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Compositi polimerici strutturali per l’ingegneria

industriale: realtà e sfide tecnologiche

Alessandro Pegoretti

Università di Trento,Università di Trento, Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e Tecnologie Industriali Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e Tecnologie Industrialivia via Mesiano Mesiano 77, 38050 Trento - ITALY 77, 38050 Trento - ITALY

A.Pegoretti COMPOSITI STRUTTURALI PER L’INGEGNERIA INDUSTRIALE

IntroduzioneLe fibreLe matriciI compositiLe applicazioni

- sett. aeronautico- sett. aerospaziale- turbine eoliche

Schema della lezione


Introduzione


Definizione di materiale composito

In un materiale composito si possono generalmente riconoscere una fasecontinua (matrice) e una o più fasi disperse (in forma di fibre o particelle).Le superfici di contatto fra le varie fasi costituenti il composito sono detteinterfacce.In molti casi, è stata verificata anche la presenza di una sottile ma distintainterfase.

o particella


La microstruttura dei materiali compositi particellari

Epossidica - particelle di vetro

T.Kawaguchi and R.A. Pearson, Polymer, 44, 4239 (2003)

Gomma - particelle di carbon black

Goodyear Tire & Rubber Companyin Callister WD, Scienza e Ingegneria dei Materiali: unaIntroduzione, Edises Napoli, 2008, p 582.


La microstruttura dei materiali compositi fibrosi

S.Incardona et al., Comp.Sci.&Techn. 47, 43 (1993)

J Polymer® - fibre di carbonio


Classificazione dei materiali compositi

I materiali compositi a matrice polimerica vengono solitamente classificati inbase alla tipologia (forma ed orientamento) della fase discontinua secondo ilseguente schema:



lamine

Campbell FC. Manufacturing Processes for Advanced Composites. Elsevier, Oxford UK, 2004.



Campbell FC. Manufacturing Processes for Advanced Composites.Elsevier, Oxford UK, 2004.

Callister WD, Scienza e Ingegneria dei Materiali: una Introduzione,Edises Napoli, 2008,.

laminati



Laminati epossidica - fibre di carbonio

Fotografie al microscopio elettronicodi un laminato epossidica-carbonio

Nicoli F. Pogettazione, fabbricazione e caratterizzazione di un fissatore esterno innovativo in materiale composito. Tesi di Laureain Ingegneria dei Materiali. Università degli Studi di Trento AA 2000-2001



Pannelli sandwich


Le fibre


Le fibre

Es: fibre di carbonio

matasse tessuti

fibre


Le fibre

Proprietà meccaniche delle fibre


Le matrici


Le matrici

Callister WD, Scienza e Ingegneria dei Materiali: una Introduzione, Edises Napoli, 2008,.

Polimeri lineari, ramificati o reticolati


Le matrici


Polimeri termoplastici o termoindurenti


Le matrici

Le matrici termoindurenti


Le matrici

Le matrici termoindurenti

E [GPa] b [MPa] deformazione

[ %]

Energia rottura

[kJ/m3]

Resina 0 cicli 3.0±0.1 60±5 2.130±0.085 663±21

Resina 5 cicli 2.8±0.3 32±5 1.124±0.170 183±51

Caratteristiche meccaniche resina MC102/WH102/IG847, normativa UNI EN ISO 527-4,

prove a secco e dopo 5 cicli di sterilizzazione in autoclave a 120°C.


Le matrici

0.15 - 0.6

35 - 100

2.0 - 4.4

70 - 150

1.1 - 1.4

poliestere insature

0.08 - 0.15Assorbimento di acqua (% in 24 h)

55 - 130Resistenza (MPa)

2.8 - 4.1Modulo elastico (GPa)

60 - 230Temperatura di transizione vetrosa (°C)

1.2 - 1.3Density (g/cm3)

epossidicheProprietà

Le matrici termoindurenti più utilizzate sono leresine poliestere insature e quelle epossidiche


I compositi


I compositi

grafite-epossidicadirezione longitudinale

Alcune esempi:

vetro-epossidicadirezione longitudinale


I compositi


I compositi

Materiale Modulo(GPa)

Resistenza(MPa)

Densità(g/cm3)

Carbonio-eposs.T300 (Vf=0.60)

148 1300 1.50

Carbonio-eposs. IM6(Vf=0.66)

206 3500 1.60

Aramidica-eposs.Kevlar49 (Vf=0.60)

76 1400 1.46

Vetro-epossidicaEglass (Vf=0.45)

39 1100 1.80

AlluminioLega 7075-T6

71 572 2.80

Acciaio - 1020trafilato

207 420 7.85

Acciaio - AISI4340normalizzato

207 1280 7.85


I compositi


I compositi

In molte applicazioni strutturali i materiali sono soggetti a sforzi ciclici (fatica)prolungati nel tempo:

�

!max , !min

=max. and min. stresses,

respectively

"! =!max -!min

= stress range


I compositi

La resistenza a fatica dei compositi con fibre di carbonio, Kevlar o boro èsuperiore a quella di molti materiali per applicazioni ingegneristiche


Le applicazioni


Applicazioni

Principali settori applicativi:- aereonautico- aereospaziale- articoli sportivi- costruzioni civili- biomateriali- militare- produzione di energia (eolica)- trasporto terrestre- trasporto marino


Applicazioni

Settore aeronautico

Gay D, Hoa SV, Tsai SW. Composite Materials. Design and Applications. CRC Press, Boca Raton, 2003


Applicazioni: settore aeronautico

Attualmente il numero di nuovi aerei commerciali che vengono introdotti sulmercato - a livello mondiale, sia per trasporto passeggeri che per trasporto merci -si aggira su 1100 unità all'anno (questo dato e quelli che seguono non tengonoin considerazione i piccoli aerei, prevalentemente per uso privato).

dati tratti da TecnoPlast N.6 - SETTEMBRE 2007

Due sono i gruppi più importanti - a livello mondiale - cheproducono tali velivoli:il consorzio europeo Airbus e la statunitense Boeing.



Airbus



Consorzio Airbus

- Airbus Deutschland

- Airbus France

- Airbus UK

- Airbus Spagna

- circa 58000 addetti distribuiti in 16 siti produttivieuropei e 4 uffici regionali (in Cina, Emirati ArabiUniti, Giappone e Usa)

- il fatturato 2006 ha toccato i 26 miliardi di euro

- Il portafoglio ordini attuale ammonta a circa 2500velivoli, il che equivale alla completa utilizzazionedegli impianti per i prossimi 5 anni.





Introduzione dei compositi strutturali negli aerei Airbus:

- 1982: spoiler, la parte mobile del timone, i freni aerodinamici del A310-200;

- 1985: piani stabilizzatori per primi (A310-300), seguiti dai flap e dai timoni

orizzontali (A320);

- 2002: serbatoi di combustibile sistemati nei piani di coda e il cono di pressione

posteriore del A340-600;

- oggi: massiccia introduzione dei compositi con l'aereo civile A380 e con quello

da trasporto militare A400M;




Percentuali di impiego dei compositi strutturali negli aerei Airbus:

- 8% del modello A300 dei primi Anni Settanta

- 10% dell'A320 del 1987

- 11% del A340-600 del 2001

- 25% nell’attuale A380

- 30% per l’ l'aereo da trasporto militare A400M in servizio nel 2009

- 52% modello A350-900 XWB, previsto in servizio nel 2012



A380 è l'aereo commerciale più innovativo prodotto da Airbus, dotato di due pianiper il trasporto passeggeri (capacità di 555 persone autonomia 15000 km), il cuiprimo esemplare è entrato in servizio nel ottobre 2007 per Singapore Airlines



Airbus A380

cabin cross section, showingeconomy class seating

Number built: 14 as of April 2008 - Program cost: 12 billion € - Unit cost: 319.2 million $

The first completed A380 at the "A380 Reveal" eventin Toulouse, France.



A380 è costituito per circa il 25% in peso da compositi strutturali per untotale di circa 30 ton, utilizzati per parti di ali, sezioni di fusoliera,impennaggio di coda e porte-



Nella realizzazione dell’A380 sono utilizzati vari materiali compositi termoindurentirinforzati con fibre di carbonio, vetro e quarzo, compositi a matrice termoplastica(per i bordi di uscita delle ali) e di GLARE (fiberglass reinforced aluminum)

Struttura del GLARE

A380's vertical tail plane(VTP)



A400M - military transport & tanker

first flight in 2008 and first delivery in 2009 - Unit cost €100 million



A350-900 XWB - first flight in 2012 and first delivery in 2013

The A350 will be the first Airbus with fuselage and wing structures made primarilyof carbon fiber reinforced plastic.

Airbus is already promising that fuel consumption for the A350 XWB will be six percent lowerthan on the Boeing 787



XWB vuol significare "extra wide body"; infatti, con un diametro di fusoliera diquasi 6 metri gratificherà di un comfort eccezionale i passeggeri.




Tale velivolo sarà costituito per più del 50% in peso da compositi strutturali



Boeing



Boeing 787 Dreamliner (i primi esemplari entreranno in servizio a fine 2009)

Boeing 787 Dreamliner Rollout - Seattle, July 8th 2007



Boeing 787 Dreamliner

Costo per unità787-3: 146–152 million US$787-8: 157–167 million US$787-9: 189–200 million US$

Velocità di crociera: 0.85 mach (903 km/h)

Capacità di carico e autonomia787-3: 24 ton (290 - 330 posti) fino a 5650 km787-8: 29 ton (210 - 250 posti) fino a 15200 km787-9: 32 ton (250 - 290 posti) fino a 15750 km

Il consumo di carburante sarà del 20% in meno rispetto agli attuali aerei della stessa categoria




Material breakout on 787

* Composites = 50% * Aluminum = 20% * Titanium = 15% * Steel = 10% * Other = 5%

Boeing ha annunciato che ben il 50% inpeso delle strutture primarie dell’aereo saràrealizzato con compositi strutturali,comprese le ali e la fusoliera.




cockpit (cabina di pilotaggio)

gli interni


Applicazioni: settore aeronauticoBoeing 787 Dreamliner




Large 787 assemblies will be transported to thefinal assembly site on board modified 747-400s.This transport plan will result in saving of 20 to 40percent over traditional shipping methods andreduce the amount of time it takes the large partsto arrive at the final assembly site from as many as30 days to only one day.




Development Work on Boeing 787 Noses Ahead (Wichita, Kan.)



I materiali compositi sono largamente impiegati anche per la produzione dicomponenti di elicotteri

AW129 “Mangusta”



Utilizzo dei materiali compositi negli elicotteri:





le pale (blades)




il mozzo rotore (yoke rotor)



Quali sono i vantaggi offerti dai materiali compositi strutturali in aeronautica ?

1) L'importanza dell'uso dei compositi a base polimerica in aeronautica èdirettamente correlata alla riduzione di peso che essi producono quandoentrano in sostituzione dei metalli nella produzione di componenti strutturalidegli aerei. Riduzione di peso significa minor consumo di carburante.

2) Un'ulteriore motivazione gioca a favore dei compositi: confrontando icosti di produzione di un componente rispetto alla costruzione a basemetallica - allo stato attuale della pratica - si può ottenere una riduzionefino al 10% del costo finale.


Applicazioni

Main data Ariane 5 ECAHeight up to 52 mDiameter up to 5.4 mPayload mass* 9.6 tonnes

* into Geostationary Transfer Orbit (GTO)

Settore aerospaziale

La riduzione di peso di missili di lancio, space shuttles e satelliti è cruciale:ogni chilogrammo in meno sul vettore di lancio del satellite Ariane (ESA) consente unrisparmio di circa 30000 US $ !!!


Applicazioni: settore aerospaziale

Gas storage pressure vessel for launch vehicles or satellites

ConfigurationThin walled spinformed titanium linerwith composite overwrap

Technical data180 litre volume, 700 mm diameter,40 kg empy mass

Performance300 bar MEOP, 600 bar burstpressure

Test unitPressure cycled up to prrof pressure(50 cycles total) for fatigue testing

MT Aerospace


Applicazioni: settore aerospaziale



Applicazioni

Turbine eoliche

Size of the E 112 rotor blade in comparison to an Airbus 340 (photo courtesy A&R Rotec).The wingspan of Airbus 340 is about 60 m.


Turbine eoliche

L’energia eolica è l’energia posseduta dal vento sotto forma di energia cinetica,la quale può essere sfruttata per la generazione di corrente elettrica. Essa èrinnovabile in quanto la sua fonte (il vento) è inesauribile e ha un impattoambientale molto limitato rispetto ai combustibii fossili.


Turbine eoliche

onshore

Source: EWEA March 2008


Turbine eoliche


onshore


Turbine eoliche


Wind power continued to be one of the most popular electricity generating technologies inthe EU in 2007, making up 30% of total new power installations.Since 2000, the EU has installed 155,000 MW of new power capacity percentualmente cosìsuddivise:


Turbine eoliche


In Spain, a total of 35,000 jobs related to wind have been created, and 80,000 in Germany.

There are 21,600 jobs of this nature in Denmark. EWEA uses a tentative figure of 150,000

wind energy-related jobs in the EU altogether. According to the EC-funded MITRE project

report, this could more than double by 2020, providing 368,000 new jobs in Europe.


Turbine eoliche

One country which has already started installing significant amounts of windenergy is the US, which in 2007 added a record 5.2 GW of capacity to reach16.8 GW. This accounted for about 30% of the country’s new power-producing capacity in 2007.

Turbines at Sunset - Indian Mesa, Iraan Tx.


Turbine eoliche

turbine ad asse orizzontale (HAWT)

turbine ad asse verticale (VAWT)


Turbine eoliche

turbine ad asse orizzontale (HAWT)

le pale


Turbine eoliche

Vista dall'alto (a sinistra) e vista frontale (a destra) di una pala per turbina eolica

Struttura di una pala con spar

Struttura di una pala con web


Turbine eoliche

Sezione di una pala con struttura aweb che evidenzia laminati monoliticie strutture a sandwich

Schema di una pala che utilizzaampiamente le strutture a sandwich


Turbine eoliche


Turbine eoliche

Quali sono i vantaggi offerti dai materiali compositi strutturali nella realizzazione di pale eoliche ?

1) l’ulitizzo dei materiali compositi consente un alleggerimento del rotorerispetto a manufatti in metallo e quindi una riduzione dei carichi inerzialiassociati al movimento rotatorio.

2) Durante la vita utile (circa 20 anni) le pale sono soggette a carichi ciclicinell’ordine di 109 cicli: la resistenza a fatica dei materiali utilizzati è quindi difondamentale importanza.


Turbine eoliche

Solitamente le turbine eoliche producono energia con la massima efficienza quando lavelocità del vento è superiore ai 10-12 m/s e vengono poste fuori servizio quandoessa raggiunge i 20-25 m/s…

Hornslet, Danimarca, 22 febbraio 2008

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