza costi, decisamente inferiori rispetto alle altre consolidate tecnologie con cui si producevano, e si producono tutt’oggi, particolari in carbonio, una per tutte l’autoclave. Questo esperimento ci ha aperto le porte a molte altre applicazioni con l’utilizzo di questo interessante materiale, adottato soprattutto dalle case automobilistiche di altissima gamma (fig.5).

per un’altra nota casa di vetture sportive, sulla produzione di particolari stampati con la nostra tecnologia inserendo negli stampi, e quindi co-stampando, degli inserti prodotti in autoclave con caratteristiche meccaniche decisamente superiori. SMC vetro e SMC carbonio... c’è un punto comune? Certamente sì! La tecnologia delle presse e, per certi versi, degli stampi sono

Ci vuole parlare del vostro parco macchine? Abbiamo 15 presse che vanno dalle 150 alle 2.000 Ton di potenza. Questo ci permette di destinare sempre le produzioni alla pressa più adatta, ottimizzandone i costi. Per lo stampaggio del SMC carbonio le nostre presse sono perfettamente adatte. Lo dimostrano le diverse produzioni che eseguiamo attualmente (fig.6). Di cosa necessita il cliente evoluto di oggi? Oggi il cliente non cerca più un mero fornitore ma un consulente tecnico in grado di risolvere delle problematiche e di seguirlo, sin dai primissimi passi, nello sviluppo di un nuovo prodotto. Grazie anche a consolidate collaborazioni esterne (più che ventennali), la Celbo è in grado di fornire ai suoi clienti tutto quanto è necessario, dalla progettazione dei particolari partendo anche da “pelli in classe C”, alla progettazione e realizzazione degli stampi, fino alla realizzazione dei pezzi con la possibilità di fornirli anche assemblati con gli accessori richiesti e/o verniciati (fig.7). Lavorate con i più importanti gruppi automobilistici del comparto, può dirci quali e soprattutto a quali progetti avete o state partecipando? Come già accennato, oggi la Celbo fornisce, sia direttamente che indirettamente, i succitati clienti. Per entrare un po’ più nello specifico, oltre alla prima esperienza della Sesto Elemento, per la Lamborghini produciamo sia parti di carrozzeria in SMC a base di fibra di vetro che particolari in SMC a base di fibra di carbonio. In questo caso (carbonio) stampiamo l’ossatura dello schienale del sedile della Aventador nonché alcuni particolari di rinforzo per il tetto della vettura stessa. Per la Ferrari produciamo, e forniamo direttamente, molti dei fondi aerodinamici delle loro vetture. Per la Porsche forniamo un kit aerodinamico in SMC carbonio che viene montato sul fondo della vettura con degli elementi di aerodinamica attiva. Infine, stiamo facendo degli esperimenti,

Fig.5

del tutto simili. L’esperienza maturata in tanti anni di stampaggio con SMC vetro si è rivelata molto utile nel passaggio allo stampaggio di compositi in carbonio. Progetti per il futuro? Nel prossimo futuro verrà sempre di più richiesta la nostra tecnologia per lo sviluppo di particolari sia utilizzando SMC carbonio che SMC vetro con basso peso specifico. Relativamente a quest’ultimo stiamo già utilizzando materiali ultra leggeri per applicazioni dove il peso della vettura assume un’importanza fondamentale. Per questo collaboriamo a stretto contatto con i principali produttori di materia prima per trovare le formulazioni più adatte alle singole applicazioni.

Fig.6

Fig.7

Compositi

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KIMIA SPA

Materiali compositi a soccorso della Pietà Rondanini In occasione dell’EXPO è stato ripensato il collocamento all’interno del Palazzo Sforzesco della scultura Michelangiolesca della Pietà Rondanini. Si è trattato di un intervento delicato per il valore della scultura, del suo peso e della sua geometria complessa, dato il forte sviluppo in altezza in relazione alla piccola base. È stata progettata e realizzata da un team di aziende internazionale una speciale piattaforma antisismica e antivibrante a far da supporto alla statua. I compositi sono entrati in campo nel momento in cui si è affrontata la problematica di come garantire l’ancoraggio della statua al basamento antisismico sottostante, senza danneggiarla o alterarla in alcun modo. Kimia S.p.A., azienda italiana specializzata in materiali e tecnologie per il restauro e recupero edilizio e monumentale, ha ideato, ingegnerizzato e testato il presidio di ancoraggio in CFRP, Kimitech FRP-LOCK PR. L’azienda ha: • sviluppato il sistema Kimitech FRP-LOCK PR, testandone all’interno del proprio laboratorio le prestazioni • confrontato le adesioni offerte dalle resine impiegabili per l’incollaggio su supporti con differenti scabrezze superficiali • dimostrato la reversibilità dell’intervento • partecipato ad una campagna di test promossa dal Politecnico di Milano per assicurarsi dell’idoneità della soluzione proposta • predisposto indagini radiografiche per asseverare la qualità del Kimitech FRP-LOCK, successivamente incollato sulla statua. SCELTA DEL SISTEMA DI FISSAGGIO Lo studio preliminare del sistema di fissaggio ha riguardato un’attenta analisi dei vincoli di cui tener conto: la non planarità della base, la necessità di rendere l’intervento reversibile, la possibilità di avere un sistema utilizzabile anche per applicazioni verticali “sopra testa” e la forza di lavoro di circa 800 Kg. Il presidio Kimitech FRP-LOCK PR scelto, di dimensioni contenute, abbinato a resine pastose era in grado di saturare eventuali concavità presenti nel supporto, ma allo stesso tempo garantendo una semplice rimozione. Inoltre, l’impiego di primer ad elevata viscosità compatibile con la resina di incollaggio, evitava percolamenti di resina in profondità. Tutti i materiali proposti, grazie alle loro caratteristiche di tixotropia, sono agevolmente utilizzabili anche per applicazioni sopra-testa. Affinché il presidio avesse un’area di incollaggio compatibile con le resistenze del marmo sono stati eseguiti i test sperimentali presso i laboratori qualità e ricerca e sviluppo dell’azienda. INGEGNERIZZAZIONE DEL PRESIDIO Il presidio di forma circolare, realizzato con un processo di laminazione di tessuti in fibra di carbonio intorno ad un’anima metallica, si presenta come un disco in materiale composito in cui la base costituisce la superficie di incollaggio. Al centro del presidio è presente un elemento metallico filettato, sul quale si avvita il cilindro di metallo che si integra nel basamento. Già da tempo l’azienda ha brevettato un dispositivo di ancoraggio per tessuti in carbonio che prevede la coesistenza di elementi compositi e metallici, ingegnerizzato per impedire la delaminazione delle fibre del rinforzo. Il Kimitech FRP-LOCK. Il nuovo presidio circolare progettato per la Pietà Rondanini appartiene alla stessa famiglia del Kimitech FRP-LOCK. Essendo realizzato in carbonio annegato in una matrice epossidica, presenta ottime caratteristiche di compatibilità con le resine di incollaggio del sistema al supporto. La specifica disposizione e la stratificazione dei tessuti in carbonio utilizzata gli conferisce le caratteristiche di omogeneità e resistenza confermate dai test sperimentali effettuati. TEST PRELIMINARI Test di laboratorio hanno riguardato la scelta della procedura di incollaggio per individuare il ciclo più performante che garantisse la reversibilità richiesta. Come primer per la superficie lapidea è stata proposta la resina epossidica bicomponente a media viscosità Kimitech CMP. L’interazione tra supporto e primer

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Compositi


Kimia

PRODOTTI & TECNOLOGIE PER IL RECUPERO EDILIZIO

Dallo specialista di materiali e soluzioni per il recupero edilizio...

Kimitech FRP-LOCK®

Ancoraggio antidelaminazione brevettato per rinforzi FRP 1. Presidio antidelaminazione per rinforzi strutturali con FRP

viscoso Kimitech CMP è stata studiata con test di adesione realizzati mediante pull-off tester per verificare l’efficacia dell’adesivo. I valori di adesione ottenuti sono risultati superiori al doppio del valore progettuale richiesto, per i quali è avvenuta la rottura del supporto. L’esecuzione dei test di distacco sul sistema applicato su supporto in marmo, rispettando il ciclo applicativo primer+resina (Kimitech CMP+Kimitech EPTX) ha permesso di valutare l’efficacia dell’incollaggio del sistema, in grado di garantire un valore di adesione superiore al doppio del valore di progetto richiesto. È stata verificata la reversibilità dell’incollaggio per garantire la non invasività del sistema previsto, mediante distacco dal supporto, per surriscaldamento della superficie di adesione con un getto d’aria ad elevata temperatura. Successivamente, una campagna sperimentale in collaborazione con il Politecnico di Milano ha riguardato un’analisi di maggior dettaglio del sistema di incollaggio, eseguendo test su supporti con due differenti scabrezze superficiali. Nella predisposizione del piano di prova si è deciso di disporre di tre differenti campioni per ciascun tipo di supporto (marmo liscio e marmo ruvido), per verificare la ripetibilità delle prove. Il risultato dei test ha comportato la rottura per decoesione dello strato superficiale del supporto, raggiungendo valori più alti nei supporti a maggiore scabrezza.

2. Computabile direttamente nel progetto migliorando il tasso di sfruttamento del rinforzo 3. Ideale per supporti con scarse caratteristiche meccaniche e/o soggetti a sollecitazioni dinamiche

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SISTEMI DI CONTROLLO Il controllo di produzione del presidio è stato eseguito in analogia con i controlli tipicamente eseguiti sul sistema Kimitech FRP-LOCK mediante esame radiografico del dispositivo, per controllarne l’omogeneità e la compattezza e l’assenza di bolle d’aria e vuoti interni, possibili cause di rotture premature. L’analisi radiografica, eseguita con il supporto del laboratorio diagnostico Unilab Sperimentazione, ha evidenziato un ottimo grado di compattezza ed uniformità del dispositivo. Non si segnalano presenze di macchie di minor contrasto tipicamente associate a vuoti d’aria interni. Qualora fossero state presenti anomalie, si sarebbero evidenziate con la presenza di elementi aventi forma tondeggiante e/o irregolare di colore chiaro.

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Una speciale versione di Kimitech FRP-LOCK® è saldamente incollata alla base della statua, assicurandone l’ancoraggio al basamento antisismico sottostante.

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G. Frulla, E. Cestino - Politecnico di Torino, DIMEAS

Rigidezza equivalente di travi snelle con parete sottile in materiale anisotropo I compositi in parete sottile sono fondamentali per le configurazioni ad elevato allungamento dei velivoli civili e su quelle non convenzionali dei velivoli non pilotati. Per queste è necessario un modello analitico accurato già durante la fase preliminare di progettazione. Vengono presentati uno schema di simulazione del comportamento di strutture snelle mediante un modello trave equivalente e un confronto tra risultati analitici, FE e sperimentali.

N

elle nuove generazioni di velivoli civili in composito e nelle configurazioni non convenzionali di velivoli HALE-UAV (High Altitude Long Endurance UAV) la flessibilità dell’ala accoppiata con le elevate dimensioni in apertura può produrre, in condizioni di volo normali, deflessioni di livello superiore rispetto ai velivoli di progettazione più tradizionale. Per questo è conveniente adottare un modello strutturale appropriato e capace di tenere in conto la particolarità del comportamento strutturale di queste tipologie di velivoli [Frulla 2004, Romeo 2006, Frulla 2010b]. Il modello considerato è basato sull’approssimazione trave delle strutture ad elevato allungamento e include la valutazione delle rigidezze equivalenti di sezioni alari di forma semplice in composito e parete sottile. Esso include anche gli effetti di eventuali accoppiamenti che dovessero originarsi per effetto della variabilità dei materiali o delle laminazioni in modo da migliorare la rappresentatività del modello trave classico per l’utilizzo nei problemi strutturali non lineari [Tang 2001, Cestino 2006, Romeo 2006, Frulla 2010a, Frulla 2010b, Friedmann 2004, Friedmann 2009]. Si introducono le usuali ipotesi sul flusso di taglio (costante) e si trascurano le risultanti di tensione circonferenziali. Si definiscono le componenti della deformazione secondo la formulazione classica includendo componenti di spostamento aggiuntive nel piano della sezione. Il flusso di taglio viene determinato mediante una formulazione mista [Berdichevsky 1992] che include sia i termini membranali sia i termini di rigidezza locale delle pannellature. Il modello trave equivalente viene quindi definito a partire dalla determinazione del-

le rigidezze equivalenti della sezione reale. Si presentano i risultati per due casi diversi: una sezione a singola cella in composito e una sezione che prevede la presenza di pannelli irrigiditi con orientazione non allineata alla direzione dell’apertura della trave. Il primo caso viene realizzato con pannelli sottili in composito con diverse laminazioni per produrre accoppiamenti flesso - torsionali e estenso - flessionali inclusi nella derivazione; il secondo caso prevede la presenza di pannelli isotropi ma irrigiditi ed orientati in modo da provocare nella struttura accoppiamenti similari. La correlazione analitico/numerico/sperimentale si è rivelata soddisfacente confermando la validità dell’approssimazione analitica sviluppata. MODELLO STRUTTURALE Indicando le componenti di spostamento generalizzato con u(x,t), v(x,t), w(x,t) e Φ (x,t), come in figura 1, è possibile introdurre due sistemi di riferimento interdipendenti: uno cartesiano globale (x,y,z) ed uno locale (x,s,n) localizzato sul pannello costituente la sezione della struttura, con asse “n” normale al piano medio ed “s” tangente al piano medio ed orientato lungo il contorno (fig.1) (Cestino-Frulla 2014). Assunzioni e ipotesi: • la sezione non si deforma nel suo piano • si trascura l’effetto del taglio trasversale (t/2h≤ 0,1 t/2w ≤ 0,1 2w/L ≤ 0,1 2h/L≤0,1) • la sezione si assume in condizione di free-warping (si trascura l’effetto del bi-moment) valida per le configurazioni alari ad elevato allungamento • le risultanti tensionali in direzione circonferenziale sono considerate

nulle nel rispetto delle ipotesi di sezione tubolare in parete sottile • il flusso di taglio assunto costante nel rispetto della teorie di Batho-Bredt • le deformazioni si considerano piccole e tali da rimanere in elasticità lineare. La matrice di rigidezza dell’elemento di sezione risulta quindi:

(1)

Se la sezione è simmetrica [B]=0 l’espressione di [A] e [D] diventano:

(2)

Si determinano quindi i risultanti tensionali correlando la trazione Fx e i momenti flessionali (My e Mz) e torsionale (Mx) con il flusso di taglio e la tensione assiale sulla sezione. Queste risultanti riferite al sistema di riferimento globale sono determinate dalle relazioni in equazione 3.

(3)

Compositi

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- Rigidezza equivalente di travi snelle con parete sottile in materiale anisotropo produce una matrice di rigidezza globale come quella dell’equazione 5. I valori dei coefficienti di tale matrice sono riportati nell’equazione 6 (Ω rappresenta l’area della sezione racchiusa dalla linea media del contorno della sezione come dalla teoria di Bredt):

Al secondo membro delle relazioni in equazione 3 si osserva che il primo termine è relativo al comportamento membranale mentre il secondo si riferisce al contributo di rigidezza locale del pannello incluso nella derivazione. L’approssimazione di Eulero-Bernoulli per la trave equivalente permette di relazionare questi risultanti con l’allungamento assiale e le curvature della sezione, ottenendo una matrice di rigidezza globale Cij per la trave equivalente, riportata nelle equazioni 4 e 5. (4)

(6)

(5)

La prima matrice rappresenta il contributo membranale (simile a quanto riportato in Frulla 2010a, Frulla 2010b e Cestino 2010b) mentre la seconda in equazione 4 contiene i termini di rigidezza locali. Una configurazione particolare è quella denominata “Circumferentially Asymmetric Stiffness” (CAS) che

Fig.1: Sistemi di riferimento

CASSONE ALARE IN COMPOSITO La soluzione analitica di prima approssimazione (membranale) relativa ad una configurazione CAS viene confrontata con un modello FEM (QUAD4) per verificare e validare l’accuratezza del modello trave equivalente. Il comportamento statico di un cassone a sezione rettangolare cava con pannellature a differenti angoli di laminazione (Frulla 2011, Cestino 2011, Cestino-Frulla 2014) permette di identificare la configurazione che presenta l’accoppiamento flesso-torsionale massimo con i pannelli superiore ed inferiore unidirezionali con un angolo di laminazione di 18 gradi. Il cassone utilizzato per la verifica sperimentale è co-

Fig.2: Allestimento sperimentale (sinistra) e confronto numerico/sperimentale per il cassone composito (destra)

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Compositi

stituito da due profilati a C in alluminio sui lati destro e sinistro e con il pannello superiore ed inferiore costituiti da 4 strati (spessore totale 1mm) in prepreg T700 unidirezionale a 18 gradi rispetto alla lunghezza del cassone stesso (condizioni di Cura: 2hr @ 135°C) (fig.2 destra). La figura 2 (sinistra) mostra l’allestimento della prova sperimentale per questa configurazione e la correlazione numerico/sperimentale della deflessione (misurata dai trasduttori TR-R e TR-L) dovuta ad un carico trasversale applicato all’estremità libera. Tale correlazione risulta soddisfacente considerando una certo livello di dispersione sui valori delle caratteristiche meccaniche del composito e dimostra l’accoppiamento flesso - torsionale come atteso per tale configurazione. PANNELLO IRRIGIDITO EQUIVALENTE: CORREZIONE LOCALE E TERMINI DI ACCOPPIAMENTO In questa configurazione si utilizzano due pannelli irrigiditi in alluminio come pannelli superiore ed inferiore in modo da incrementare l’effetto locale sulle rigidezze equivalenti. Questi pannelli sono realizzati in configurazione simmetrica mediante fresatura dal pieno (dimensioni iniziali piastra: larghezza 60 mm, lunghezza 1200 mm spessore 10 mm caratteristiche piastra: Al6060 - Es=58000 MPa Gs=21805 MPa ni=0,33) con orientamento dei correnti ad un angolo di 25 gradi rispetto alla lunghezza del cassone. Questo angolo dovrebbe produrre il massimo effetto di accoppiamento (Cestino-Frulla 2014) (fig.3). La sezione finale del pannello irrigidito presenta uno spessore equiva-

Fig.3: Allestimento sperimentale e confronto numerico/sperimentale per il cassone isotropo con pannelli irrigiditi


lente di 4 mm con pannello intermedio di supporto spesso 2 mm. Questi due pannelli sono poi collegati mediante incollaggio strutturale ai profilati a C (20X40X2 mm) dello stesso alluminio, per la realizzazione del cassone. La lunghezza libera del cassone una volta inserito nella macchina di prova risulta di 1100 mm. La deflessione e la rotazione all’estremo libero viene misurata da due trasduttori TR-L e TR-R posizionati come in figura 3. Il risultato sperimentale viene poi confrontato con i valori numerici ottenuti con due modelli FE uno dei quali è costituito da elementi solidi (TET in fig.3c) mentre l’altro consiste di elementi piastra (QUAD4 fig.3d) che simulano i pannelli superiore ed inferiore come laminati costituiti da due strati in 2D ortotropo equivalente spessi 4 mm, ciascuno dei quali simula l’effetto dei correnti, ed uno strato intermedio in alluminio di 2 mm che simula il supporto piano. Le caratteristiche della trave equivalente vengono determinate con la procedura descritta. Lo spostamento trasversale del modello FE solido viene confrontato in figura 3c con il dato sperimentale (deflessione media dei due trasduttori e rotazione), mentre la deflessione e rotazione all’estremo libero della configurazione piastra viene confrontata con lo sperimentale in figura 3d. Il risultato analitico inclusivo dell’effetto della rigidezza locale è confrontata con lo sperimentale in figura 3b. Dalle figure 3b, 3c, 3d si osserva che la correlazione teorico/numerico/sperimentale risulta adeguata e soddisfacente per confermare la validità dell’approssimazione teorica sulle grandezze equivalenti di tali configurazioni strutturali anche in presenza di accoppiamento. CONCLUSIONI L’inserimento nel modello di primo livello (membranale) dell’effetto della rigidezza locale dei pannelli risulta adeguato per la simulazione del comportamento di configurazioni trave-equivalente rappresentative di strutture allungate in parte sottile chiusa in composito. La corrispondenza è stata mostrata in due casi rappresentativi: una sezione rettangolare cava in composito con accoppiamento flesso - torsionale e una sezione rettangolare cava in materiale isotropo con pannelli superiore ed inferiore irrigiditi e orientati in modo da mostrare accoppiamento flesso - torsionale. La correlazione numerico/sperimentale ha confermato la validità dell’approssimazione analitica descritta. BIBLIOGRAFIA/REFERENCES Armanios E.A., Badir, A.M. (1995), “Free Vibration Analysis of Anisotropic Thin-walled Closed-Section Beams”. AIAA Journal Vol. 33, No. 10, October 1995. pp. 1905-1910. Berdichevsky V., Armanios E.A., Badir, A.M. (1992), “Theory of Anisotropic Thin-Walled closed-cross-section Beams”. Composites Engineering. Vol. 2, no.5-7, pp.411-432. Cestino, E., (2006). Design of very long-endurance solar powered UAV. PhD Dissertation Politecnico di Torino, Aerospace Dept., Torino, 2006. Cestino E., Frulla G., Marzocca P. (2010a), “Aeroelastic scaling laws with considerations to the design of an experimental slender wing model”, 27th ICAS 2010, Proc. (Nice (France)) 19 – 24 September. Cestino E., Frulla G. (2010b), “Critical Aeroelastic Behaviour of slender composite wings in an incompressible flow” Composite Materials in Engineering Structures , NOVA Publisher 2010. Cestino E., Frulla G., Perotto E., Marzocca P. (2011), “Theoretical and Experimental Flutter Predictions in High Aspect Ratio Composite Wings”. SAE INTERNATIONAL JOURNAL


- Rigidezza equivalente di travi snelle con parete sottile in materiale anisotropo -

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OF AEROSPACE, vol. 4 n. 2, pp. 13651372. - ISSN 1946-3855 Crespo da Silva, M.R.M., Glynn, C.C. (1978),” Nonlinear Flexural-Flexural-Torsional Dynamics of Inextensional Beams. Equations of Motion”. Journal of Structural Mechanics, Vol. 6(4), pp. 437-448. Frulla G., Cestino E. (2011), “Structural Analysys of Slender Composite Thin-Walled Box-Beam for Aeroelastic Applications”. AIRTEC 6th International Conference - Supply on the Wings, Frankfurt, Germany, 2-4-November 2011. ISBN 9783942939010. Frulla G., Cestino E. (2010a), “Flutter Analysis Of A High Aspect Ratio Composite Wing Test-Model”, AIRTEC 5th International Conference - Supply on the Wings (Frankfurt - Germany) November 2-4 2010. Frulla G., Cestino E., Marzocca P., (2010b), “Critical behaviour of slender wing configurations” Proc. of the institution of mechanical engineers. Part G, Journal of Aerospace Engineering ,Vol.224, pp.527-636. Frulla G.; Cestino E (2009),” Preliminary design 8:59 of aeroelastic 23-02-2009 Pagina experimental 31

slender wing model”. AIRTEC2009 Int. Conf., Frankfurt - Germany, 3-5 November 2009. Frulla, G., (2004), “Aeroelastic Behavior of a Solar-Powered High-Altitude Long Endurance Unmanned Air Vehicle (HALE-UAV) Slender Wing”. Proc. of the institution of mechanical engineers. Part G, Journal of Aerospace Engineering, Vol. 218, Special Issue. Friedmann, P.P., Glaz, B., Palacios, R., (2009), “A moderate deflection composite helicopter rotor blade model with an improved cross-sectional analysis”. International Journal of Solids and Structures, Vol. 46 (10), pp. 2186–2200. Friedmann P.P. (2004), “Aeroelastic scaling for rotary-wing aircraft with applications”, Journal of Fluids and Structures , Vol.19, pp. 635–650. Hodges, D.H., Dowell, E.H. (1974),” Nonlinear Equations of Motion for the Elastic Bending and Torsion of Twisted Non Uniform Rotor Blades”, NASA TN D-7818. Nayfeh, A.H., Pai, P.F.(2004),” Linear and Non-linear Structural Mechanics”, Wiley Interscience, New York. Nemeth M.P. (2011), “A Treatise on

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Equivalent-Plate Stiffnesses for Stiffened Laminated-Composite Plates and Plate-Like Lattices”. NASA/TP-2011216882, Langley Research Center, Hampton, Virginia. Romeo, G., Frulla, G., Cestino, E., Marzocca, P., Tuzcu, I, (2006), “Nonlinear Aeroelastic Modelling and Experiments of Flexible Wings,” Proc. of 47th AIAA/ ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, Materials Conference, Newport RI, 1-4 May 2006. Tang, D., Dowell, E.H. (2001), “Experimental and Theoretical Study on Aeroelastic Response of High-Aspect-Ratio Wings,” AIAA Journal, Vol. 39, No. 8, pp. 419-429. Reddy J.N. (1997) “Mechanics of Laminated Composite Plates “CRC, Press Boca Raton , Florida Reddy J.N. (1984) “Energy and Variational methods in applied mechanics”. Wiley-Interscience, New York. Cestino E., Frulla G. (2014) “Analysis of slender thin-walled anistropic box-beams including local stiffness and coupling effects”. Aircraft Engineering and Aerospace Technology: An international Journal, (AEAT), vol. 86/4, pp.345-355.

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G. Frulla, E. Cestino - Politecnico di Torino, DIMEAS

Equivalent stiffness evaluation of anisotropic thin-walled slender beams Thin-walled Fiber-reinforced laminated composites play an important role in the new slender structural configuration of current and future generations of innovative civil aircraft and unconventional unmanned configurations. For these configurations it is necessary an accurate beam model during the preliminary design phase. A proper structural beam scheme based on the first level membrane assumption is modified adding specific local stiffness of the composite laminate. The equivalent analytical and FE beam behaviour has been determined and compared with experimental results in order to validate the considered analytical stiffness relations.

I

n the next generation of composite civil aircrafts and unconventional configurations, such as High Altitude Long Endurance (HALE-UAV) aircraft, wing flexibility, coupled with a long wing span, could lead to large deflections during normal flight operation. An appropriate structural model capable of taking into consideration specific structural behaviour of such kind of configurations should be adopted [Frulla 2004, Romeo 2006, Frulla 2010b]. The present model is based on a beam-wise approximation of slender configurations and it includes the evaluation of the equivalent stiffness for simple/thin-walled laminated/ stiffened sections with different coupling effects to be connected to improved beam-wise equivalent models to be used in non-linear structural simulations [Tang 2001, Cestino 2006, Romeo 2006, Frulla 2010a, Frulla 2010b, Friedmann 2004, Friedmann 2009]. Assumptions on the shear flow (constant) and negligibility of the circumferential stress resultant have been introduced into the derivation. The strains have been represented through displacement components, according to the classical beam theory, including the added displacements in the section plane. The shear flow is determined by a mixed formulation as cited in Berdichevsky 1992. Membrane and local plate stiffness effects have been included in the equivalent model. The equivalent beam model has been derived from the calculation of the equivalent stiffness of the real section. Two different examples have been studied and presented in the following. A single cell composite box was considered first. This box is made up of thin plate elements with different lay-ups. The walls of the box are built

with unidirectional or multidirectional composite plies. This wing-box section originates a certain bending-torsion/ bending-extension coupling effect, which is accounted for in the beam formulation. A stiffened box, made of isotropic material, but with the stiffeners oriented so that they originate the expected coupling effect, is considered for the second case. A satisfactory Experimental and analytical/FE comparison has been obtained confirming the validity of the presented analytical approximation. STRUCTURAL MODEL The beam behaviour is described through the longitudinal transverse displacements u(x,t), v(x,t) and w(x,t) respectively, and the torsional angle Φ (x,t), as shown in figure 1. Two mutually interrelated coordinate systems are introduced: the first one is the orthogonal Cartesian global coordinate system (x, y, z) and the second one is the local plate coordinate x,s,n, where the n-axis is normal to the middle surface of a plate element, while the s-axis is tangent to the middle surface and is directed along the contour line of the cross-section (fig.1). More details can be derived as in Cestino-Frulla 2014. The following assumptions have been introduced: • the cross-sections do not deform in their own planes transverse shear effects are discarded (t/2h≤ 0,1 t/2w ≤ 0,1 2w/L ≤ 0,1 2h/L≤0,1) • a free warping assumption (bi-moment effect discarded), valid for a high aspect ratio wing has been considered • the circumferential resultant stress and moment are then assumed to be zero according to the

thin-walled tube hypothesis • the shear flow is considered constant in the spirit of the Batho-Bredt theory • the strains are small and the linear elasticity theory has been applied. The stiffness matrix is then reduced as follows:

(1)

If symmetric lamination holds, [B]=0 and the expressions of the [A] and [D] matrices become:

(2)

The stiffness can be derived from the constitutive equations, in terms of stress resultants by relating traction Fx, torsional Moment Mx, and the bending moments My and Mz to the shear flow and axial stress. These beam-wise section resultants along the global reference system can now be determined by means of the equation 3.

(3)

Compositi

63


- Equivalent stiffness evaluation of anisotropic thin-walled slender beams The second term on the right-hand side of the equivalent relations is representative of the plate stiffness contribution to the global stiffness of the thin-walled configuration. Euler–Bernoulli beam approximations are introduced to connect the section rotations to the transverse displacement derivatives. By substituting the expression of the stress resultants and the strain with the displacement variables (elongation e and beam curvatures ri ), the equivalent beam stiffness Cij can be obtained as equations 4 and 5. (4)

(5)

The first matrix in eq.4 is consistent with the first membrane approximation in Frulla 2010a, Frulla 2010b and Cestino 2010b, while the second matrix in equation 4 includes the local plate stiffness effect. Specific relations, such as those that represent coupled configurations, can be derived in complex cases, that is, the Circumferentially Asymmetric Stiffness (CAS) models in equation 5. The CAS stiffness coefficients are computed in the following way (Ω represents the area enclosed by the midline of the contour section according to the classical Bredt theory):

(6)

COMPOSITE WING BOX CONFIGURATION In order to assess the accuracy of the prediction of a CAS wing-box structure, the analytical solution (membrane approximation) is compared with

64

Compositi

a QUAD4 FEM model that simulates the thin-box structure. The static behaviour of a composite rectangular closed cross-section, at different ply angles, as shown in Frulla 2011, Cestino 2011, Cestino-Frulla 2014 allow to identify a maximum bending/torsion coupling for a UD layup angle configuration of the top and bottom side of the box equal to 18°. An experimental model, with vertical sides consisting of two C-shaped aluminium profiles and the top and bottom sides made by T700 Carbon prepreg positioned at UD 18° (Cure conditions 2hr @ 135°C) with a total thickness around 1mm (4 layers) has been manufactured and tested in order to validate theoretical stiffness evaluation. The figure 2 (left) shows the experimental setup for this configuration together with the numerical comparison of the experimental deflection measured by the right (TR-R) and left (TR-L) transducers when a transversal load is applied at the free end. The numerical/experimental comparison is quite satisfactory demonstrating a bending torsion coupling as expected. A slight difference on the measurements could be due to the dispersion of the mechanical characteristics of the composite material. STIFFENED EQUIVALENT PLATE MODELS - LOCAL CORRECTION AND COUPLING TERMS In order to validate the procedure with local corrections and coupling, an aluminium thin-walled beam has been designed and tested. The upper and lower sides of the beam are composed of stiffened panels oriented at 25°, that is the angle developing the maximum coupling effect as in Cestino-Frulla 2014 (fig.3). The stiffeners are in a symmetrical configuration with respect to the mean plane of the skin panel. The upper and lower plates were obtained by mechanical milling, starting from a 60 mm wide, 1200 mm long and 10 mm thick aluminium plate (Al6060 - Es=58000 MPa Gs=21805 MPa ni=0,33). The final structure had showed a thickness of the equivalent-stiffener layer of 4mm and a plate-wall thickness of 2 mm. The upper and lower stiffened panels were then bonded onto two C-shaped spars with a constant section of 20X40 mm and thickness equal to 2 mm, made of the same 6060 aluminium. The total free length of the cantilever beam was 1100 mm. Two displacement transducers (TR-L and TR-R), were placed at the tip section with the aim of measuring its deflection and rotation (fig.3). Two finite element models were defined by MSC Patran-Nastran with the

aim of comparing the results obtained in the test: 1) a solid model (“TET” elements fig.3c) 2) a Shell (Quad 4 elements fig.3d) model, in which the top and bottom panels were constituted by equivalent laminated material consisting of two layers of 4mm thick 2D equivalent orthotropic material to simulate the stiffeners separated by a 2 mm layer of aluminium which formed the supporting skin. Their equivalent properties were determined according to the procedure described above. Figure 3c shows the experimental/numerical comparison related to the solid model. The FE-solid measurements of the two transducers are compared with experimental results and the average value of the vertical displacement and rotation about the x axis are reported in figure 3c. In a similar manner, the results related to the FE shell model are shown in figure 3d. The results obtained with the theoretical model, inclusive of the local and coupling effects, are shown in figure 3b. The experimental results are in good agreement with both the finite element models and the theoretical model, thus confirming that a stiffened wing-box can be treated adequately, at a design stage, with equivalent beam models, even in the presence of configurations that have bending torsion couplings. CONCLUSIONS The first level approximation (membrane) for the equivalent box beam stiffness has been evaluated and assessed by means of FE calculations and experimental tests. The obtained relationships have been modified in order to include the local stiffness effect, on the basis of the preliminary simplifying hypotheses. Two cases have been presented and compared with both FE and experiments: a composite wing box configuration, with coupling effects, and a wing box, with stiffened panels in a coupled configuration. The experimental and numerical data exhibit quite a good agreement, even in the presence of bending-torsion coupling validating the presented procedure.

All the mentioned figures refer to the italian version Fig.1: Beam Reference System Fig.2: Experimental setups and experimental/numerical comparisons for a composite wing-box Fig.3: Experimental setup and numerical/experimental results for isotropic stiffened wing-box


Specialisti del carbonio anche nel settore medicale di Diego Zanolini - Lamiflex SPA La grande esperienza maturata da Lamiflex nel carbonio ha dato il via ad una serie di collaborazioni specialistiche in vari campi. Il connubio delle competenze tra l’azienda bergamasca e i suoi numerosi clienti hanno favorito non solo la costruzione di modelli di procedura, ma anche la nascita di nuove applicazioni. Lamiflex ha fatto di questo metodo uno standard attraverso il quale ha saputo sviluppare prodotti interessanti. Negli ultimi 20 anni Lamiflex ha avviato diverse linee di prodotti per il settore medicale ed in particolare per la realizzazione di componenti per impianti radiologici chiamati a garantire alti valori di radiotrasparenza e meccanici. La radiotrasparenza dei materiali, a parità di spessore, dipende dall’energia dei fotoni, dal numero atomico del materiale e dalla densità. In figura 1 viene riportata una fluoroscopia di un componente: nella zona centrale, più scura, un inserto in legno.

In fase di progetto, grazie alla flessibilità che i compositi offrono, possono essere realizzate differenti tipologie di componenti: strutture 100% carbonio piane - strutture 100% carbonio sagomate (fig.2) - strutture sandwich carbonio-schiuma (fig.3) - strutture sandwich complesse (fig.4).

Per l’analisi meccanica questi prodotti possono essere schematizzati come delle travi a sbalzo con un incastro in estremità e caricate in modo distribuito. La distribuzione del carico (fig.6), il relativo fattore di sicurezza e l’assorbimento sono valori regolamentati dalla normativa CEI-EN-60601.

Tipicamente le sezioni di questi componenti sono dei sandwich con spessore variabile (fig.3 e 4) dai 40 ai 100 millimetri. Per ogni componente vengono eseguite diverse analisi ad elementi finiti (FEM) in conformità alle specifiche esigenze del prodotto: su tutta la struttura (fig.7) o su alcune zone particolari (fig.8). Lettini radiologici Un esempio pratico sono i lettini radiologici (fig.5) che vengono impiegati su differenti tipologie di macchine dalle classiche radiografie piane alle più complesse tomografie assiali sia per pazienti di corporatura standard che bariatrica (obesi).

Per questo tipo di applicazione sono stati impiegati compositi rinforzati con fibre di carbonio e schiume PMI in grado di offrire particolari caratteristiche di cui rispettivamente Carbonio: caratteristiche meccaniche elevate struttura molecolare ibridata sp2: si ha una buca di potenziale ed i raggi x lo attraversano Schiuma: caratteristiche meccaniche elevate bassa densità.

Tipicamente questi prodotti devono rispondere principalmente a quattro requisiti funzionali: • vincoli di flessione imposti dal cliente • vincoli di resistenza della normativa CEI-EN-60601-1 • vincoli radiologici della normativa CEI-EN-60601-1-3 • non produrre artefatti nell’immagine radiologica.

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Per determinare la conformità ai requisiti radiologici Lamiflex si è dotata di un impianto fluoroscopia (fig.9) con possibilità di realizzare misure di assorbimento dosimetrico. Grazie a questo impianto è possibile osservare se le geometrie interne del prodotto presentino artefatti o meno. È possibile con prove successive modificare la geometria per migliorare l’immagine.

Le anime utilizzabili per questo tipo di sandwich sono principalmente i poliuretani espansi o le schiume PMI. Questi due tipi di rinforzo hanno caratteristiche meccaniche, radiologiche e di costo molto differenti. Le prime, facilmente reperibili con costi e prestazioni meccaniche basse, funzionano bene per le strutture incollate a freddo; le seconde, con costi e prestazioni meccaniche elevate,

sono impiegabili sia in RTM che in autoclave. Grazie agli investimenti fatti negli anni Lamiflex dispone di differenti soluzioni produttive (presse, impianti RTM ed autoclavi) che vengono impiegate a seconda dalla tipologia del componente (geometria), delle caratteristiche meccaniche e del rateo produttivo (tab.1).

Fig.9

Fig.10: Geometria originale, transizione repentina tra la zona del tassello e la tavola Fig.11: Geometria modificata, presenza di una zona a contrasto decrescente CARATTERISTICA TECNOLOGIA

GEOMETRIA

PROPRIETÀ RATEO MECCANICHE PRODUTTIVO

PRESSA

Piane / sagomate

Standard

Medio / alta

RTM

Sagomati / sandwich

Standard

Medio / alta

AUTOCLAVE

Sagomati / sandwich

Standard / alta rigidità

Bassa

Tab.1

QUANTA

Formazione e lavoro nei materiali compositi Il Gruppo Quanta, multinazionale italiana nel settore delle risorse umane e della formazione, ha coinvolto nel 2013 due partner di prestigio, HP Composites Technologies e Tekno Compositi, per dare vita al Composites Skills Development, il primo Contratto di Rete del settore. La Rete investe molte energie nello studio dell’evoluzione tecnologica dei materiali (con particolare riferimento alla fibra di carbonio e ai materiali compositi), utilizza strutture e competenze altamente qualificate, analizza i fabbisogni del settore e delle sue professionalità per rispondere alle esigenze di un campo in continua evoluzione. Dalla sua costituzione la Rete ha sviluppato un network di rilievo all’interno del settore, partecipando a importanti appuntamenti internazionali e nazionali come il JEC di Parigi e l’Air Show di Le Bourget. Il primo frutto della Rete è Quanta Composite Learning & Training, la scuola che professionalizza giovani talenti e, grazie a Quanta Agenzia per il Lavoro, li introduce nel mondo del lavoro. Sviluppandosi dal know-how della Rete, la scuola si rivolge anche a privati ed aziende erogando percorsi di formazione continua ad alta specializzazione utilizzando fondi regionali, nazionali, europei ed interprofessionali. L’offerta formativa si divide in due tipologie, corsi in programmazione (come quelli per Laminatori Materiali Compositi, Conduttori Autoclave e Finitori) e corsi customizzabili (come quelli per Controlli Tridimensionali, Controlli Non Distruttivi e

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Tecniche di Riparazione dei Materiali Compositi), tutti basati sulla commistione tra docenza diretta e attività pratica con macchinari specifici. Nel corso del 2014 Quanta Composite Learning & Training ha formato 150 ragazzi, raggiungendo risultati di inserimento aziendale pari al 95%; per il primo semestre 2015 i risultati raggiunti sono stati anche superiori, con la formazione di 130 ragazzi e la stessa percentuale di placement.


POLYNT

Prima linea industriale per compound a fibra di carbonio Polynt ha sviluppato una nuova gamma di materiali compositi ad alte prestazioni rinforzati con fibra di carbonio. Per la loro produzione è stata installata la prima linea industriale interamente dedicata alla produzione di compound a fibra di carbonio. Questi compound, SMC (Sheet Moulding Compound) e BMC (Bulk Moulding Compound), hanno come principale caratteristica quella di essere rinforzati con fibre di carbonio ad alto modulo (T700) in percentuale variabile tra il 45% e il 60% in peso, offrendo un ampio spettro di soluzioni. Gli SMC sono disponibili in diverse grammature e con diverse tipologie di fibra, 3K, 12K e 48K conferendo un nuovo “Carbon Look” più isotropo e maculato rispetto ai classici pre-preg twill e plain. Tutti gli SMC in fibra di carbonio sono disponibili con due tipologie di resina: vinilestere e epossidica. La prima è più indicata per tecnologie ad alta produttività, quale lo stampaggio a compressione, mentre la seconda è utilizzata principalmente nei processi sotto vuoto, in autoclave o in forno, e per compressione a caldo. In entrambi i casi, i materiali SMC fibra di carbonio trovano applicazioni in diversi settori: automotive (pannellature interne ed esterne, componenti semi-strutturali, ecc.), trasporti, industria, biomedicale, sport, tempo libero. Inoltre il sistema SMC a base epossidica è idoneo per la costruzione di stampi in carbonio in autoclave garantendo leggerezza, un bassissimo coefficiente di dilatazione e un’elevata resistenza termica (Tg 200°C) oltre a un sensibile risparmio economico rispetto ai tradizionali pre-preg twill oggi impiegati per tale applicazione. Alla gamma SMC in fibra di carbonio appartengono anche i materiali rinforzati con fibre unidirezionali e con tappetti di fibra di carbonio riciclata. Se le fibre unidirezionali garantiscono prestazioni meccaniche eccezionali, i tappeti di fibra riciclata, disponibili in diverse grammature (200-400-600 gr/m2 ), sono il compromesso ideale prestazione/costo. La gamma di prodotti con fibra di carbonio si completa con i BMC. Anche in questo caso sono disponibili sia in versione vinilestere che epossidica e la lunghezza delle fibre va da un minimo di 3 mm a un massimo di 12 mm. Le percentuali in peso di carbonio variano tra il 45 al 55% in funzione dell’applicazione finale. Tali BMC sono trasformabili con tutte le tecnologie a pressa calda (compressione, transfer, ecc.).

“Carbon Look” SMC fibra di carbonio.

Particolare produttivo degli SMC in fibra di carbonio.

Particolare di un manufatto realizzato con SMC fibra di carbonio. (Concessione Mast Elements srl)

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Speciale Software di progettazione ANSYS

La soluzione di pre e post - processing per compositi stratificati I materiali compositi costituiscono una sfida per i team di Ricerca e Sviluppo, che devono ogni volta identificare la formulazione appropriata per l’uso richiesto. I software di simulazione ANSYS consentono agli ingegneri che sviluppano compositi di prevedere rapidamente con affidabilità come i loro prodotti si comporteranno nel mondo reale. ANSYS Composite PrepPost (ACP) è una soluzione di pre e post - processing per materiali compositi stratificati, integrata nel portafoglio software ANSYS. La soluzione consente di modellare efficacemente le strutture composite più complesse e, allo stesso tempo, di comprendere potenziali difetti dei prodotti in anticipo. Gli utenti possono sottoporre i prodotti a semplici stress fisici e calcolare i danni progressivi, la delaminazione e le cricche. Le capacità di post-processing della tecnologia consentono inoltre agli utenti di condurre approfondite indagini sull’integrità del prodotto finale e sul suo comportamento. Gli utenti possono visualizzare i risultati globali o effettuare un’analisi dettagliata a livello dei singoli strati. ACP dà al progettista gli strumenti migliori con cui progettare questi materiali. Con così tante opzioni di design composito correlati, sono indispensabili de-

gli strumenti corretti per definire le loro proprietà e i diversi percorsi. È complesso analizzare le zone di sforzo di materiali anisotropi in fase di post-elaborazione, perché si possono avere differenti materiali e fibre che vanno in direzioni diverse. È necessario esaminare ogni strato e scoprire le direzioni delle fibre, poichè queste determinano la probabilità di rottura. ACP fornisce gli strumenti per ottenere una panoramica rapida e semplice delle prestazioni. Inoltre, consente di assemblare il materiale in strati e stabilire quale strato si trova sulla parte superiore e la sua direzione; si può anche simulare il modo in cui è drappeggiato sullo stampo. Nel differenziare i prodotti ANSYS dalla concorrenza, gioca un ruolo fondamentale la piattaforma Workbench, che offre ai progettisti un flusso di lavoro efficiente e flessibile. I prodotti ANSYS hanno anche la capacità di cambiare rapidamente una funzionalità di progettazione e ricalcolare la soluzione senza dover partire da zero. Quindi la sfida è posta dalla necessità di sviluppare rapidamente nuovi compositi senza compromettere le loro qualità materiali. Il post-processing rende i risultati dei calcoli di simulazione disponibili ai non professionisti coinvolti nella scienza dei materiali. ANSYS ha l’unico strumento sul mercato che può produrre trame colorate per dare all’utente una chiara idea di ciò che sta accadendo nella simulazione. Non è necessario essere un esperto di simulazione meccanica, è sufficiente conoscere le modalità di fabbricazione dei compositi.

ENGINSOFT - VERME PROJECTS

Strumenti numerici per la progettazione di motoryacht Verme Projects è una società di progettazione operante nel settore della nautica da diporto con la visione di unire ingegneria e design, sviluppando progetti integrati per ridurre al minimo i tempi di sviluppo prodotto. Oggi l’azienda collabora con progettisti e cantieri di fama, il proprio sistema di sviluppo applicato alle carene plananti ha portato al raggiungimento di prestigiosi riconoscimenti. L’utilizzo degli strumenti numerici per la simulazione delle strutture in composito gioca un ruolo chiave poiché vengono fornite risposte rapide ed ingegneristicamente rilevanti ai numerosi requisiti che emergono durante l’allestimento di un motoryacht. La progettazione è affrontata in diverse fasi, dalla definizione dello stile e al calcolo ed ottimizzazione intensiva. In seguito viene affrontata la fase di sviluppo di dettaglio lasciata all’esperienza ed alla creatività quotidiana. In questa fase non è possibile trascurare forme e stile, la loro integrazione è il principale obiettivo. Verme Projects porta avanti le proprie attività di progettazione con il supporto di ESAComp ed ANSYS che, in modo complementare, consentono di riprodurre in maniera accurata sistemi molto complessi, verificando e migliorando le prestazioni strutturali delle varie configurazioni analizzate.

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Compositi

Un recente caso affrontato dall’azienda riguarda l’ottimizzazione acustica di una navetta dislocante. In queste imbarcazioni il comfort acustico e l’adozione di strutture sandwich devono essere opportunamente valutati in funzione delle fonti primarie del rumore a bordo (motori, propulsione). Attraverso gli strumenti di analisi dei pannelli disponibili in ESAComp è stata effettuata una prima valutazione delle frequenze proprie, individuando in maniera rapida le configurazioni geometriche e di laminazione che potevano partecipare a forme modali nell’intorno del moto a velocità di crociera. Successivamente è stato costruito un modello di dettaglio in ANSYS per cogliere il comportamento dinamico globale della porzione di nave attorno al motore. Il modello numerico è stato validato con delle prove sperimentali a bordo senza allestimento. I risultati nel range di frequenza di interesse (25-75 Hz) erano in accordo con i risultati della simulazione. Validato il modello strutturale è stato possibile completare le simulazioni in configurazione di barca allestita e galleggiante, derivandone le opportune considerazioni ed ottimizzazioni. La collaborazione con EnginSoft ha permesso all’azienda di scegliere ed implementare efficacemente gli strumenti ESAComp ed ANSYS.


Speciale Software di progettazione GRUPPO CRP

La nuova frontiera delle ortesi generative Il Gruppo CRP, azienda attiva nella ricerca e sviluppo di tecnologie e di materiali innovativi nell’ambito del 3D printing e nelle lavorazioni meccaniche di alta precisione, sta dando vita ad un nuovo percorso applicativo dei suoi materiali Windform uniti alla fabbricazione additiva, conosciuta come stampa 3D. Il campo è quello delle ortesi generative. Grazie alla tecnologia additiva e ai materiali per sinterizzazione laser di CRP Technology, è possibile creare su misura una ortesi dalle importanti prestazioni. Il progetto di ricerca è partito quasi un anno fa in collaborazione tra CRP Technology e MHOX Design, studio di design generativo che sviluppa estensioni corporee, oggetti che integrano il corpo umano per mutarne le potenzialità in ambito estetico, sportivo, medicale. La realizzazione in 3D printing dell’ortesi generativa, prevede: la scansione dell’arto del paziente, la generazione del modello 3D di ortesi e la costruzione in fabbricazione additiva e materiali Windform dell’ortesi. MHOX Design gestisce le prime due fasi attraverso lo sviluppo e utilizzo di software proprietario, orientato alla gestione automatizzata di sistemi di mass-customization di prodotto. La procedura prevede che l’arto del paziente sul quale deve essere applicata l’ortesi, tramite processi di scansione basati su tecnologia a infrarossi o luce strutturata, venga acquisito in ambiente digitale; la scansione avviene nell’ambulatorio medico, grazie alla portabilità del sensore e alla sua facilità di utilizzo Plug-and-Play. Grazie alle tecniche di design generativo e simulazioni di fenomeni biologici è possibile generare la forma delle ortesi, personalizzata sul corpo del paziente ed ottimizzata per il successivo 3D printing. Si ottiene una riduzione dei costi e dei tempi

di realizzazione, dando vita ad un’ortesi che rispecchia una fedele riproduzione della parte interessata, senza alcun tipo di esame invasivo. Il materiale utilizzato da CRP Technology per questo tipo di applicazione è il Windform GT, che grazie alle sue caratteristiche di elasticità, impermeabilità, resistenza trova ampio impiego in questo campo. È un materiale a base poliammidica caricato con fibre di vetro e per le sue peculiarità è adatto in applicazioni in cui il materiale deve flettere anche per lungo tempo senza andare incontro a rottura. Non si parla solo di prestazioni di alto livello, ma anche di un elevato fattore estetico. Lo studio per la fabbricazione di ortesi generative da parte del Gruppo CRP, di cui CRP Technology fa parte, sta suscitando interesse da parte degli addetti al settore. Attraverso questa metodologia costruttiva è possibile realizzare ortesi per arti superiori, inferiori, gessi e fairings. CRP Technology e MHOX Design insieme a professionisti della riabilitazione e della fisioterapia stanno investigando la costruzione di dispositivi per pazienti con deficit dei muscoli peronei. Il dispositivo realizzato con la tecnologia della fabbricazione additiva e Windform GT è stato sottoposto ad una serie di test funzionali. La sperimentazione ha approfondito la modalità statica applicata al paziente e quella dinamica sul paziente. La fabbricazione additiva e il 3d printing combinati ai materiali Windform stanno aprendo nuove frontiere applicative.

HEXAGON METROLOGY

Il nuovo scanner laser per un collaudo ancora più rapido Hexagon Metrology annuncia il rilascio di RS3, un nuovo scanner che offre un incredibile miglioramento della performance per il ROMER Absolute Arm. RS3 è disponibile con tutti i nuovi sistemi di misura portatili ROMER Absolute Arm SI o come aggiornamento per i sistemi già installati. Raddoppia la frequenza di scansione del precedente scanner integrato RS2, consentendo la verifica dello stesso pezzo in circa la metà del tempo. Anche la densità della nuvola di punti è aumentata, il che significa una velocità di acquisizione massima più di nove volte maggiore rispetto al passato, con una scansione più rapida e più dettagliata sen-

za alcuna incidenza sulla precisione. Gli utilizzatori potranno trarre vantaggio dall’ultima versione del software RDS, caratterizzato dalla tecnologia SMART che consente il controllo in tempo reale del braccio e riduce il tempo medio tra interventi di manutenzione. Il ROMER Absolute Arm con scanner integrato, che unisce scansione non contatto e rilevamento tattile, è un sistema di misura portatile polivalente adatto per la verifica di nuvole di punti, benchmark di prodotti, reverse engineering, prototipazione rapida, assemblaggio virtuale e applicazioni di fresatura in CNC. Le misure con scanner e tastatore tattile possono essere eseguite senza soluzione di continuità in un’unica sessione. Lo scanner RS3 garantisce la qualità e la facilità d’uso alla quale gli utilizzatori sono abituati sin dal lancio del ROMER Absolute Arm nel 2010. “Il ROMER Absolute Arm con scanner integrato è già noto per i suoi eccellenti risultati di scansione anche su superfici difficili, come la fibra di carbonio e l’acciaio, ma il miglioramento della performance dell’RS3 rispetto al modello precedente, l’RS2, è davvero straordinario”, afferma Stephan Amann, Product Line Manager di Hexagon Metrology. “I sistemi già installati presso i clienti possono essere aggiornati rapidamente senza dover inviare il braccio al costruttore”. A partire da aprile tutte le nuove unità del ROMER Absolute Arm con scanner integrato sono fornite con scanner RS3.

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Speciale Software di progettazione SMARTCAE

Dal progetto al manufatto in composito laminato Lo sviluppo di un prodotto in composito laminato richiede un’attenzione particolare alla gestione dei numerosi aspetti legati alla produzione del manufatto. Ad oggi, il flusso di lavoro di realizzazione di un prodotto in composito presenta numerose inefficienze. La causa principale è la mancanza di integrazione e di condivisione dei dati tra progettazione, analisi FEM e produzione del manufatto. Lo sviluppo di componenti in compositi richiede una stretta interazione tra progettisti, analisti strutturali e responsabili di produzione, a partire dalle fasi concettuali fino a quelle esecutive. Per il successo del prodotto è indispensabile un flusso di lavoro codificato e una piattaforma di comunicazione omogenea tra i vari soggetti che prendono parte allo sviluppo del prodotto, affinché il laminato venga definito in un modo comprensibile a ciascuno di essi (proprietà delle pelli, orientamento delle fibre, stratifica delle pelli). Anaglyph ha sviluppato Laminate Tools, un software pensato proprio per affrontare le sfide sostenute dagli ingegneri nelle varie fasi di progettazione, analisi e produzione di strutture in laminati compositi. Si tratta di una piattaforma unificata che riunisce gli strumenti tipici della progettazione del laminato (importazione CAD stampo, gestione del singolo ply e del laminato, drappeggio delle pelli), dell’analisi ad elementi finiti (supporto dei solutori Nastran, Ansys, Abaqus, Radioss), della produzione (sviluppo in piano delle pelli, generazione del ply-book, supporto di proiettori laser e PlyMatch). Il software, distribuito in Italia da SmartCAE, fornisce un mezzo intuitivo per definire la sequenza di laminazione utilizzando la logica “per pelli”, in maniera da riflettere accuratamente la composizione per pelli fisiche della struttura, consentendo la

Analisi strutturale di una ruota in materiale composito

Simulazione del drappeggio del laminato su un alettone aerodinamico e sviluppo in piano delle pelli simulazione del drappeggio, la gestione della laminazione nel modello FEM, lo sviluppo in piano delle pelli per il nesting e il taglio, la creazione automatica del ply-book. L’utilizzo di Laminate Tools nelle varie fasi di progettazione, analisi strutturale e produzione di un manufatto in composito, velocizza l’intero flusso di lavoro, limita gli errori nel passaggio dei dati, garantendo un notevole risparmio nei costi di realizzazione e negli scarti di produzione.

BETA CAE SYSTEMS

Strumenti per simulazioni avanzate BETA CAE Systems offre, all’interno dei suoi pre e post - processor, strumenti specifici per modellare, simulare e analizzare il comportamento di prodotti realizzati in materiale composito laminato con rinforzo in fibra. In particolare, il Laminate Tool e la Draping Toolbar di ANSA, e la Composite Post Toolbar di μETA, consentono di automatizzare le fasi di modellazione ed analisi dei risultati – anche in accoppiamento con software di ottimizzazione – offrendo tutti gli strumenti necessari per l’esecuzione di simulazioni avanzate. Il Laminate Tool, integrato nel pre-processor ANSA, permette di importare, creare e modificare le proprietà dei laminati, quali caratteristiche dei materiali, orientamento delle fibre, sequenza di laminazione; il Draping Tool aggiunge la possibilità di simulare l’orientamento delle fibre. La CompositePost Toolbar, inclusa nel post-processor μETA, fornisce una valutazione veloce e attendibile delle proprietà dei compositi grazie all’ampia disponibilità di metodi per il calcolo di sforzi, direzioni critiche, fattori di sicurezza, criteri di rottura, ecc. Tutti i risultati 2D e 3D ottenibili, calcolati basandosi sui tensori di stress ed i limiti caratteristici dei materiali per ridurre la quantità di dati da processare, possono infine essere esportati in report dettagliati riferiti sia alle singole lamine sia all’intero laminato. Questi strumenti, insieme alle funzionalità standard di ANSA e μETA, rappresentano una soluzione all’avanguardia per la modellazione e l’analisi di qualsiasi tipologia di prodotti realizzati con i compositi.

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Simulazione del drappeggio sulla carena di una granturismo


Speciale Software di progettazione ALTAIR

Artemis Racing sceglie Altair come fornitore tecnico Altair è stata selezionata da Artemis Racing come fornitore tecnico per la squadra che compete alla 35esima edizione della America’s Cup del 2017. Le aree di interesse per la progettazione di questo catamarano a vela rigida della nuova era includono lo sviluppo di compositi, le simulazioni aerodinamiche, l’ottimizzazione strutturale e le interazioni fluido-struttura. La tecnologia di ottimizzazione dei compositi di Altair OptiStruct® è lo strumento per aiutare le aziende a progettare efficientemente le strutture in composito, utilizzato da più di vent’anni nei principali settori industriali, inclusi l’aerospaziale, l’automotive, l’energia eolica e le attrezzature sportive. Artemis Racing rappresenta il Kungliga Svenska Segel Sällskapet (KSSS - il Royal Swedish Yacht Club), il quinto più antico yacht club al mondo ed è stato uno degli sfidanti al record durante la 34esima edizione della America’s Cup. Artemis Racing vanta ben sette campioni olimpici tra le sue fila ed altri tecnici esperti si sono aggiunti al già numeroso team di progettazione. Tutti i team dell’America’s Cup parteciperanno con un’imbarcazione AC45s alle America’s Cup World Series, che avranno inizio questa estate, prima di lanciare il modello AC62 che verrà messo in campo dal team per le America’s Cup Challenger Series del 2017. Le lamine e la vela rigida hanno migliorato enormemente velocità, stabilità e manovrabilità di queste imbarcazioni da regata. La vela rigida fornisce maggiore portanza di una vela tradizionale oltre ad una minore resistenza aerodinamica. I materiali compositi sono stati utilizzati in larga maniera per la costruzione dello yacht. Gli yacht che partecipano all’America’s Cup sono costruiti utilizzando sandwich di lamine e strutture a nido d’ape, particolarmente efficienti nel sopportare i carichi delle regate. “Grazie ad OptiStruct, sono in grado di analizzare la struttura in composito dell’imbarca-

Fonte: Artemis Racing zione e valutare differenti opzioni strutturali in maniera ripetuta e sistematica, velocizzando i cicli di progettazione e affinando contemporaneamente la struttura complessiva”, ha dichiarato Thomas Tison, Ingegnere Strutturale della Artemis Racing. L’impegno di Altair nei processi di ottimizzazione legati all’America’s Cup ha avuto inizio nel 1995 con il PACT95 Young America, ed è continuato durante tutti gli anni 2000. La partnership con Artemis Racing ha avuto inizio nel 2011. “L’innovativa tecnologia per l’ottimizzazione dei compositi di Altair permette di ottenere la disposizione ottimale del materiale nelle strutture laminate ed a nido d’ape”, ha spiegato Robert Yancey, Vice President of Aerospace and Composite Solutions ad Altair. “Questo consente di ottenere le più leggere strutture possibili”. Una previsione accurata del comportamento dei compositi è fondamentale quando si progettano navi da regata per competizioni d’élite. Viene eseguita l’ottimizzazione di scafi, strutture, attrezzature, sistemi di vele e altri elementi. La squadra può quindi verificare la risposta del prototipo virtuale dell’imbarcazione per affinare la forma dello scafo e le proporzioni complessive del progetto migliorandone quindi le prestazioni.

MSC SOFTWARE

La soluzione integrata per calcolare gli ammissibili virtualmente Il processo di definizione degli ammissibili dei materiali compositi per un determinato progetto è un lavoro lungo e spesso costoso, a causa delle tempistiche e delle spese relative all’esecuzione di numerosi test fisici sui materiali, che rallentano il design del relativo componente. Il nuovo prodotto di e-Xstream engineering, azienda di MSC Software, promette però di rivoluzionare il processo di definizione degli ammissibili, riducendo in misura notevole tempi e costi e consentendo di procedere parallelamente allo studio dei materiali e alla progettazione del componente. Grazie a queste sue caratteristiche innovative, Digimat-VA ha ottenuto il JEC Innovation Award 2015. Digimat-VA (Virtual Allowables) è una soluzione verticale pensata per calcolare al computer, anziché testare fisicamente, il comportamento dei provini in composito (intagliati, con foro cieco o passante…), selezionando e calcolando gli ammissibili dei materiali compositi. Il software genera dei campioni virtuali a cui applica i carichi e ottiene i dati di test, incluso il trattamento statistico per il calcolo degli ammissibili. L’utente può scegliere da un database o definire qualsiasi sistema di materiali, una varietà di lay-up, diversi tipi di test e di condizioni ambientali. È possibile preparare ed eseguire le prove virtuali,

post-processare i risultati e generare un report personalizzato. Dalle validazioni è emerso che l’errore di previsione è contenuto, entro il 10%. Il solutore FEM non lineare, che comprende anche la tecnologia di danneggiamento progressivo, accoppiato alla funzione di modellazione multiscala di Digimat, permette di ottenere risultati affidabili. Gli sviluppatori di Digimat-VA sottolineano che il software non è progettato per sostituire completamente i test fisici utilizzati per sviluppare i dati relativi agli ammissibili. Invece, generando ammissibili virtuali, gli ingegneri possono iniziare la progettazione di componenti in parallelo con i test relativi ai materiali.

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Speciale Software di progettazione JETCAM INTERNATIONAL

Return on investiment at around 2 weeks Capricorn Composite GmbH, located close to Germany’s famous Nürburgring race track, manufactures prepreg composite parts for the automotive and medical industries, serving clients such as Porsche and Audi. They relied on the nesting software supplied with their GFM CM10 CNC cutter which generated inefficient nests, wasting prepreg material often costing up to €150 per square metre. In addition to delivering inefficient nests, the software was slow and complex to use. Separate CAD software was also used to import or design plies. Said Arndt Hartelt, Factory Manager: “Previously we didn’t think about the software and possible inefficiencies. As the company grew we saw our expenditure on prepreg grow - it’s now our biggest capital spend per month. We decided to allocate a dedicated resource to evaluate if it was possible to improve nesting efficiency and reduce or even recycle waste”. The company set about defining the key points for comparing prospective systems. Material savings and overall cost were the two main considerations, however they also wanted to ensure that the chosen system could support any brand of CNC cutter, and was modular, allowing cost-effective expansion in the future. Simon Ring, Project Manager for Nesting Efficiency was an Intern who joined in August 2014 and was appointed to oversee the project as part of his thesis, focussing on reducing material usage as well as waste management. Simon identified several systems, also including an update to their existing software. They attended the Composite Europe show in 2014, providing JETCAM Composite GmbH with a series of plies for nesting. Within 10 minutes JETCAM Expert had beaten the original nests by 15%. Further tests showed that JETCAM nests were at least 1% better than its closest competitor. The decision was made in December 2014 to select JETCAM Expert, along with JETCAM Orders Controller (JOC) Premium Automation, with installation set for early February. The week before the on-site installation all software was installed remotely, and was operational in under an hour. Implementation, training and a review period was scheduled over the five days on-site, with Capricorn able to produce dynamic nests and generate working NC code for the GFM from the first day. After the first three days of training staff started cutting jobs on the shop floor. Said Simon: “One of our programmers was new to the company, with no CNC or CAM experience at all, but both staff were able to use the software competently after the training. The first morning we ran the cutter with JETCAM nests we saved €1500!” Capricorn currently use a digitiser to trace physical ply templates.

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Compositi

This information is passed to JETCAM Expert, with the built in CAD facility allowing staff to quickly complete the ply from the traced points and add profiling information. A side benefit of this was that they can now discontinue the maintenance contract for their previous CAD software as well as the old CAM software. The inclusion of JOC Premium Automation allowed existing CAD (DXF etc.) files to be imported and processed in bulk - Excel spreadsheets often detailing up to 100 CAD files at a time could be automatically imported and processed, ready for nesting. Furthermore, staff could simply drag and drop complete kits of plies into work lists for nesting, specifying quantities and nesting for multiple materials with a single click. Simon estimates that the CAD import process alone was 30% faster than before, staff saving around 20% of their time overall, with tasks being much simpler to perform. During the implementation Capricorn identified some improvements that could deliver further time savings during CAD import, such as automatically passing rotation and mirroring information with the CSV for the associated CAD files. This information was passed back to JETCAM and new builds of the software were provided the following day with the new functionality added. With any mission-critical process good support is paramount. In addition to telephone support JETCAM Composite also provided remote support. This helped to demonstrate any concepts that Capricorn staff required additional assistance with after the training. Capricorn are considering upgrading JOC Premium Automation to JETCAM’s award-winning CrossTrack composite manufacturing suite. This will allow them to track material and material life, from the freezer, onto the cutter and through to kitting. The company is continuing to focus on reducing material waste, and CrossTrack will provide this by identifying rolls to use based on remaining life as well as providing full traceability to exacting aerospace standards, from the finished composite part back to the roll. With the improved material utilisation and reduction in programming time Capricorn conservatively estimate the return on investment at around two weeks.


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.


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Numero 36 - Giugno 2015  

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