Applicazioni strutturali

Industria Automobilistica

L’incremento dell’importanza della sicurezza passiva nell’industria automobilistica ha portato negli ultimi anni a una forte crescita del peso degli autoveicoli. L’industria ha dovuto per questo focalizzare l’attenzione sull’utilizzo di materiali che permettano di ridurre il peso senza inficiare il comfort dei passeggeri. Questo ha portato alla riduzione degli spazi del vano motore quindi alla necessità di smaltire meglio il calore prodotto. Un’ulteriore necessità crescente è stata quella di migliorare l’isolamento acustico degli autoveicoli. L’attenzione maggiore è comunque improntata alla riduzione della zona interessata dai danneggiamenti in caso di impatto. Le schiume metalliche offrono una buona soluzione a diversi di questi problemi.

Costruzioni a basso peso

La possibilità di utilizzo nelle costruzioni a basso peso dipendono da due proprietà fondamentali che possono essere conferite alle schiume metalliche: deformabilità quasi elastica e il rapporto tra resistenza meccanica e massa molto elevata.

Strutture come i pannelli detti “sandwich” (costituiti da un pannello di schiuma contenuto da due pelli di alluminio) sono molto utilizzati per la riduzione di peso nelle automobili ad esempio per cofani e tetti (anche apribili). Parti alle quali è richiesta una grande solidità per evitare deformazioni torsionali e vibrazioni.

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Fig. 51 Utilizzo dei pannelli sandwich nelle automobili.

Fig. 52 Macchina da competizione nelle corse ad energia pulita (pannelli solari) la cui intera struttura portante è realizzata in schiuma d’alluminio.

Assorbimento dell’energia d’urto

Nell’assorbimento dell’energia d’urto, già sono utilizzati molti solidi cellulari essendo eccellenti assorbitori di energia poiché hanno un comportamento perfettamente plastico cioè subiscono grandi deformazioni sottoposti a tensione costante. I solidi cellulari metallici incrementano il già favorevole comportamento delle schiume polimeriche grazie alla loro maggiore resistenza assorbendo una quantità maggiore d’energia rispetto alle prime.

Le leggi che regolano la sicurezza passiva nei veicoli impongono che l’energia sia dissipata in predeterminate aree e che la cella rigida che contiene i passeggeri sia protetta.

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Le schiume d’alluminio omogenee mostrano delle peculiari qualità di assorbimento di energia testimoniato da un’ampia regione di plateau pur mantenendo a volte una certa indesiderata pendenza della curva sforzo deformazione.

Fig. 53 Diagramma sforzo deformazione di una schiuma metallica sandwich.

Controllo del rumore

Spesso per l’isolamento dal rumore sono utilizzate le schiume polimeriche ma ci sono diversi casi in cui anche le schiume metalliche possono trovare applicazione. Primo tra tutti è il problema del rumore generato da vibrazioni nell’edilizia. Infatti, la frequenza di risonanza di una struttura in schiuma metallica è generalmente slittata in basso rispetto a quella del metallo bulk. Anche il fattore di smorzamento sonoro delle schiume metalliche è maggiore di quello dei metalli normali ma ancora sempre inferiore rispetto a quello dei polimeri cellulari. Spesso comunque nell’industria automobilistica la necessità è sia quella di proteggere i passeggeri dai rumori provenenti da fonti esterne, sia di evitare che il rumore dei motori possa propagarsi liberamente nell’ambiente.

Quest’applicazione si basa sul principio che un’onda sonora nel momento in cui incontra un materiale cellulare viene in parte riflessa e in parte entra nella struttura smorzandosi all’interno delle celle.

Una caratteristica che rende adatte le schiume a questo compito è che spesso gli elementi fonoassorbenti hanno la necessità di essere resistenti e auto sostenersi, caratteristiche pienamente appartenenti alle schiume metalliche.

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In conclusione possiamo affermare che pur non essendo i migliori isolanti acustici sul mercato le schiume metalliche trovano sempre più spazio anche in questo campo perché alla fonoassorbenza abbinano la capacità di auto sostenersi, un lento deterioramento e un’ottima resistenza al calore. Ultimamente i pannelli di schiuma metallica iniziano ad essere utilizzati come fonoassorbenti anche nelle hall degli edifici pubblici, dove vengono scelti anche grazie al loro aspetto gradevole [30].

Fig. 54 Rivestimento di un microfono per gallerie del vento in schiuma metallica.

Industria Aerospaziale

L’utilizzo per ridurre il peso delle strutture è molto simile per l’industria automobilistica e aerospaziale. Nelle applicazioni aerospaziali, la sostituzione delle costose strutture a nido d’ape con schiume d’alluminio permette maggiori prestazioni e riduzione dei costi. Da una parte si nota una maggiore resistenza alla deformazione, dall’altra c’è il vantaggio di avere un materiale isotropo dal punto di vista delle proprietà meccaniche e la possibilità di creare strutture composite senza utilizzo di collanti. Un’importante caratteristica dei pannelli “sandwich” utilizzati è che a differenza delle strutture a nido d’ape, possono essere fabbricati con curvature particolari e forme tridimensionali. Nell’industria elicotteristica si stanno sostituendo molte parti prima realizzate con strutture a nido d’ape con nuove in schiuma metallica. Un’altra applicazione include parti strutturali nelle turbine dove l’accresciuta resistenza unita all’aumentato del fattore di smorzamento delle vibrazioni sono valutabili. Nell’industria aerospaziale, le schiume sono usate per gli elementi di assorbimento dell’energia d’urto e come rinforzo per le strutture portanti dei satelliti.

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Fig. 55 Struttura utilizzata come protettore dall’ambiente del motore di prima fase dei missili di precisione sottomarini. Protegge il combustibile solido finché il missile non esce dal pelo dell’acqua.

Industria navale

Le costruzioni a basso peso hanno aumentato la loro importanza nell’industria navale. Le moderne navi possono essere interamente costruite d’alluminio comprese parti con struttura a nido d’ape. In alcune delle strutture i pannelli “sandwich” o liberi di schiume d’alluminio potrebbero dare un grande apporto.

Industria ferroviaria

La maggiore applicazione nell’industria ferroviaria è l’assorbimento di energia d’urto, specialmente per i treni cittadini e i tram che sono più soggetti a collisioni. Secondo ma non meno importante è il ruolo che giocano nella riduzione del peso dei treni con conseguenti risparmi d’energia.

Industria civile

Nel campo delle costruzioni degli edifici c’è una larga possibilità d’impiego delle schiume metalliche. Visto che spesso le moderne costruzioni di edifici sono in cemento, le facciate possono essere decorate con pannelli che coprono il cemento a vista, tali pannelli devono essere leggeri, compatti e resistenti. Anche le balaustre dei balconi che devono sottostare a rigide leggi sulla sicurezza, potrebbero essere costruite in schiume anche per problemi che le consuete strutture pesanti danno in caso d’incendio. Molto importante è il risparmio d’energia che le schiume permettono se utilizzate nella realizzazione di

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ascensori poiché riducono notevolmente la massa a cui imprimere continue accelerazioni; in questo caso il loro compito sarebbe in maniera congiunta la riduzione di peso e l’assorbimento d’energia. Ultima applicazione molto importante nella costruzione degli edifici è l’utilizzo delle schiume per le porte anti-incendio a basso peso.

Costruzione di apparecchi

In tutti i casi in cui nella costruzione di macchinari c’è necessità di utilizzare un materiale con bassa massa e buona resistenza che abbia anche un aspetto gradevole si può ricorrere alle schiume metalliche e in questa direzione si sono mossi diversi costruttori. Un esempio su tutti i supporti per gli specchi telescopici.

Equipaggiamenti sportivi

Un campo sempre all’avanguardia nell’utilizzo dei nuovi materiali è quello sportivo dove i problemi relativi al costo non sono di prim’ordine. L’unica applicazione per ora conosciuta è per le armature dei giocatori di football americano che hanno dei componenti che servono ad assorbire gli urti.

Industria biomedica

Il titanio o le leghe di cromo-cobalto sono usati nelle protesi per la loro biocompatibilità. Le schiume metalliche sono ottime sia per la loro funzionalità che per la loro durata, altra caratteristica fondamentale nella protesistica evitando così di sottoporsi ad un nuovo intervento ogni qual volta si debba reintervenire sulla protesi. Con la scelta della giusta porosità della schiuma si favorisce la crescita all’interno delle celle sia di tessuti che di ossa.

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Fig. 56 Esempio di un’applicazione medica (inserto nell’osso della protesi d’anca)