Compositi rinforzati con fibre

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Panoramica sui materiali compositi

Un materiale composito è la combinazione di due o più materiali. Questa combinazione determina proprietà dei materiali precise, quali durezza e rigidità in direzioni specifiche, riuscendo a mantenere un peso contenuto e permettendo così di sviluppare sempre nuove applicazioni.  

Numerosi sono i prodotti moderni in cui sono usati i materiali compositi. I velivoli come l'Airbus A380 e A350 o il Boeing 787 sono esempi concreti nel settore dell’aviazione civile in cui viene impiegata un'alta percentuale di compositi in fibra di carbonio. I telai delle auto BMW I3 e I8 sono costituiti interamente da materiali GFRP, che li rendono così leggeri da poter essere facilmente spostati da due sole persone. Rimanendo nel settore automobilistico, ormai da tempo le macchine da corsa vengono prodotte utilizzando compositi rinforzati con fibre. Le pale delle grandi turbine eoliche, caratterizzate da una struttura a sandwich, sono realizzate con diversi materiali compositi con fibre unidirezionali che assorbono le forze centrifughe e compositi con fibre multidirezionali per le superfici esterne. Non dimentichiamo l’importanza che hanno questi materiali anche nell'ambito dell'ingegneria medicale (come ad esempio nella realizzazione delle protesi); nel settore edilizio, dove vengono utilizzati come materiali multiformi per la costruzione di ponti e nell'ingegneria delle facciate.

Nei materiali compositi, le fibre sono incorporate in un componente noto come matrice, in questo modo si crea un sistema fibra-matrice. Le fibre possono essere orientate in una o più direzioni definite e preferite.

I laminati sono costituiti da diversi strati, uno sull'altro. I materiali con tre strati, due dei quali sono strati esterni identici, sono conosciuti come compositi a sandwich e utilizzati solitamente nelle costruzioni leggere, dove il core, collocato tra i due strati esterni, può essere in plastica espansa o avere una struttura a nido d'ape.  

In questo caso si parla proprio di compositi a nido d'ape.
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Definizione di compositi

Un'ampia gamma di compositi è utilizzata per applicazioni tecniche, ad esempio

  • Plastica rinforzata con fibre di vetro (GFRP)
  • Plastica rinforzata con fibre di carbonio (CFRP)
  • Plastica rinforzata con fibre aramidiche (AFRP)
  • Plastica rinforzata con fibre naturali (NFRP).

I compositi rinforzati con fibre sono costituiti da fibre in filamenti o a fiocco, come nel caso del roving, e da una matrice che assicura la forza di adesione.

Le proprietà, insieme alla scelta del tipo della fibra e della matrice, sono essenzialmente determinate dall'orientamento delle fibre nel tessuto. Nelle tecnologie di prova si distinguono i laminati unidirezionali e quelli multidirezionali.

Le prove sui materiali riguardano solitamente scenari di carico singoli su provini standardizzati. Poiché le caratteristiche dipendono fortemente dalla direzione della fibra, i vari tipi di carico sono applicati utilizzando diversi provini, ad esempio in parallelo o perpendicolarmente rispetto alla fibra.

Oltre che nelle normative internazionali (ISO), queste prove sono descritte in diverse norme regionali, nazionali (ASTM, EN e DIM) e in alcune specifiche norme aziendali (Airbus AITM, Boeing BSS). Ne deriva un insieme di oltre 170 norme che descrivono circa 20 metodi di prova generici.

Nelle prove sui componenti, sulle parti strutturali e sulle strutture complete vengono applicati i carichi che replicano quelli delle applicazioni reali. I focus d'indagine sono la resistenza, l’energia di rottura, la resistenza a fatica e la vita del prodotto.

A causa della sensibilità direzionale e dello snervamento delle fibre, i carichi di prova devono essere applicati esattamente nella direzione voluta. L'errore assiale viene descritto come disallineamento ed è soggetto a ristrette fasce di tolleranza. ZwickRoell utilizza dispositivi di misurazione speciali la cui forma e dimensione corrispondono a quelle del provino. Gli assi della macchina di prova sono orientati con supporti meccanici di allineamento.

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Sistemi di prova modulari per compositi

I grandi laboratori con alti volumi di produzione utilizzano diverse macchine di prova per ciascun metodo, in modo da ridurre al minimo i tempi e i costi necessari per il riallestimento. Il metodi di prova standard possono essere divisi a seconda dei seguenti range di prova: 

  • Carichi fino a 1 kN: prove di flessione, tenacità a frattura, prove di trazione su filamenti singoli
  • Carichi fino a 10kN: prove di taglio, per esempio IPS, ILSS e V-notch, prove di trazione sulle sezioni dei filamenti, prove di trazione a 90° sui compositi unidirezionali, prove di trazione nella direzione dello spessore
  • Carichi fino a 100 kN: prove di trazione a 0° su compositi unidirezionali, prove di trazione MD su laminati con spessore ridotto, prove di compressione in accordo alle normative ISO, ASTM ed EN e prove di compressione con intaglio
  • Carichi oltre 100 kN: prove di trazione e compressione in accordo alle normative Airbus con spessore del laminato corrispondente, prove di compressione dopo l'impatto.
Se i volumi di produzione non sono alti o abbastanza consistenti da poter investire in diverse macchine di prova, l'alternativa ideale è allestire una singola macchina di prova in modo da poter eseguire più metodi con il minor sforzo di riallestimento possibile. Per far fronte a tutte queste diverse necessità, ZwickRoell ha sviluppato macchine di prova elettromeccaniche e servoidrauliche con design modulare. I vantaggi dei sistemi modulari sono indiscutibili: tutti gli accessori e le attrezzature, gli estensimetri, il software, i pannelli di protezione e le camere climatiche sono modulari e progettati per lavorare insieme. In più, questo sistema deve essere considerato come un investimento a lungo termine in quanto tutti i componenti possono essere ammodernati successivamente.
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Prove di trazione, compressione e flessione

ZwickRoell offre attrezzature speciali per prove di trazione, compressione e flessione a temperatura condizionata in accordo alle normative.

Prove di taglio

Per la determinazione delle proprietà di taglio in piani e direzioni diverse esistono diversi metodi di prova.

Ulteriori prove su compositi

Per caratterizzare i compositi in termini di valori caratteristici della meccanica della frattura viene determinato il tasso di rilascio dell'energia G o il carico ciclico per la determinazione della durabilità di provini, elementi strutturali e componenti.
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