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Compositi rinforzati in fibra

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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 automobili BMW I3 e I8 sono costituiti interamente da materiali GFRP. Essi hanno un peso talmente ridotto da poter essere facilmente trasportati da due sole persone. Anche nelle auto da corsa sono stati utilizzati per diverso tempo compositi rinforzati con fibre Le pale delle grandi turbine eoliche sono realizzate con diversi tipi di compositi: i compositi con fibre unidirezionali assorbono le forze centrifughe, le superfici esterne sono realizzate con compositi con fibre multidirezionali e la struttura generale ha un design a sandwich. 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. Ciò crea un sistema fibra-matrice. Le fibre possono essere disposte in una o più direzioni definite e avere direzioni 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. 

I composti a sandwich sono impiegati nelle costruzioni leggere. Il core, collocato tra i due strati esterni, può essere in plastica espansa o avere una struttura a nido d'ape. Quest'ultimo viene definito composito a nido d'ape.

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.

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.

Esempi di applicazione per le prove sui compositi

Prove di trazione

su filamenti singoli, sezioni di filamenti e laminati uni e multidirezionali, così come prove di trazione con intaglio e prove di trazione su laminati bullonati.
a Prove di trazione

Prove di compressione e prove di compressione su provini intagliati (OHC, FHC)

su compositi formati da diversi sistemi a matrice fibrosa
a Prove di compressione e prove di compressione su provini intagliati (OHC, FHC)

Prove di flessione

Le prove di flessione (prove di flessione a 3 e 4 punti) vengono eseguite per determinare caratteristiche meccaniche relative.
a Prove di flessione

Allineamento

Le prove sui compositi richiedono un allineamento dell'asse di prova estremamente preciso.
a Allineamento

Resistenza al taglio interlaminare ILSS

Solitamente la resistenza al taglio interlaminare viene determinata tramite una prova di taglio a trave corta (short beam shear test).
a Resistenza al taglio interlaminare ILSS

Prove di taglio a sovrapposizione

Le prove di taglio sono utilizzate per scopi comparativi degli incollaggi di laminati.
a Prove di taglio a sovrapposizione

Prove di taglio in piano (IPS)

possono essere eseguite tramite le prove di trazione o compressione a ± 45° verso la direzione della fibra.
a Prove di taglio in piano (IPS)

Prove di taglio su provini con intaglio a V

sono utilizzate per la caratterizzazione delle proprietà di taglio in piano.
a Prove di taglio su provini con intaglio a V

Tasso di rilascio di energia G (secondo Griffith)

Il tasso di rilascio di energia appartiene ai valori caratteristici della meccanica della frattura e viene solitamente determinato attraverso due modi di carico: Modo I e Modo II.
a Tasso di rilascio di energia G (secondo Griffith)

Metodi per prove cicliche e dinamiche

vengono usati per determinare la durabilità di provini, elementi strutturali e componenti.
a Metodi per prove cicliche e dinamiche

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