Motivi di utilizzo materiali compositi

[ice-man]

ho letto molto attentamente numerosi post sui materiali compositi siccome volevo portare i materiali compositi in campo aeronautico come tesina

 

Ora però ho bisogno del vostro aiuto

 

Dunque ho letto diverse discussioni nel forum che mi hanno un pò incasinato le idee. Quindi vorrei chiedervi quali sono i motivi per cui si sono usati i materiali compositi al posto di quelli convenzionali. I principali motivi scalettati e magari anche descritti.. e se avete delle immagini postatele pure.. grazie!

[kamy89]

beh il composito sicuramente è leggero e inoltre determinate fibre come il kevlar sono anche antiproiettile....utilizzando poi il nido d'ape si ha una buona resistenza a compressione della parte in considerazione...un'esempio è la pala dell'elicottero.....al posto di avere le centine al suo interno per mantenere la forma, ha il ndo d'ape...il tutto poi è rivestito con i materiali compositi..ad esempio fibre di carbonio o di vetro e resine....

da noi a scuola non hanno detto molto...quello ke ho imparato sui materiali compositi è stato in uno stage quindi può darsi che mi sia anche scordata qualcosa...sicuramente c'è qualcuno che ti sa aiutare meglio di me...ma su wikipedia non trovi nulla??

[Flaggy]

Bhe...oddio i compositi sono un pianeta sconfinato e a voler essere anche sintetici si rischia di lasciar fuori sempre qualcosa...

Senza quindi nessuna pretesa di completezza mi limito ad alcune considerazioni...

 

In linea di massima dire che i compositi sono leggeri non basta a spiegarne il loro utilizzo, come non basta a spiegare quello delle leghe di alluminio in aeronautica al posto degli acciai dell'industria per es automobilistica.

In fondo perchè non usare l'acciaio anche nelle strutture aeronautiche (in realtà lo si fa ma non massicciamente...)?

E' vero che pesa il triplo ma è anche tre volte più resistente...cioè le sue caratteristiche specifiche sono simili a quelle delle ben più usate leghe di alluminio...

 

Il problema infatti sono soprattutto gli spessori...

In aeronautica ci si è resi conto che per ridurre al massimo il peso bisogna distribuire il più possibile le forze sulle sezioni resistenti di ciascun elemento strutturale e far lavorare persino il rivestimento metallico che sui primi aerei era in tela e che a parte trasferire le forze aerodinamiche alla struttura sottostante non faceva...

Qui invece si vogliono far lavorare anche i pannelli esterni che diventano non solo importanti, ma anche vitali per una struttura lavorando a compressione, trazione e taglio.

Le forze in se spesso non sono elevatissime per la capacità dei materiali e quindi gli spessori potrebbero essere sottilissimi per far lavorare al massimo il materiale che ci si mette...

 

E qui sta il problema: non puoi assottigliare troppo i pannelli, perchè altrimenti si accartocciano...

E' un po quello che succede a un foglio di carta: a trazione regge anche dei chili ma prova a fletterlo o ad comprimerlo e si accartoccerà!

 

Ecco allora che è meglio usare un materiale leggero come l'alluminio, perchè mi consente di avere spessori che non lo fanno accartocciare (il termine corretto è "instabilizzare")...

L'uso massiccio dell'acciaio non è proponibile...Per evitare disastrosi accartocciamenti sotto carico gli spessori dovrebbero aumentare troppo e il peso salirebbe alle stelle...

 

I compositi sono lo step successivo:

Il fatto di avere delle fibre resistenti all'interno di una matrice, mi consente di orientare le fibre nelle direzioni di sollecitazione, evitando materiali omogenei come i metalli che sono resistenti (e pesanti) anche nelle direzioni in cui questo non serve.

La possibilita di aumentare gli spessori senza appesantire le strutture e di "direzionare"le capacità di resistenza di un pezzo (ho parlato di pannelli ma il discorso si estende ad un'infinità di componenti) rendono questi materiali molto vantaggiosi...

 

Esiste poi la possibilità di creare pezzi monolitici di grosse dimensioni anche molto complessi, unendo fra loro vari componenti e poi polimerizzandoli tutti insieme in autoclave. In questo modo si eliminano tutti gli elementi di giunzione che invece caratterizzerebbero magari delle strutture metalliche fatte i più pezzi e si riducono ulteriormente i pesi.

 

Tengo a precisare che l'entusiasmo per i compositi si è un po'raffreddato, non nel senso che non li si vuole più usare (anzi è il contrario), ma nel senso che oggi si preferisce usare il materiale migliore in ciascuna applicazione, valutandola di volta in volta...E non sempre il composito è il migliore e questo al di là del suo costo comunque elevato.

 

I compositi possono avere altri problemi...E' vero che non si ossidano, ma possono degradarsi col tempo...

E' vero che si possono creare pezzi molto grandi e con fibre orientate come si vuole, ma sono difficili da unire puntualmente con chiodature o simili.

Se gli spessori sono comunque elevati perchè un componente è molto sollecitato (per es la gamba di forza di un carrello) o le temperature sono gravose per una matrice polimerica, l'acciaio e le leghe leggere di alluminio (o altre) sono ancora utilizzabili o se si vuole anche un'elevata resistenza ai danni, il titanio è superbo... ma di esempi se ne posson fare molti...

 

La struttura di un aereo moderno è così letteralmente un'accozzaglia di materiali diversi, compresi i sempre attuali metallici.

Ci sono infatti leghe matalliche sempre più avanzatte (il progresso c'è anche lì...) e addirittura compositi metallici (con fibre e matrice entrambe metalliche) che uniscono i vantaggi degli uni e degli altri.

 

Tanto per citare un esempio ricordo di aver letto un articolo di flight international sull'F-18E in cui si diceva che per i nuovi LERX ingranditi si era valutato di farli in composito, ma si vide che non vi era un significativo risparmio di peso rispetto al farli in lega leggera di alluminio.

Risultato: li si è fatti in alluminio.

 

In sostanza quindi ogni singolo componente di un aereo è un caso a parte e solo ottimizzando la scelta del materiale si possono ottenere riduzioni di peso a due cifre (20 o 30%).

Modificato 17 Maggio 2008 da Flaggy

[Black Knight]

Esiste poi la possibilità di creare pezzi monolitici di grosse dimensioni anche molto complessi, unendo fra loro vari componenti e poi polimerizzandoli tutti insieme in autoclave. In questo modo si eliminano tutti gli elementi di giunzione che invece caratterizzerebbero magari delle strutture metalliche fatte i più pezzi e si riducono ulteriormente i pesi.

 

Cosa significa?????

[Flaggy]

Cosa significa?????

L'autoclave è una specie di grosso forno a pressione in cui i semilavorati di composito vengono inseriti.

E' uno dei tanti modi di produrre componenti in composito.

 

In sostanza le fibre (di carbonio o altro) vengono immerse con la disposizione desiderata a formare un intreccio imbevuto di matrice non ancora polimerizzata (cioè fatta di materiale polimerico liquido e viscoso che non ha ancora formato i suoi legami chimici).

 

In questo modo la materia prima (il cosiddetto preimpregnato) è molto deformabile e più elementi possono essere uniti e incollati fra loro, deponendoli su uno stampo opportunamente coperti da uno strato protettivo e da altre pellicole con varie funzioni (come quella di contenimento del materiale liquido o di assorbimento dell'evaporazione dei prodotti gassosi di polimerizzazione).

 

A questo punto si inserisce tutto in un sacco da vuoto in cui si pratica una depressione di 0.6-0.7 atmosfere e quindi in autoclave (dove la sovrappressione realizzerà una compressione del materiale sull'attrezzo che gli darà la forma).

 

Creando le opportune condizioni di temperatura (dai 100 ai 200 gradi) e pressione nel sacco da vuoto, dopo qualche ora il materiale grezzo della matrice (in questo caso di tipo termoindurente) completa la polimerizzazione diventando rigido.

In questa foto si vede un'autoclave con all'interno uno stampo su cui vene deposto il materiale polimerico che assumerà la forma voluta, anche molto complessa ed elaborata

 

 

I pezzi di grosse dimensioni monolitici e senza giunzioni di cui parlavo sono anche robe come questa...

 

http://www.boeingitaly.it/ViewContent.do?i...3&Year=2005

[ice-man]

Grande Flaggy... finalmente ci ho capito qualcosa!

 

In sostanza le fibre (di carbonio o altro) vengono immerse con la disposizione desiderata a formare un intreccio imbevuto di matrice non ancora polimerizzata (cioè fatta di materiale polimerico liquido e viscoso che non ha ancora formato i suoi legami chimici).

 

cos'è la matrice? e cosa si intende per intreccio?

[Flaggy]

Grande Flaggy... finalmente ci ho capito qualcosa!

cos'è la matrice? e cosa si intende per intreccio?

Beh queste sarebbero le basi...e per capirci qualcosa sarebbe meglio saperle...

 

I compositi sono materiali bifasi, costituiti cioè da 2 tipoloigie diverse di solidi al loro interno.

 

1)RINFORZI: sono a forma di fibre col compito di fornire resistenza e rigidezza al materiale.

Possono essere di carbonio, di vetro, di kevlar ecc.

Possono venire disposte in tantissimi modi e nelle direzioni volute per resistere meglio alle sollecitazioni. Le fibre possono venire anche letteralmente intrecciate a formar una specie di tessuto che nel composito finito darà caratteristiche meccaniche superbe...

Mai visto un pezzo in composito in cui l'intreccio è ben in evidenza?

 

 

Dentro c'è una roba del genere...

 

 

2)MATRICE: è il materiale che avvolge le fibre dando la forma e collegando fra loro le fibre stesse.

E' la parte più debole del materiale composito (da cui dipende anche la temperatura max a cui può essere usato) ma è anche quella che ne garantisce la leggerezza, la lavorabilità e la plasmabilità nelle forme più disparate.

Anche le matrici possono essere di vari materiali: metallico, ceramico o polimerico (termoplastico o termoindurente).

 

Comunque penso che con una breve ricerca su internet diverse di queste cose vengano anche fuori.

 

http://it.wikipedia.org/wiki/Materiale_composito

[Tuccio14]

Io non posso che fare i complimenti a Flaggy. Se già non insegni in qualche scuola credo dovresti farlo, hai una superba capacità di spiegare le cose in parole comprensibili a tutti. Complimenti, davvero!

 

Aggiungerei qualcosina riguardo l'industria nostrana dei compositi. Attualmente Alenia Aeronautica, sopratutto grazie ai programmi "EFA" e "Dreamliner", è una delle società leader mondiali nella costruzione di componenti aeronautiche in compositi.

 

Se nel Tifone la lavorazione è relativamente semplice (i compositi sono usati principalmente per i pannelli, mentre la struttura che io sappia è metallica) il fiore all'ochhiello dell'azienda è la lavorazione delle sezioni di fusoliera e del cassone monolitico dei piani di coda orizzontali del 787 (quest'ultimo è il più grande mai costruito per l'aviazione civile).

 

Il 787, detto "aereo di plastica", è costruito quasi interamente in compisiti. Il processo produttivo (decentrato anche in Giappone alla Kawasaki oltre che in Italia) è circondato da un discreto alone di riservatezza e si prevede (o meglio, si cerca di) abbattere i tempi di produzione di un'intera cellula addirittura a tre giorni, grazie anche all'allestimento di tre Boeing 747 nella versione LCF (Large Cargo Freighter), qui sotto in foto.

 

Modificato 19 Maggio 2008 da tuccio14

[Jack89]

una domanda ragazzi... avete per caso la percentuale dei materiali usati per costruire uno di questi caccia? F117 F22 B2

 

ho trovato quello dell'EFA ma non mi interessa.. se li avete.. grazie

 

Gian.

[Flaggy]

una domanda ragazzi... avete per caso la percentuale dei materiali usati per costruire uno di questi caccia? F117 F22 B2

 

ho trovato quello dell'EFA ma non mi interessa.. se li avete.. grazie

 

Gian.

http://www.airforce-technology.com/projects/f22/f226.html

[Jack89]

quindi l'F-22 non utilizza acciaio? e poi.. la somma delle percentuali perchè fa 80%??

Modificato 3 Giugno 2008 da Jack89

[Flaggy]

quindi l'F-22 non utilizza acciaio? e poi.. la somma delle percentuali perchè fa 80%??

Certo che usa l'acciaio!!! Quelli sono i valori dei materiali usati nella sola cellula (pannelli, correntini, diaframmi, elementi di giunzione...)!!

Quello che manca nel peso strutturale sono proprio un 6% di acciaio e un 15% di altri materiali...

Le gambe del carrello sono sicuramente in acciaio ad alta resistenza, mentre e' probabile che ci siano diversi altri componenti in acciaio negli impianti di bordo e nei motori.

 

EDIT:

Qui le percentuali complete, dove il 39% di titanio e' ulteriormente scomposto in 2 leghe diverse.

 

Titanium 64 (Ti-64) 36%

Thermoset Composites 24%

Aluminum (Al) 16%

Other Materials* 15%

Steel 6%

Titanium 62222 (Ti-62222) 3%

Thermoplastic Composites >1%

 

* Other materials include coatings, paint, transparency, integrated forebody (radome), tires, brakes, sealants, adhesives, seals, actuators, gases, and fluids.

 

fonte

 

Comunque non erano dati molto difficili da trovare con Google...

Modificato 4 Giugno 2008 da Flaggy

[Jack89]

ok grazie mille