Tecnologia dei
Materiali Compositi
Appunti delle lezioni del prof. G. Caprino
Simone De Vita Federica Dell'Anno
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Indice
Capitolo 1 ... 7
Introduzione ai materiali compositi ... 7
1.1 Sviluppo ed applicazioni ... 7
1.2 Cos’è un composito ... 15
1.3 Le fibre ... 17
1.3.1 Geometria delle fibre ... 18
1.3.2 Materiale delle fibre e metodi di fabbricazione ... 19
1.3.3 Proprietà delle fibre ... 29
1.4 La matrice ... 33
1.4.1 Proprietà delle matrici ... 34
1.4.1 Materiale della matrice ... 35
1.5 Quantità di fibre... 40
1.6 I costi ... 42
1.7 L’orientazione delle fibre e i laminati ... 44
1.8 Effetto della temperatura ... 52
1.9 Considerazioni conclusive ... 55
1.10 Linee guida nella selezione dei materiali ... 55
1.11 Criteri di applicazione dei materiali compositi ... 57
1.11.1 Alta resistenza, rigidezza e basso peso ... 57
1.11.2 Resistenza a rottura e a fatica ... 58
1.11.3 Resistenza all’impatto ... 59
1.11.4 Resistenza agli agenti atmosferici e corrosivi ... 59
1.11.5 Resistenza al calore e al fuoco ... 60
1.11.6 Trasparenza ai raggi X ... 60
1.11.7 Design flessibile e costi di lavorazione ridotti ... 60
Capitolo 2 ... 61
Aspetti generali delle tecnologie di fabbricazione ... 61
2.1 Introduzione alle tecnologie ... 61
2.2 Materiali e componenti di partenza ... 67
2.2.1 Le fibre ... 67
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2.2.2 Le matrici ... 70
2.2.3 Preimpregnati ... 79
2.2.4 Masse da stampaggio ... 84
2.2.5 Strutture a nido d’ape ... 88
2.3 Classificazione e fasi dei processi di fabbricazione ... 88
2.4 Caratteristiche di TI e TP ... 104
2.4.1 Termoindurenti ... 104
2.4.2 Termoplastiche ... 104
2.5 Elenco delle tecnologie di processo ... 105
Capitolo 3 ... 108
Tecnologie di fabbricazione dei compositi a matrice termoindurente ... 108
3.1 Introduzione... 108
3.2 Stratificazione manuale (hand lay-up) ... 109
3.3 Taglio e spruzzo (spray-up) ... 118
3.4 Stratificazione di preimpregnati con cura in autoclave ... 124
3.5 Resin transfer molding (RTM) ... 140
3.6 Avvolgimento (filament winding) ... 160
3.7 Pultrusione ... 174
3.8 Stampaggio per compressione (compression molding) ... 183
3.9 Wrapping ... 188
3.10 Stampaggio a iniezione (injection molding) ... 193
3.11 Formatura con sacco in pressione ... 195
Capitolo 4 ... 198
Tecnologie di fabbricazione dei compositi a matrice termoplastica ... 198
4.1 Introduzione... 198
4.2 Autoclave... 199
4.3 Avvolgimento (Filament Winding) ... 202
4.4 Pultrusione ... 207
4.5 Stampaggio per compressione (Compression Molding) ... 209
4.6 Stampaggio a iniezione (Injection Molding) ... 213
4.7 Diaphragm forming ... 216
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Capitolo 5 ... 219
Considerazioni relative ad osservazioni di manufatti in composito ... 219
Capitolo 6 ... 226
Meccanica dei materiali compositi ... 226
6.1 Materiali a comportamento meccanico non convenzionale ... 226
6.2 Approcci alla meccanica dei compositi ... 228
Capitolo 7 ... 232
Macromeccanica della lamina: Costanti elastiche ... 232
7.1 Obiettivi della macromeccanica ... 232
7.2 Approccio ingegneristico alla progettazione ... 233
7.3 Equazione costitutiva per un materiale anisotropo... 235
7.4 Equazione costitutiva della lamina ... 244
7.4.1 Misura delle costanti elastiche: costanti ingegneristiche ... 249
7.4.2 Legame fra costanti ingegneristiche ... 251
7.4.3 Materiale trasversalmente isotropo ... 253
7.4.4 Restrizioni sulle costanti elastiche ... 255
7.4.5 Stato piano di tensione ... 257
7.5 Misura delle costanti elastiche ... 261
7.6 Equazione costitutiva secondo direzioni arbitrarie ... 274
7.7 Proprietà invarianti di una lamina: i parametri di Tsai Pagano ... 288
Capitolo 8 ... 291
Macromeccanica della lamina: ... 291
Resistenze ... 291
8.1 Misura delle resistenze ... 291
8.2 Problematiche dell’anisotropia ... 300
8.3 Resistenza della lamina e Criteri di resistenza ... 303
8.3.1 Criterio della massima tensione ... 306
8.3.2 Criterio della massima deformazione ... 309
8.3.3 Criterio di Tsai-Hill ... 313
8.3.4 Criterio di Hoffman ... 318
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8.3.5 Rappresentazione grafica dei criteri di resistenza ... 319
Capitolo 9 ... 327
Micromeccanica della lamina ... 327
9.1 Introduzione alla micromeccanica ... 327
9.2 Previsione dei moduli elastici... 330
9.2.1 Previsione di E1(L) ... 331
9.2.2 Previsione di E2(T) ... 335
9.2.3 Previsione di G12(LT), 12(LT) ... 340
9.2.4 Cause della dispersione per E2 e G12 e formula di Halpin-Tsai ... 341
9.2.5 Approcci micromeccanici per la previsione delle costanti elastiche ... 346
9.3 Problematiche nella stima delle resistenze ... 347
9.4 Previsione delle resistenze... 348
9.4.1 Previsione di Xt ... 348
9.4.2 Previsione di XC ... 359
9.4.3 Cenni circa la previsione delle restanti resistenze ... 367
9.5 Conversione peso-volume ... 368
9.6 Calcolo dello spessore ... 370
9.7 Coefficienti di dilatazione termica lineare ... 372
9.7.1 Coefficiente 1... 372
9.7.2 Coefficiente 2... 374
9.8 Considerazioni conclusive ... 375
Capitolo 10 ... 378
Macromeccanica del laminato ... 378
10.1 Obiettivi della macromeccanica del laminato e congruenza delle deformazioni ... 378
10.2 Richiami di scienza delle costruzioni ... 383
10.3 Teoria della laminazione ... 389
10.3.1 Riferimenti e convenzioni ... 389
10.3.2 Equazione costitutiva del laminato ... 390
10.3.3 Significato fisico dell’equazione costitutiva e effetti di accoppiamento ... 396
10.3.4 Laminati particolari ... 400
10.3.5 Notazione per i laminati... 409
10.3.6 Moduli di un laminato ... 409
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10.4 Effetti termici ... 414
10.5 Resistenza del laminato ... 420
10.6 Osservazioni conclusive sui laminati ... 433
Appendice 1 ... 434
Tabelle proprietà... 434
Bibliografia ... 436
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C APITOLO 1
I NTRODUZIONE AI MATERIALI COMPOSITI
1.1 S VILUPPO ED APPLICAZIONI
Lo sviluppo dei materiali compositi è relativamente recente; analizzando una curva di crescita relativa al consumo di tale categoria di materiali negli USA è possibile osservare la presenza di due periodi in cui il loro utilizzo è aumentato notevolmente: tra il 73 ed il 75 ed il periodo che va da 84 a 95.
Figura 1.1
Il boom verificatosi tra 84 e 95 è relativo all’industria aeronautica e segue la crisi economica degli anni antecedenti; tale settore è quello che al giorno d’oggi utilizza maggiormente i compositi avanzati, cioè materiali con elevatissime proprietà meccaniche ma anche un costo elevato, che motiva la loro percentuale di impiego nei diversi settori. Il consumo mondiale dei suddetti è così suddiviso:
Figura 1.2
Nel 1973 il costo di un volo era dovuto per circa il 42% al costo della manodopera, del lavoro richiesto, ma lo scenario negli anni seguenti mutò notevolmente a causa della crisi petrolifera. Nel
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8 1980 infatti il 55% del costo di un volo era dovuto al carburante il cui prezzo era aumentato notevolmente; risulta quindi chiaro il motivo dell’insistente interesse nel ridurre il costo del carburante e quindi di conseguenza il peso del velivolo. Si mirava quindi ad utilizzare materiali il più leggeri possibili a parità di resistenza: tale vantaggio fu trovato nei compositi avanzati che risultano leggeri, resistenti e rigidi e quindi mostrano ottime proprietà meccaniche ma un basso peso. I vantaggi di tali materiali erano non solo un basso peso e alte prestazioni ma anche bassi costi di manutenzione.
Grazie alle loro elevate proprietà fisico-meccaniche i materiali compositi hanno assunto negli ultimi anni un’importanza sempre crescente consentendo applicazioni strutturali in diversi ambiti; l’Italia eccelle nella produzione di attrezzature, macchinari, strutture di ogni genere e strumenti ad alta tecnologia nei quali si fa largo uso di materiali compositi avanzati. Le applicazioni, un tempo riservate ai settori ad alta tecnologia, quali quelli aerospaziale, aeronautico e militare, si sono largamente diffuse in altri ambiti; analizziamo nel seguito i diversi settori dove al giorno d’oggi è riscontrabile l’utilizzo di materiali compositi.
Aeronautica civile
Come precedentemente detto, le prime applicazioni storiche dei compositi avanzati sono state sviluppate in quei settori che più di altri erano interessati a prestazioni più elevate in quanto permettevano maggiori performance commerciali e di mercato. L’industria aeronautica, sia civile che militare, vide per prima l’utilizzo di tali materiali, che promettevano maggior efficienza nel rapporto proprietà/peso, assicurando quindi anche maggior quantità di carico pagante. Al giorno d’oggi in realtà, specialmente nel caso civile, si mira a massimizzare il rapporto proprietà/costo per cui la situazione è leggermente variata.
Il materiale maggiormente utilizzato nella produzione di un aereo è l’alluminio, generalmente in lega; la scelta tra questo e l’acciaio non è banale in quanto anche se l’alluminio è più leggero di contro è anche meno resistente, cioè in termini di proprietà specifiche i due materiali non differiscono notevolmente. L’alluminio viene preferito in quanto meno soggetto a corrosione dell’acciaio per cui il costo di manutenzione risulta ridotto, e tempi di servizio maggiori.
I compositi, grazie alle loro ottime proprietà specifiche, sono stati nel tempo introdotti tra i materiali utilizzati per la produzione di velivoli. Inizialmente questi furono impiegati nel campo dei velivoli ad ala mobile, elicotteri, per la realizzazione non solo delle pannellature esterne ma anche dell’ala, elemento primario per eccellenza. Le ali mobili presentano infatti strutture sandwich, ossia sono formate da due elementi strutturali esterni, dette facce, e da un elemento non strutturale molto leggero interno, detto anima. Solo successivamente questi videro il loro impiego anche nei velivoli ad ala fissa, gli aerei, in un primo momento solo per la realizzazione di elementi secondari, cioè tali per cui la rottura degli stessi non influenza il funzionamento del velivolo. L’ottenimento di elementi primari in compositi ha richiesto un certo tempo per superare problemi sia produttivi che di fiducia, dovuti specialmente alle modifiche di proprietà che tali materiali subiscono in presenza di umidità, al loro comportamento quando sottoposti a cicli termici. Il primo elemento primario realizzato fu l’impennaggio di coda, prodotto esclusivamente in composito dalla Alenia; questo svolge funzioni stabilizzatrici oltre a permettere le manovre ed assicurare l’equilibrio dei momenti delle forze che si esercitano sul velivolo nei vari assetti di volo.
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Primo aereo a montare un impennaggio di coda in composito fu il Lockheed L-1011 TriStar, un aereo di linea trimotore a fusoliera larga costruito con capacità che superava i 300 passeggeri.
L’impennaggio di coda è una delle parti di un aeromobile in cui i fenomeni di rottura sono più probabili. Il principale problema è stato trovare un design per cui non si avessero problemi di collegamento tra le parti in composito. L’originale soluzione trovata ha portato ad una riduzione del costo complessivo del pezzo, difatti nonostante le leghe di alluminio siano molto più economiche da assemblare e da produrre, i compositi richiedono minore manutenzione.
Figura 1.A
Il boeing 787 è l’aereo più moderno oggi utilizzato che presenta una notevole percentuale di materiale composito, tra cui anche la fusoliera che non è più in alluminio; i livelli raggiunti eguagliano quelli ottenuti circa vent’anni fa nel settore militare. Si vuole sottolineare che fino al 767 i compositi sono stati utilizzati esclusivamente per parti secondarie, nonostante velivoli militari messi in volo nello stesso periodo fossero già in gran parte in composito; questo diverso approccio ai materiali compositi non dipende da esigenze economiche ma di sicurezza; tale aspetto verrà approfondito in seguito.
Figura 1.B
