Questo progetto include infatti:

I NTRODUZIONE

In campo aeronautico la ricerca volta al miglioramento delle prestazioni, come ad esempio l’incremento della resistenza strutturale e della leggerezza, ha da sempre giocato un ruolo fondamentale nello sviluppo dei nuovi materiali e delle relative tecnologie di impiego. Altrettanto importante d’altro canto è la competitività economica di tali innovazioni, aspetto che in alcuni casi si pone in contrapposizione con la precedente esigenza in modo determinante.

In questo contesto si inserisce un progetto europeo [1], coordinato da Airbus UK, vede la partecipazione di molti dei più importanti manufacturers aerospaziali europei, insieme ad un vasto gruppo di aziende di design e testing, enti di ricerca ed Università. L’obiettivo primario di tale programma è quello di dare un rilevante contributo in termini di studio progettuale e di attività sperimentale allo scopo di poter utilizzare, in un prossimo futuro, nuovi materiali (compositi a base di carbonio, Glare ed altri), ma anche nuove metodologie costruttive, al fine di realizzare strutture aeronautiche avanzate, di basso peso ed a costi competitivi. Il target di riferimento è naturalmente molto ampio e varia dai jets privati ai grandi aerei di linea.

Un primo grande obbiettivo già raggiunto è l’applicazione in larga scala di alcune delle tecnologie selezionate all’interno del progetto stesso e l’integrazione totale di queste tecnologie in strutture aeronautiche full-size. L’obbiettivo finale stimato è una riduzione dei DOC (Direct Operative Costs) del 15% rispetto ai dati di riferimento odierni. La vera innovazione che si vuole apportare è rappresentata da un approccio generale che tende a validare e migliorare le tecnologie già affermatesi nel settore, affiancando loro nuove metodologie costruttive, al fine di realizzare strutture aeronautiche, come fusoliere o sezioni alari, più funzionali.

Questo progetto include infatti:

• Valutazione dell’effettiva efficienza delle tecnologie per quanto concerne la relativa implementazione Industriale

• Test dei sotto-componenti

• Test dei componenti full-scale

Esso prevede inoltre la verifica delle reali potenzialità dei nuovi concetti contenuti nelle filosofie di design attraverso la valutazione dei tests effettuati nonché l’ottimizzazione dei componenti aeronautici strutturali già esistenti ed operativi, sia metallici che compositi. I risultati del programma saranno infine comprovati da test full-scale delle strutture ibride complete, sottoposte a condizioni di carico realistiche.

L’applicazione di componenti strutturali più economici e più leggeri richiede, come detto, l’uso di nuovi materiali, sia metallici che compositi. Questi nuovi materiali, di cui fanno parte anche nuove leghe di alluminio, sono identificabili perlopiù in laminati e compositi in fibra di carbonio o fibra di vetro che consentono, per loro natura, una maggiore flessibilità ed una facilità di ottimizzazione in fase progettuale. Esempi delle tecnologie in fase di valutazione sono:

• Materiali di nuova generazione come Glare, innovative leghe alluminio-litio, compositi a base di fibra di carbonio, 3D perform, adesivi per uso strutturale, leghe damage-tolerant.

• Processi costruttivi di tipo net-shape come fusione, estrusione integrale, pultrusion, tow or fibre placement, net shape preform, formatura per pressione, RTM, RFI.

• Processi di giunzione migliorati come saldature Laser,

Electron Bonding ed ottenuti con adesivi.

• Nuove filosofie progettuali come concetti “novel component”, principi di “design for manufacture” e “design for jigless assembly”.

• Tecnologie per l’assemblaggio automatico

Con la presente tesi di laurea si è preso in esame uno degli aspetti di questa nuova filosofia progettuale, operando una campagna di tests che ha avuto come oggetto la caratterizzazione del comportamento di un adesivo in pasta applicato a

“freddo” nelle giunzioni tra materiali compositi a base di fibra di carbonio destinati ad un impiego di tipo strutturale. Per verificare l’efficienza di tale applicazione se ne sono paragonate le prestazioni con quelle di un più tradizionale adesivo a “caldo” in varie condizioni operative ed a parità di geometrie.

L’utilizzo di adesivi in campo strutturale non ha finora trovato un largo impiego in campo aeronautico a causa delle notevoli problematiche che esso introduce in termini di affidabilità, di efficienza strutturale, nonché a causa delle difficoltà incontrate nella definizione del comportamento degli adesivi stessi, sia in condizioni di carico statico che in presenza di carichi ripetuti. Per loro stessa natura gli adesivi a base polimerica, se paragonati a rivettature, saldature e bullonature, hanno sia vantaggi che svantaggi ed il loro impiego deve essere adeguatamente ponderato, in modo da sfruttarne al meglio le proprietà [2].

Anche se le prestazioni dei diversi tipi di giunzione sono strettamente collegate

con le condizioni di lavoro a cui esse vengono sottoposte e spesso tali

condizioni non sono le stesse per i diversi sistemi di collegamento, rendendo

difficile un paragone diretto tra le diverse tecnologie , è possibile operare un

tentativo di generalizzazione utile per avere una prima globale valutazione di tali

vantaggi e svantaggi [3]:

Tensione Nei giunti incollati la tensione è più uniformemente distribuita Applicata e le concentrazioni di tensione assumono un livello più basso

rispetto ai collegamenti di tipo meccanico benché il massimo stress applicabile risulti più basso. Nelle zone dove non sia possibile prevedere un aumento locale di superficie i giunti incollati possono risultare inappropriati.

Vita E’ possibile avere una vita operativa sensibilmente maggiore Operativa con i giunti incollati se paragonati, ad esempio, alle

rivettature. Esistono tuttavia limitazioni collegate con la temperatura operativa la quale è, di norma, sensibilmente minore di quella dei metalli costituenti le giunzioni.

Preparazione Si evitano tutte le fasi di foratura, cold working, aggiunta Superfici di isolanti, scanalature e simili, tipiche di rivettature e

saldature. Esse, tuttavia, devono essere sostituite da sgrassatura con solventi o levigatura con abrasivi in corrispondenza delle zone incollate, spesso integrate con l’applicazione di primers. Possono essere necessari inoltre, a seconda dei casi, processi di curing, pressatura di tipo idraulico, ed attrezzature di supporto alle tecnologie adottate.

Economicità Non è possibile prescindere da una dettagliata analisi dei

costi delle alternative progettuali. In generale, i progetti che

prevedono l’uso di collegamenti con adesivi tendono, a

causa della più uniforme distribuzione delle tensioni e

dell’assenza di organi di giunzione come rivetti o bullonature,

ad avere un peso più basso ed un minor utilizzo di materiali. Il

rapporto tra costi di lavorazione nei giunti meccanici e

operazioni di preparazione ed esecuzione in quelli incollati

deve essere valutato caso per caso.

Un ulteriore aspetto da valutare è il vantaggio, particolarmente attinente col presente lavoro di tesi, che gli adesivi offrono potendo unire materiali anche di composizione diversa, particolarmente sensibili alle forature ed alle penetrazioni e di forme complesse, tra i quali figurano senza dubbio i materiali compositi [4] [5]

[6] [7]. Infatti se si operano collegamenti di tipo meccanico su materiali di questo tipo è necessario predisporre inserti di rinforzo in corrispondenza dei fori di collegamento in modo da ottenere una sufficiente redistribuzione del carico in modo da evitare la penetrazione degli organi di collegamento, come rivetti e bulloni, all’interno del materiale composito. Tutte queste problematiche vengono agevolmente rimosse usando gli adesivi. Per contro, la più grossa controindicazione all’uso di tali collegamenti è rappresentata dalla inevitabile presenza di tensioni perpendicolari al giunto, dette tensioni di peeling, le quali da sempre rappresentano il punto debole di questo genere di collegamento [3].

L’introduzione su vasta scala di tali tecnologie di giunzione permetterebbe tuttavia di ottenere grandi vantaggi in fase di design, di realizzazione ma anche nel comportamento a fatica dei componenti con esse realizzati. Sostituendo infatti con giunti incollati i tradizionali collegamenti si otterrebbe una maggior libertà progettuale, data la maggior flessibilità dei materiali compositi in termini di varietà delle forme ottenibili. Si potrebbero inoltre pensare strutture integrate di complessità maggiore che avrebbero il vantaggio di avere un minor peso, una maggiore rigidezza ed un minor tempo di realizzazione, potendo per altro prevedere processi costruttivi semi-automatizzati. Non ultimo si concretizzerebbe il vantaggio, ottenuto grazie all’eliminazione dei fori nelle giunzioni, rappresentato dall’annullamento delle concentrazioni di tensione che si hanno in corrispondenza dei fori stessi, problema da sempre molto sentito nell’ambito della produzione aeronautica e che tuttora non ha trovato soluzioni definitive.

Per operare i test oggetto del presente studio è stato realizzato un lotto di

provini riproducenti tre diversi tipi di giunzione skin-stringer di tipico impiego

aeronautico. La prima grande suddivisione è stata operata usando i due diversi

tipi di collante che prevedono modalità diverse di messa in opera. Questi due

processi, in base alle relative caratteristiche, sono stati denominati come

incollaggio a caldo ed incollaggio a freddo. Per alcune configurazioni sono inoltre

stati realizzati alcuni esemplari di spessore maggiorato al fine di monitorare

l’influenza di tale variabile nel comportamento globale. Sono poi state individuate

due diverse condizioni di impiego, rappresentative delle condizioni ambientali

nell’ambito delle quali tali collegamenti incollati e materiali compositi dovranno

operare, denominate come “asciutte” e “bagnate”. Si sono in seguito scelte

diverse situazioni di carico al fine di avere una ragionevole caratterizzazione del

comportamento dell’adesivo. Si è infine proceduto alla raccolta dei dati

sperimentali, ottenuti tramite l’acquisizione dei carichi e delle deformazioni

registrate da estensimetri e rosette applicate sui provini, confrontandoli anche

con una modellazione agli elementi finiti. Si è concluso lo studio con l’elaborazione

e la valutazione finale dei risultati ottenuti.