Il boom dei compositi traina l’innovazione nei macchinari

Sono robusti, leggeri, danno la possibilità di realizzare forme complesse e nel tempo hanno sostituito particolari metallici strutturali e non, in varie applicazioni, con un notevole risparmio di peso e dimensioni, non ottenibili con altre tecnologie esistenti. Sono i materiali compositi che in questi ultimi anni hanno conosciuto una particolare diffusione e successo anche per il loro vasto campo di applicazione. Sono infatti utilizzati variamente nei settore dell’automobile, aerospaziale, aeronautico, della nautica, delle costruzioni e dell’elettronica. Ma anche in quello delle attrezzature sportive e persino nel packaging per il settore alimentare.
Altri comparti ancora stanno però aprendo le porte a queste tecnologie: un esempio viene dall’energia e in particolare da quella eolica.

Mercato in crescita

Non c’è dunque da stupirsi se anche nel 2018 il mercato di riferimento, a livello europeo, sia andato bene. Basti dire che, stando ai dati diffusi da AVK (Associazione della Plastica Rinforzata) nella relazione annuale presentata in apertura del Salone COMPOSITES EUROPE, uno dei più importanti del settore (la prossima edizione è in programma dal 10 al 12 settembre del 2019 presso il quartiere fieristico di Stoccarda), il mercato della plastica rinforzata con fibra di vetro è cresciuto del 2% rispetto al 2017, arrivando a un totale di 1,41 milioni di tonnellate. Ciononostante «le prospettive per l’intera industria dei compositi sono veramente buone e i potenziali sono enormi», come ha tenuto a sottolineare nel corso dell’evento Elmar Witten, segretario generale di AVK.

L’Italia fuori dal tunnel

E l’Italia è assolutamente in linea con la tendenza. Anche da noi, infatti, archiviata una fase di rallentamento, il mercato dei materiali compositi sta infatti registrando una progressione costante e le stime per il 2019 sono molto positive. Ma il più grande mercato europeo dei compositi resta la Germania che ha anche visto un aumento di produzione leggermente superiore alla media europea.
Automotive e aerospaziale dominano il mercato e trainano lo sviluppo.  L’ingegneria motoristica, il settore aerospaziale e quello delle costruzioni sono i principali motori che guidano l’ascesa dei compositi in fibra. E tuttavia le materie plastiche rinforzate con fibre di vetro (GFRP), con una quota di mercato del 95% rappresentano ancora il più importante gruppo di materiali del comparto.

Il riciclo nel mirino

Interessanti novità per il mercato dei materiali compositi arrivano anche dal settore del riciclo, favorito da un progetto di ricerca europeo che mira appunto a dare impulso alla seconda vita dei materiali compositi. Gli scienziati stanno studiando come trasformare i rifiuti in prodotti a valore aggiunto.  Un processo di economia circolare che vogliono rendere il più efficiente possibile. Alcune idee sono già a portata di mano.  «Un gruppo di aziende tedesche partner del progetto sta lavorando per esempio alla progettazione di nuovi componenti auto a materiale composito facilmente disassemblabili dal veicolo e riparabili e riassemblabili nella vettura stessa dopo la riparazione. Questo ovviamente consente non solanto di recuperare il materiale ma anche di recuperare la funzione stessa del componente», ha raccontato ai media Marcello Colledani del Politecnico di Milano, che è fra i coordinatori del progetto FiberEUse. Ma siamo solamente alle mosse iniziali.

Macchinari sempre più sofisticati e digitali

Altre importanti novità arrivano invece dal fronte dei macchinari per la produzione di questi materiali innovativi. Un segmento che negli ultimi anni ha segnato notevoli progressi tecnologici soprattutto per quanto riguarda l’automatizzazione dei processi di produzione. Se a offrirci una panoramica più approfondita circa le possibili applicazioni dei compositi nell’industria meccanica ha provveduto il professor Ignazio Crivelli (clicca qui per leggere il testo integrale dell’intervista); sin d’ora è possibile farsi un’idea di quanto preziosi essi possano essere per il business di R+W Italia.  «La nostra esperienza», ha detto il responsabile commerciale di R+W Italia Davide Fusari, «è relativa esclusivamente alle fibre di carbonio grazie alle quali riusciamo a realizzare oggetti – e cioè giunti – particolarmente leggeri e performanti. Il ricorso a questo materiale porta con sé due conseguenze principali».

Rapidi e robusti

Gli oggetti «hanno un’inerzia molto bassa e possono pertanto essere veicolati a velocità molto elevate a fronte di uno sforzo-motore quanto mai contenuto», secondo Fusari. Questi ha aggiunto: «In più, il carbonio assicura valori di rigidità torsionale notevolissimi. Soprattutto nella produzione di alberi, cioè giunti con allunga, le prestazioni raggiunte col carbonio sarebbero impossibili da conseguire utilizzando invece l’alluminio. Il guadagno prestazionale è del 50%, coerentemente con una diminuzione del peso che è a sua volta calcolabile nell’ordine dei 50 punti. Un tubo per un giunto 150-300 con diametro da 100 millimetri e spessore da 3-4 millimetri, costruito in carbonio pesa la metà di quelli tradizionali ed è di gran lunga più rigido. Quindi fa sì che si possano costruire dei componenti di precisione con un fabbisogno energetico a sua volta significativamente inferiore».

La proposta di R+W Italia

Il responsabile commerciale ha quindi ricordato come gli alberi della serie ZAL di R+W nascano già con un tubo centrale sviluppato in carbonio e indirizzino per lo più l’arena delle macchine utensili la cui domanda cresce di pari passo con la richiesta di prestazioni sempre più competitive. Salgono contestualmente i prezzi di listino ma parere di Fusari è che «il ritorno sugli investimenti» sia «veloce», anche in virtù «delle minori spese di movimentazione».  Per alberi la cui performance deve attestarsi attorno ai 3.000 giri al minuto il mercato non presenta, di fatto, alternative al carbonio.  Ed è prevedibile che anche le macchine da stampa e i banchi-prova possano trainare un ulteriore boom di vendite di prodotti che, presso R+W, sono sempre suscettibili di customizzazione.

prof. Ignazio Crivelli Visconti

«Sicuri, affidabili e ora anche economici»

Intervista al professor Ignazio Crivelli Visconti, docente del dipartimento di Ingegneria chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale presso l’università di Napoli Federico II

Quali sono attualmente i materiali compositi più utilizzati nel settore meccanico in genere, nella costruzione di macchinari e, infine, nella trasmissione di potenza?

Esistono diversi tipi di materiali compositi, in termini di matrici, fibre, proprietà tipiche ottenibili:
Le matrici sono suddivise in Matrici TP; Matrici TI; Matrici metalliche; Matrici ceramiche. Tra queste, tuttavia, solo le matrici polimeriche di natura Termoplastica TP e Termoindurente TI hanno realmente trovato applicazioni, in particolare nel settore meccanico per le forti difficoltà di adoperare le altre matrici.
Fra le fibre si ricordano invece quelle di vetro; le aramidiche; quelle di carbonio grafite; le fibre vegetali. Tra queste le fibre di carbonio grafite hanno una importanza particolare in quanto durante le fasi della loro produzione è possibile programmarne i valori sia della resistenza a rottura sr sia della rigidità E, che possono raggiungere valori molto elevati rispetto ai material tradizionali, ma con valore della densità γ molto basso. Per quel che riguarda le loro proprietà tipiche, nella scelta dei materiali adoperabili nelle applicazioni meccaniche ci si riferisce principalmente alla resistenza a rottura sr e al modulo elastico E, indice della rigidità del materiale. I valori tipici per i materiali indicati, paragonati a quelli dei metalli più comuni, sono i seguenti:

per sr resistenza a rottura (in MPa)
-fibre di vetro: 3.500
-fibre di carbonio ad alta resistenza: 6.000
-fibre di carbonio ad alta rigidità: 1.800
-acciaio tipico da costruzione: 400-800
-lega leggera tipica a base di Alluminio: 300
per E modulo di rigidità (in MPa)
-fibre di vetro: 70.000
-fibre di carbonio ad alta resistenza: 300.000
-fibre di carbonio ad alta rigidità: 700.000
-acciaio tipico da costruzione: 210.000
-lega leggera tipica a base di Alluminio: 70.000
per γ densità (in g/cm³)
-fibre di vetro: 2,54
-fibre di carbonio ad alta resistenza: 1,8
-fibre di carbonio ad alta rigidità: 1.8
-acciaio tipico da costruzione: 7,7
-lega leggera tipica a base di Alluminio: 2,7

E nel prossimo futuro quali potrebbero essere i compositi emergenti?

Come noto, il grafene costituisce lo strato base delle fibre di carbonio grafite, e sulle sue possibili applicazioni si discute molto, forse anche troppo presto. Si tratta certo di una struttura di materiale molto interessante e per ora però solo promettente anche per compositi dalle alte caratteristiche. I compositi a matrice di natura ceramica (tipi a base silice, carburo di silicio, lo stesso carbonio, e altre composizioni ceramiche) sono di estrema importanza per le applicazioni ad alta temperatura, come nelle parti interne di motori termici o altre simili applicazioni anche termonucleari, ma al momento non ci sono esempi importanti in tal senso, anche se i primi tentativi di adoperare matrici ceramiche risalgono agli anni Settanta dello scorso secolo.

Tendenzialmente quali sono le caratteristiche che l’industria meccanica e la costruzione di macchine ricercano in un composito?

I valori numerici cui ci si riferisce nella scelta dei materiali adoperabili nelle applicazioni meccaniche sono principalmente la resistenza a rottura sr e il modulo elastico E, indice della rigidità. Ma molto spesso ciò che premia maggiormente sono le “proprietà specifiche” sr/γ e E/γ cioè i valori delle dette proprietà diviso il valore della densità γ.
Queste proprietà specifiche si riportano pertanto ancora per i materiali esaminati:

per resistenza/densità (sr/γ in 10E8mm)
-fibre di vetro: 1,38
-fibre di carbonio ad alta resistenza: 3,33
-fibre di carbonio ad alta rigidità: 1,0
-acciaio tipico da costruzione: 0,05-0,1
-lega leggera tipica a base di Alluminio: 0,11
per rigidità/densità (E/γ in 10E8mm)
-fibre di vetro: 28,5
-fibre di carbonio ad alta resistenza: 166,0
-fibre di carbonio ad alta rigidità: 378,5
-acciaio tipico da costruzione: 26,9
-lega leggera tipica a base di Alluminio: 25,9

Va inoltre ricordato che in realtà i valori indicati sono di pertinenza delle fibre, e che quando esse sono inglobate in una matrice per formare il pezzo finale in materiale composito i valori subiscono leggere diminuzioni. Ma ancora più premiante, anche se non sempre di facile comprensione, è la caratteristica dei compositi di essere materiali anisotropi. Un componente realizzato con materiale isotropo, come i metalli di qualunque tipo, viene progettato in genere considerando il valore massimo dello stato tensionale che agisce in una certa direzione: quindi il materiale presente nelle altre direzioni non viene sollecitato e costituisce una sorta di materiale “inutile”. Progettando invece con un materiale anisotropo come un composito è possibile posizionare le fibre, attraverso tecnologie oggi ampiamente disponibili, solo secondo la direzioni in cui agiscono realmente gli stati tensionali, sfruttando completamente tutto il materiale del pezzo. Un possibile esempio, tra numerosissimi casi, è costituito da alberi di trasmissione, che possono prevedere fibre posizionate diversamente nei casi in cui è preponderante il momento torcente, o in cui è preponderante il carico flessionale. La risposta a una ulteriore richiesta, ovvia, delle applicazioni industriali, cioè la sicurezza ed affidabilità dei compositi in esercizio prolungato, è fornita oggi dalla presenza in volo di aerei cui affidiamo quotidianamente la nostre vite costruiti da molti decenni con uso di compositi in elementi non strutturali, semistrutturali e adesso anche strutturali come l’intera fusoliera.

È possibile avere un’idea di quando sia, o meno, economicamente conveniente usare materiali compositi?

Non siamo più ormai nel periodo iniziale dello sviluppo dei compositi quando presentavano costi molto elevati. Si può affermare che nel computo totale del costo di un elemento realizzato in composito, alla luce delle caratteristiche specifiche indicate, in considerazione delle vaste disponibilità di “formati” disponibili dovunque, e dei costi unitari oggi disponibili, questa alternativa è maggiormente conveniente nella grande maggioranza dei casi.
Sono certamente presenti casi di più complesso o anche non valido uso dei compositi, che occorrerebbe conoscere bene in funzione delle reali caratteristiche del composito, in cui i materiali tradizionali sono più validi. Tra questi casi si possono citare i casi di presenza di stati tensionali complessi, stati di compressione, e di punti “singolari” ove i materiali anisotropi soffrono, e sarebbero possibili soluzioni ibride che però appesantirebbero la struttura nel suo complesso. Anche in casi simili, però, una attenta conoscenza delle caratteristiche potrebbero portare a soluzioni molto vantaggiose, come nell’esempio dei recenti risultati ottenuti su bielle in composito per motori a scoppio in cui le fibre lavorano sempre in trazione (anche nelle fasi di compressione), permettendo così guadagni in peso che sfiorano il 50 %.

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