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Linea 1: | Linea 1: | ||
+ | In questa lezione di analizzerà cosa sono i materiali compositi, le caratteristiche del rinforzo e della matrice e i principi di tecnologia dei compositi utilizzati in ambito automotive. | ||
+ | **Materiali compositi: definizione** | ||
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+ | La definizione riconosciuta dice che il materiale deve essere costituito da almeno 2 fasi (componenti) chiaramente distinte e distinguibili, | ||
+ | Le propeità fisico-meccaniche dei materiali bicomponente dipendono da: | ||
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+ | - Propietà di rionforzo e matrice; | ||
+ | |||
+ | - Concentrazione di rinforzo e matrice, più correttamente dalla loro frazione volumetrica percentuale; | ||
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+ | - Forma del rinforzo; | ||
+ | |||
+ | - Dimensione del rinforzo e distribuzione; | ||
+ | |||
+ | - L’orientamento del rinforzo all’interno della matrice (unidirezionali, | ||
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+ | - Interazione rinforzo – matrice. | ||
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+ | Grazie alla presenza di molti parametri di scelta i compositi risultano materiali “da progettare”, | ||
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+ | I materiali compositi si possono dividere tra quelli rinforzati per mezzo di fibre o per mezzo di particelle, questi ultimi però sono meno utilizzati in applicazioni strutturali. I compositi che noi trattiamo sono tutti a matrice polimerica. Tra i compositi rinforzati con fibre troviamo i Single–Layer e i Multi-Layer (formati da più Single-Layer). | ||
+ | |||
+ | {{: | ||
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+ | **Fibre e matrici** | ||
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+ | I compositi fibrosi posso avere fibre lunghe (o continue) oppure fibre corte. Tra le fibre lunghe troviamo le lamine (unidirezionali e multilayer) oppure i tessuti a trama e ordito. Le fibre corte (o discontinue) possono avere orientamento casuale (tipo fibra di vetro) oppure orientamento preferenziale. I compositi fibrosi hanno resistenza maggiore rispetto allo stesso materiale in forma solida perché si ha l’effetto scala: i diametri molti piccoli delle fibre riducono sensibilmente la probabilità che le dislocazioni siano all’interno della fibra. Tutto ciò garantisce dei rapporti rigidezza/ | ||
+ | |||
+ | Le fibre di vetro sono poco costose ma anche poco prestazionali a causa di un rapporto E/ρ (che può essere visto come un coefficiente di alleggerimento) simile all’alluminio; | ||
+ | |||
+ | Il kevlar (fibre aramidiche) ha ottime proprietà di resistenza all’urto grazie ad una buona fase plastica, inoltre è invisibile alle onde elettromagnetiche. Bisogna fare attenzione alla sua grande sensibilità all’umidità. Trova applicazione in tute le situazioni in cui bisogna sopportare bene una sollecitazione impulsiva di crash. | ||
+ | |||
+ | Oggi esistono fibre di carbonio dette High Modulus (tipo Mitsubishi) che hanno prestazioni maggiori di quelle descritte nella slide. Hanno elevata conducibilità termica ed elettrica, attenzione che se accoppiata con l’alluminio si genera un effetto pila e si sgretola. Dove si presenta la necessità di accoppiare telaio in carbonio e telaietto in alluminio bisogna prevedere un’interfaccia isolante in fibra di vetro, anche per un fatto di recupero giochi. I maggiori produttori sono America, Giappone, Turchia e adesso Cina sta iniziando, ma i principali sono appena 3 o 4. | ||
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+ | La matrice ha delle funzioni fondamentali: | ||
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+ | - Tenere insieme le fibre; | ||
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+ | - Trasmettere il carico; | ||
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+ | - Proteggere le fibre da azioni di taglio; | ||
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+ | - Proteggere le fibre da agenti atmosferici e corrosivi. | ||
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+ | Per adempiere a queste funzioni, la matrice deve presentare: | ||
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+ | - Buone caratteristiche meccaniche; | ||
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+ | - Resistenza alla corrosione ed agli agenti atmosferici; | ||
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+ | - Resistenza allo scorrimento fibra-matrice: | ||
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+ | - Elevata tenacità (plasticità), | ||
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+ | Le matrici possono essere: | ||
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+ | - Metalliche (MMC); | ||
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+ | - Ceramiche (CMC); | ||
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+ | - Polimeriche (PMC); | ||
+ | |||
+ | Tra le polimeriche troviamo: | ||
+ | |||
+ | - Termoplastiche: | ||
+ | |||
+ | - Termoindurenti: | ||
+ | |||
+ | La vettura deve essere il più possibile riciclabile e per questo è molto importante il tipo di polimero.Le matrici epossidiche sono le uniche matrici usate in F1, nonostante siano altamente inquinanti. Hanno buon legame fibra-matrice, | ||
+ | |||
+ | Le fenoliche hanno migliore resistenza alle alte temperature, | ||
+ | |||
+ | **Processi di lavorazione** | ||
+ | |||
+ | Per indurire un polimero bisogna dare pressione e temperatura. La pressione serve a compattare fibre e matrice (affinchè non ci siano dentro dei vuoti) e le alte temperatura servono ad accelerare il processo di polimerizzazione della matrice. | ||
+ | Si possono distinguere tre fasi: | ||
+ | |||
+ | -pre gelificazione: | ||
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+ | -curing: si da pressione per compattare a temperatura abbastanza alta; | ||
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+ | -postcuring: | ||
+ | |||
+ | Il problema del ritiro riguarda la scelta fibra-matrice: | ||
+ | |||
+ | L’utilizzo del pre-preg seguito dal processo cura in autoclave è per ora il metodo più diffuso di produzione di forme in fibra di carbonio. Questo metodo risulta “più affidabile”, | ||
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+ | **Metodi di fabbricazione** | ||
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+ | Taglio e stratificazione: | ||
+ | Prima di andare in autoclave si applica del feltro sulle facce non estetiche, che permette l’assorbimento della resina in eccesso, dopodichè si inserisce il tutto in un sacco a vuoto, in questo modo si aumenta il Δp e si eliminano le possibili bolle d’aria. | ||
+ | La stratificazione avviene in clean-room certificate (dal livello aeronautico a quello generalista). La pressione della clean-room è maggiore dell’ambiente e la temperatura è controllata. Per aiutare nel lay-up delle pelle sugli stampi si usano a volte dei proiettori. | ||
+ | In seguito alla cottura, il pezzo deve essere rifilato (come per la bava dello stampaggio) CNC o manualmente. Alle volte il componente non può essere fatto come singolo pezzo, ma si ottiene per incollaggio di pezzi più semplici (solitamente si usa la stessa resina della matrice). | ||
+ | I costi sono principalmente di manodopera: gli stampi sono poco costosi e molto duraturi ma il processo è molto manuale (esattamente l’opposto di uno stampaggio). | ||
+ | In caso in cui si debbano usare molte pelli o avere forme complesse, la distribuzione di resina potrebbe non essere ottimale, dunque il pre-preg risulta essere la migliore scelta per un componente di qualità. | ||
+ | |||
+ | Nella progettazione di un veicolo occorre prestare attenzione, oltre che alla chimica del composito, alla scelta della tecnologia di produzione, che deve essere adatta alle prestazioni e al numero di pezzi da realizzare. | ||
+ | Ad esempio in Formula 1, dovendo produrre pezzi in poche unità, si fa uso del pre-preg e dell' | ||
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+ | **FILAMENT WINDING** | ||
+ | |||
+ | Con questa tecnica vengono realizzati componenti con almeno una assial-simmetria. Il processo consiste nel rendere l' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | **RTM (Resin Transfer Moulding) ** | ||
+ | |||
+ | Tale processo prevede l' | ||
+ | Questa tecnica non è adatta a scopi che richiedono elevate performance poiché il manufatto che si ottiene presenta sempre una percentuale di resina superiore a quella necessaria. | ||
+ | {{ : | ||
+ | {{ : | ||
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+ | |||
+ | **BRAIDING** | ||
+ | |||
+ | Molto simile al Filament Winding. In questo caso però, il moto relativo tra anima e fibra viene realizzato mantenendo ferma la prima e avvolgendo la seconda tramite un rocchetto in movimento: questo viene messo in rotazione attorno all' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Il carbonio assorbe energia mediante la creazione di nuove superfici. La verniciatura di un componente realizzato con questo materiale è delicata poiché richiede un procedimento differente rispetto ai materiali metallici, in quanto la cataforesi (trattamento superficiale di verniciatura in grado di conferire ai materiali metallici resistenza alla corrosione) indebolirebbe il carbonio. | ||
+ | Nei processi produttivi stanno assumendo un ruolo sempre più importante, nell' | ||
+ | |||
+ | - Prova di Shear: per valutare la resistenza a Taglio; | ||
+ | |||
+ | - Prova di Peeling: valuta l' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | **CENNI DI CALCOLO** | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Un' | ||
+ | {{ : | ||
+ | {{ : | ||
+ | Le fratture di queste possono essere di 3 tipi: | ||
+ | - FF = fiber fracture; | ||
+ | - IFF = intra-fiber fracture; | ||
+ | - DELAMINAZIONE = due lamine che si " | ||
+ | |||
+ | E’ molto importante fare delle prove (Shear e Bending, ovvero Taglio e Flessione) sul materiale composito per controllare come sono disposte le fibre. La posizione di queste è fondamentale in termini di resistenza. Queste prove servono ad estrarre i dati (modulo di Young in direzione fibra, modulo di Young trasversale fibra,...) da un materiale, per poi progettare. | ||
+ | La progettazione di un nuovo componente avviene ovviamente mediante simulazioni, | ||
+ | Proprio per questo i sotto componenti di un assemblaggio devo sempre passare per una fase di validazione tramite provini. | ||
+ | Tutto questo procedimento richiede anni di lavoro ed è per questo che il processo di innovazione di una vettura può durare anni. | ||
+ | |||
+ | Nella pratica il materiale viene considerato ORTOTROPO: presenta tre piani di simmetria, per le proprietà meccaniche, ortogonali fra loro. L' | ||
+ | {{ : | ||
+ | Questo significa che se il materiale viene sollecitato lungo una di queste direzioni, si deformerà come rappresentato in figura, senza avere distorsioni dovute allo scorrimento, | ||
+ | La lamina è TRASVERSALMENTE ISOTROPA, vale a dire che nel piano trasversale, | ||
+ | |||
+ | // | ||
+ | |||
+ | E' lo studio delle principali proprietà meccaniche della Lamina a partire da quelle della Fibra, della Matrice e della loro interazione. | ||
+ | La Lamina, nel suo complesso, ovvero macroscopicamente, | ||
+ | Viene quindi applicata la //Regola delle Miscele//: | ||
+ | {{ : | ||
+ | dove, IN QUESTO CASO, si esprime la // | ||
+ | - **V**//f// è il rapporto fra il volume occupato dalle fibre e il volume occupato dalla lamina; | ||
+ | - **V**//m// è il rapporto fra il volume occupato dalla matrice e il volume occupato dalla lamina; | ||
+ | Sostanzialmente le proprietà del composito vengono ricavate come //media pesata// attraverso la percentuale in volume delle corrispondenti proprietà di fibra e matrice. | ||
+ | Tuttavia si deve notare che la Regola delle Miscele è esatta per ciò che riguarda la // | ||
+ | Per calcolare il //modulo di Young// e il //modulo di Poisson//di un manufatto in materiale composito, occorre conoscere per prima cosa le percentuali di fibre e matrice, infine, per la // | ||
+ | |||
+ | //Fibra e Matrice agiscono in PARALLELO// | ||
+ | {{ : | ||
+ | {{ : | ||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | //Fibra e Matrice agiscono in SERIE// | ||
+ | {{ : | ||
+ | {{ : | ||
+ | {{ : | ||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | |||
+ | |||
+ | **IMPOSTAZIONE DI UNA VETTURA** | ||
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+ | Tutta l' | ||
+ | Il punto fondamentale è chiamato HIP JOINT, ed è partire da questo che vengono definiti gli ingombri principali dell' | ||
+ | Vengono individuati il numero di posti che si vogliono predisporre in vettura, la posizione (anteriore o posteriore) del motore, le posizioni delle ruote rispetto al baricentro, e quindi la larghezza e di conseguenza gli ingombri esterni. | ||
+ | Solo dopo aver svolto queste valutazioni preliminari si procede alla progettazione vera e propria del telaio. | ||
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