Introduzione

La parte iniziale della lezione è stata dedicata alla visione di due video relativi la produzione di componenti in fibra di carbonio attraverso il metodo del braiding:

• Nel primo video, al seguente link https://www.youtube.com/watch?v=zOhj7X1-x10, possiamo vedere come è possibili ottenere una struttura trabeiforme con un’anima che può essere a perdere, cioè un’anima che può essere distrutta attraverso un’azione chimica o eventualmente in modo meccanico
• Nel secondo video, al seguente link: https://www.youtube.com/watch?v=IeST0vfDuhw, si può vedere in modo molto più chiaro che nel braiding vi sono dei rotismi che ruotano e vanno ad avvolgere l’anima, dando origine alla struttura trabeiforme. All’interno del video possiamo trovare la descrizione di altre tecnologie per la produzione di materiale composito

E’ consigliata la visione dei video riguardanti la produzione della BMW i3, nei quali possiamo vedere come si parte dalla produzione della fibra di carbonio con varie tecnologie, fino all’assemblaggio dell’auto completa. I video possono essere visionati ai seguenti link:

• https://www.youtube.com/watch?v=gt1k3BLN7pw
• https://www.youtube.com/watch?v=1u7XiBnwPCw
• https://www.youtube.com/watch?v=htuVoxuMQFQ
• https://www.youtube.com/watch?v=kfISmVGCjxg

Il nostro problema è quello di definire dalla tecnologia, il prodotto che riusciamo ad ottenere. Con la denominazione di “materiale composito” si intende una vasta tipologia di materiali; nel nostro caso specifico intendiamo una materiale a fibra lunga di carbonio in matrice di resina epossidica, che è quello più utilizzato nel settore automotive. A seconda di come viene prodotto un componente abbiamo delle caratteristiche finali differenti; per esempio basti pensare alle differenze tra un hand lay-up e un braiding nella produzione di un albero cavo. Per produrre un albero in hand lay-up, si crea uno stampo e controstampo di forma circolare e sulle pareti vado a stendere un plain di carbonio fissato attraverso delle morse e poi si mette il tutto a cuocere all’interno di autoclavi. In questo modo vengono prodotti gli alberi delle imbarcazioni a vela da competizione, utilizzando degli autoclavi per la cottura molto lunghi e stretti. Utilizzando il braiding posso ottenere la stessa forma ma con caratteristiche differenti. Infatti con il braiding riesco ad ottenere un intreccio delle fibre che può essere considerato quasi tridimensionale, mente con il plain di carbonio procedo ad una semplice sovrapposizione di diversi strati. Inoltre il braiding è un processo secco al quale segue un infusione in resina, con conseguente impossibilità di sapere quanta e dove la resina andrà ad indurire con problematiche tecnologiche. Di conseguenza le caratteristiche meccaniche sono differenti nelle differenti direzioni dello spazio, con una forte dipendenza dalla tecnologie produttiva utilizzata a parità di materiale di base di partenza (fibra e matrice). Questo l’avevamo già visto per l’RTM, che si articolava come un processo basato su di una colata di resina su un preformato secco. Uno dei problemi principali di questo tipo di processo produttivo è quello che, per far giungere la matrice in ogni zona non posso avere delle strutture con grosse variazioni di sezione che potrebbero portare alla creazione di vuoti all’interno del composito. In questo caso l’RTM genera un eccesso di resina di resine rispetto alle altre tecnologie (es. autoclave).

In Lamborghini è stata fatta una scelta di multi-tecnologia, con l’utilizzo di tecnologie differenti a seconda del componente da produrre. Questo è messo in evidenza in una presentazione che ha come protagonista la Lamborghini Aventador, vettura che presenta un telaio ibrido composto da un abitacolo in carbonio e un retrotreno in alluminio.

Andiamo ad analizzare alcuni componenti della vettura ed in particolare quali processi produttivi sono stati adoperati:

• Il montante anteriore (pillar) è stato realizzato con il braiding
• Il tetto è realizzato in prepreg external con una particolare attenzione al problema della finitura superficiale; infatti possiamo vedere come sia messa in evidenza la specifica” Classe A”. Questa specifica va ad indicare la finitura superficiale che bisogna ottenere su di un componente, cioè mi indica il massimo grado di finitura superficiale che posso ottenere senza imperfezioni di forma.
• La vasca dell’abitacolo è realizzato in RTM; inoltre presenta delle travi di rinforzo realizzate in braiding e dei prepreg in altre parti che fungono da chiusura
• Vari inserti in alluminio che servono a collegare il telaio in carbonio con quello in alluminio

Per poter unire componenti realizzate con tecnologie differenti utilizzo il processo di incollatura, che va ad unire i vari componenti dell’auto. La tecnologia dell’incollaggio sta prendendo sempre più piede e viene unita all’utilizzo di rivetti, che hanno il solo scopo di chiusura ed evitare in caso di incidenti che i vari componenti possano distaccarsi dal corpo vettura. La colla è sempre più utilizzata, soprattutto nel caso di telai multi materiale dove viene a mancare la possibilità di saldare materiale differenti a causa di incompatibilità chimica, come nel caso dell’acciaio con l’alluminio, oppure l’impossibilità di portare ad alte temperature un materiale, come nel caso della fibra di carbonio in cui la resina non resiste ad alte temperature. Ultimamente le colle strutturale le possiamo trovare anche nell’unire tra loro componenti in alluminio con altri in alluminio, questa perché il processo di saldature genera alte temperature che vanno a distorcere il componente causando problemi con le tolleranze. Inoltre, in prossimità del cordone di saldatura si creano delle zone termicamente alterate che vanno ad abbassare le caratteristiche meccaniche dei due materiali che vado a saldare. Quindi utilizzando un incollaggio vado a distorcere poco la struttura con il vantaggio di poter mantener inalterate le catene di tolleranze. Normalmente lo spessore di incollaggio è di 0.2mm e non vado ad utilizzare spessore di incollaggio maggiori perché riscontrerei una perdita di rigidezza. Le colle strutturali dei telai multimateriale hanno un modulo di Young di circa 3000-5000 Mpa, che confrontato con quelli dell’alluminio, del carbonio o dell’acciaio è un valore molto basso. Se lo strato di colla in un telaio multimateriale fosse di qualche millimetro, andrebbe a costituire una sorta di “tappetino soffice” causando una perdita di rigidezza. Nel telaio della BMW i3 però, che è un dual-frame formato da una vasca in carbonio e una struttura in alluminio, è presente uno spessore di colla elevato (5-6 mm). Ciò è fatto perché quando materiali diversi vengono assemblati insieme ci sono problemi per le giunzioni e per le distorsioni termiche. Siccome l’alluminio si dilata molto con la temperatura a differenza del carbonio, la colla viene sollecitata a taglio a causa delle diverse distorsioni.L’utilizzo di colle nei telai è dovuta a queste problematiche e non per i costi. Infatti la colla richiede una preparazione delle superfici molto accurata e onerosa. Se le superfici da incollare sono sporche la colla non attacca e compromette tutta la tenuta del telaio.

Queste slide mostrano il problema delle Repair Techniques per i telai in fibra di carbonio. Si mostrati i componenti e il loro processo produttivo. I componenti sono prepreg con braiding cobonding. Le Repair Techniques sono molto importanti perché consentono di evitare di scartare i pezzi danneggiati. Quindi occorre trovare il danno e riparlo. Infatti se avviene un incidente con un’auto utilitaria, di fascia bassa, i danni che il telaio metallico subisce sono facili da individuare. In un telaio con fibra di carbonio i danni sono quasi invisibili all’occhio umano ed occorre utilizzare tecniche speciali e costose. Per scovare piccole delaminazioni (da cui partiranno cricche portando ad una rottura di schianto) nel materiale composito è necessario sottoporre il componente ad una tomografia ai raggi X. La tomografia è una tecnica derivante dall’ambito medico che consente di osservare il pezzo, sezione per sezione, senza dover intervenire fisicamente e direttamente sul pezzo. Uno degli ostacoli più grandi alla diffusione nel mercato della fibra di carbonio è quindi trovare tecnologie economiche per consentire l’individuazione, la riparazione, il riciclaggio e il riutilizzo dei pezzi. I telai multimateriale sono impiegati per l’abbattimento dei pesi. Ma com’è possibile individuare le caratteristiche finali del telaio così fabbricato?

Esistono due possibili approcci. Uno è lo studio delle lamine attraverso la meccanica della lamina, in cui si indaga sulle proprietà delle singole layer. L’altro invece è lo studio dei laminati attraverso la meccanica dei laminati in cui si analizzano materiali formati da più layer impacchettate. La foto(mostrata dal prof ma non disponibile ) mostra la sezione di un braccio della sospensione della f1. Si possono notare i vari strati di cui è composto il pezzo. Sembra un libro che ha assorbito umidità, i vari plain sono increspati. Le zone chiare sono delaminazioni. Il braccio delle sospensioni è composto quindi da carbonio a fibra lunga in matrice epossidica. Quindi è un materiale anisotropo ed eterogeneo in generale. Se le fibre sono disposte lungo la direzione 1, e non lungo le altre direzioni 2 e 3 (direzioni trasversali) e sono alto-resistenziali, la rigidezza in direzione 1 sarà completamente diversa rispetto alla rigidezza lungo le direzioni 2 e 3. Le proprietà resistenziali misurate in direzione 1 saranno molto migliori rispetto alle direzioni 2 e 3. Una singola lamina, indipendentemente dalla trama dell’intreccio, è considerabile come ortotropa. In un materiale ortotropo esistono tre direzioni tra di loro ortogonali che non producono scorrimenti se la trazione avviene lungo una di queste tre direzioni, ma producono solamente deformazioni lineiche, quindi epsilon. Ad una sigma non corrisponderà una gamma ma solo una epsilon. Come si nota nella slide nei due casi mostrati di trazione. Il primo caso a sinistra, la provetta svergola perché la trazione non avviene lungo le direzioni principali (le fibre sono disposte a 45 gradi rispetto alla direzione di trazione). Nell’altro caso invece la trazione avviene lungo una direzione principale, quindi non c’è svergolamento, ovvero le gamma sono nulle e ci saranno solo deformazioni epsilon. La singola lamina sarà considerata come ortotropa e la rottura avverrà per la resina, non per le fibre, sia che venga tirata lungo 2 che lungo 3. L’isotropia c’è solo trasversalmente e non longitudinalmente.Se sono note solo le proprietà dei materiali di partenza che costituiscono il composito (matrice e rinforzo) come si calcolano le rigidezze lungo 1 e 2, le resistenze lungo 1 e 2, la densità il coefficiente di poisson e il modulo di elasticità tangenziale del composito finale? Attraverso la regola delle miscele. La regola delle miscele non è esatta, può portare a risultati anche errati del 20-30% rispetto al dato sperimentale, ma da un’idea dell’ordine di grandezza delle caratteristiche del composito.

• Ef= modulo elasticità della fibra
• Em= modulo elasticità della matrice
• Rf= carico di rottura della fibra
• Rm= carico di rottura della matrice
• Nuf= modulo di poisson della fibra
• Num= modulo di poisson della matrice
• Rhof= densità della fibra
• Rhom= densità della matrice
• Gf= modulo di elasticità tangenziale della fibra
• Gm= modulo di elasticità tangenziale della matrice

La lamina, nella regola delle miscele viene considerata macroscopicamente omogenea. Fibra e matrice, prese singolarmente, sono considerate omogenee, elastico-lineari e isotrope. Come faccio quindi a sapere che caratteristiche avrò mettendo insieme una certa fibra con una matrice? Uso sempre la regola della miscela.

Vm: volume occupato dalla matrice/volume della lamina. Vf: volume occupato dalle fibre/volume della lamina. (dove ρsono le densità). Analizzando il caso in direzione 1, ossia con le sollecitazioni parallele alla direzione delle fibre:

Dove il modulo di elasticità è la media pesata dei due:

La resistenza è idealmente molto alta se la sollecitazione è molto alta, in realtà non è proprio così a causa della qualità dell’incollaggio delle fibre, che spesso è la prima cosa a cedere piuttosto che rompersi le fibre. La formula per la resistenza a rottura (che ci da solo un’idea della resistenza effettiva) è:

Per il caso di sollecitazione ortogonale alle fibre invece:

In questo caso la rigidezza è molto molto più bassa perché si rompe direttamente la matrice.

Una volta ottenuti i moduli di elasticità e la resistenza del composito e i coefficienti di Poisson con le formule precedenti o con delle prove sperimentali, abbiamo le resistenze della nostra lamina. Se il materiale è anisotropo quante costanti caratteristiche dovrò avere? Ne avrei 21 da inserire nel software fem. Devo sapere soprattutto quante prove dovrò fare per la progettazione.

Nel caso in cui avessi le sollecitazioni non parallele o perpendicolari alle fibre dovrei utilizzare una matrice di rotazione. Essendo m ed n seni e coseni.

Grazie a questa matrice siamo sempre in grado di risalire alla sollecitazione σ1, σ2 e τ12 qualunque sia il valore di θ. Criterio della Massima Energia di Distorsione (Tsai-Hill):

Tiene conto dell’interazione fra le tensioni in direzioni diverse. Se il risultato è maggiore di 1 il materiale si rompe, se resta al di sotto di 1 resiste. Grazie a questo criterio posso tracciare un’unica curva.

Differentemente dall'applicazione indipendente dei criteri di criticità sulle singole compononenti di tensione ($\sigma_1<\sigma_{1\mathrm{,crit,traz}}$, $\sigma_2<\sigma_{2\mathrm{,crit,traz}}$, $\left|\tau_{12}\right| < \tau_{12\mathrm{,crit}}$ ) che ci restituisce una curva discontinua (spezzata):

Da questi due grafici si desume che la resistenza a rottura è molto alta in direzione della fibra e molto bassa (quasi 0) in direzione ortogonale alla fibra. Pertanto è fondamentale allineare le fibre per evitare rotture quasi istantanee.

Leonardo Lupo 104212, Michele Zanetti 103870, Marco lo Polito 104712, Andrea Cannavera 101892

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