anno VII - numero 26 dicembre 2012

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PresidenteAssocompositi

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From aerospace materials solutions for the environmentThe recent interest of car manufacturerstowards the use of high-performancecomposites for lighter hybrid or electric carsfor city and suburban, is rapidly changing thecomposites market worldwide.

The strong impulse to reduce the cost ofcarbon fiber and the working hours requiredfor components production are producing aseries of innovations that goes from thecollaboration between the aerospace andautomotive industries to the development ofnew resins and innovative productionprocesses. These technologies -unimaginable only few years ago - areintended to generate a positive impact on allsectors and to open up new potentials forapplication in those industries that have notyet adopted composite materials for costreasons, although a remarkable market interms of production volumes.

Assocompositi initiatives for the next twoyears will focus on these new developments,no coincidence our next National Conferencewill be held in Turin and will involve themajor Italian players of aerospace andautomotive for an in-depth discussion of thetechnical and strategic aspects of thecomposite material sector.

Il recente interesse dei costruttori di

autovetture verso l’utilizzo dei compositi ad

elevate prestazioni, per l’alleggerimento delle

vetture ibride o elettriche per impieghi urbani

ed extraurbani, sta cambiando rapidamente

il mercato dei compositi in tutto il mondo.

La forte spinta a ridurre il costo delle fibre di

carbonio e i tempi necessari per la produzione

dei componenti stanno generando una serie

di innovazioni che vanno dalla collaborazione

tra l’industria aerospaziale e quella

automobilistica allo sviluppo di nuove resine

nuovi processi produttivi. Queste tecnologie,

impensabili fino a pochi anni fa, sono destinati

ad avere ricadute positive su tutti i comparti

ed aprire nuove prospettive di applicazione

anche in quei settori industriali che finora non

hanno adottato i materiali compositi per ragioni

di costo, ma che costituiscono un mercato

formidabile in termini di volumi produttivi.

Le iniziative di Assocompositi per il prossimo

biennio si focalizzeranno su questi nuovi

sviluppi. Il prossimo convegno nazionale

seguendo queste tendenze sarà tenuto a

Torino e coinvolgerà i principali attori italiani

dell’aerospazio e dell’auto in approfondita

discussione degli aspetti tecnici e strategici

del settore.

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MATERIALI 25Le fibre di basalto per la nauticaAntonio Del Mastro

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NAUTICA 33Sostenibilità: questione di progettoSustainability: a matter of designAndrea Ratti, Maurizio Valle

SPECIALE NAUTICA 46

TECNOLOGIE 51RTM per applicazioni strutturaliRTM for structural applicationsMauro Maggioni, Federico Ciatto

VETRINA 60

COMPOTEC 2013 64Al via la 5° Rassegna Internazionale

>>

5Compositi

VITA ASSOCIAZIONE 6

STRUMENTI 8Ottimizzare la progettazione di pale eolicheDesign optimization of wind turbine bladesCarlo L. Bottasso

PROCESSI 22La tessitura della fibra di carbonioAdalberto Horak

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S o m m a r i oAnno VII – Numero 26

Year VII – Issue 26

Dicembre 2012Decembre 2012

Periodicità trimestraleQuarterly review

Registrazione al tribunale diMilano n. 189 del 20/03/2006

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Photo type – settingLodovico Pieropan

Stampa - Printed byGrafteam

È vietata la riproduzione, ancheparziale, senza l’autorizzazione

della casa editrice Reproduction even partial is

forbidden, without the permissionof the publisher

Direttore responsabile Publishing manager

Liliana Pedercini

Coordinamento di redazione Editing Co-ordination

Anna Schwarz

Ufficio CommercialeSales office

Ramona Foddis

Comitato Tecnico - ScientificoTechnical Scientific Committee

Luigi AscioneAndrea Benedetti Roberto FrassineAlfonso Maffezzoli

Orazio Manni Mario Marchetti

Claudio Migliaresi Carlo Poggi

Marino Quaresimin Andrea Ratti

Giuseppe Sala Antonino ValenzaMaurizio Vedani

A questo numero hannocollaboratoContributors

Carlo L. Bottasso Federico Ciatto

Antonio Del MastroAdalberto HorakMauro Maggioni

Andrea RattiSimona TiburtiniMaurizio Valle

6 Compositi

Call for papers 3° Convegno Nazionale Assocompositi

QUOTE SPONSOR AZIENDALI

AREE TEMATICHE

Aerospazio

Applicazioni industriali

Costruzioni

Ecosostenibilità

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SCADENZE

Presentazione abstract1°marzo 2013

Accettazione10 aprile 2013

Pagamento iscrizione30 aprile 2013

Invio full paper per gli atti28 giugno 2013

QUOTE D’ISCRIZIONE INDIVIDUALI

• 3 giornate: 500 Euro (ridotta: 350 Euro)• 1 giornata: 300 Euro (ridotta: 200 Euro)• studenti (3 gg): 150 Euro (ridotta: 100 Euro)

Le quote ridotte sono riservate agli oratori, ai Soci Assocompositi,Soci SAMPE e Soci Torino Piemonte Aerospace.

Cena Sociale: 75 Euro

I desk espositivi saranno collocati nella storica Sala delle Colonne del Castello del Valentino.

Platinum: 2.300 Euro• DESK (tavolo con due sedie)• due quote di iscrizione individuali

per tre giorni• logo in evidenza sui monitor

della sala convegni• logo di grandi dimensioni

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• depliant inserito nello shopper del Convegno

• 5 ingressi omaggio per una giornata da distribuire ai clienti

Gold: 1.800 Euro• DESK (tavolo con due sedie)• due quote di iscrizione individuali

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Pacchetti giornalieri clienti: 600 EuroA tutti gli sponsor è offerta la possibilitàdi acquistare un pacchetto clienti da 5ingressi per una giornata.

Le informazioni aggiornate sul Convegno e le schede d’iscrizione sono disponibili nel sito www.assocompositi.ito possono essere richieste direttamente alle sopraindicate segreterie.

Segreteria Tecnica AssocompositiSimona Tiburtinitel: 348 0105920email: info@assocompositi.it

Segreteria Organizzativa EventumAlessandra Gianitel: 340 9228229email: eventum@eventum.it

Dal 22 al 24 maggio 2013Assocompositi organizza il suo 3° Convegno Nazionale presso la sededel Politecnico di Torino al Castello del Valentino in collaborazionecon Torino Piemonte Aerospace (un pro-getto della Camera di Commercio diTorino gestito da Ceipiemonte) e con il Politecnico di Torino.

La partecipazione al Convegno costitui-sce un’ottima opportunità di incontro edi scambio di informazioni ad alto livelloper ricercatori, professionisti ed aziendedel settore su materiali, tecnologie edapplicazioni. I contributi dovranno essere presentatisotto forma di abstract (formato .doc elunghezza indicativa non superiore a

2000 caratteri) e non potranno esserepresentazioni commerciali. Gli abstract dovranno contenere titolo,nome degli autori, affiliazione, indirizzocompleto ed e-mail ed essere inviati a:ufficiostampa@assocompositi.it entro il 1° marzo 2013 con l’indicazionedi una delle aree tematiche riportatenella tabella.

Compositi

ASSOCOMPOSITI A SAE 2013Dal 29 al 31 gennaio a Torino l’Associazione prenderà parte con un desk istituzio-nale a SAE 2013, importante simposio internazionale dedicato alla progettazione,produzione e al mercato dei materiali compositi.

Partecipazione a Compotec 2013Assocompositi prende parte con uno stand all’edizione 2013 di Compotec e Seatec,che si terrà presso Carrara Fiere dal 6 all’8 febbraio. Il giorno 7 l’Associazione orga-nizza il seminario “Impatto ambientale dei compositi: recenti sviluppi e normativa”dedicato all’importante e attualissima tematica del riciclo dei compositi a livello nazio-nale e europeo.

Tavolo di lavoro per la qualificazione FRCMInformiamo i Soci del settore costruzioni che proseguono i lavori del Tavolo di LavoroAssocompositi per la stesura di Linee Guida per la qualificazione ed il controllo di mate-riali compositi fibrorinforzati a matrice inorganica (FRCM) impiegati per il consolida-mento strutturale di edifici esistenti. In vista di una nuova riunione della CommissioneMinisteriale, i produttori sono invitati a preparare e inviare ad uno dei laboratori univer-sitari aderenti all’iniziativa una serie di provini per ogni tipologia oggetto della certifica-zione seguendo le indicazioni già fornite dalla nostra segreteria.

CALENDARIOPROSSIMI EVENTI 2012

FIERE■ 7-10 gennaio, Dubai (Emirati Arabi)Composites Arabia 2013

■ 29-31 gennaio, Orlando (USA)ACMA Composites 2013

■ 6-8 febbraio (Marina di Carrara)Seatec & Compotec 2013

■ 26-28 febbraio, Mosca (Russia)Composite-Expo 2013

■ 4-5 marzo, Melbourne (Australia)Composites Australia 2013

■ 12-14 marzo, Parigi (Francia)JEC Europe 2013

CONVEGNI■ 29 - 30 gennaio, Torino (Italia)SAE 2013

■ 25-27 febbraio, Vienna (Austria)Wood-Plastics Composites 2013

■ 11-12 marzo, Parigi (Francia)SEICO 2013

∎ Nuovi SociSiamo lieti di dare il benvenuto tra i nostrinuovi Soci Industriali alle seguenti aziende:

• Airex: con i suoi prodotti dal marchioAIREX ® e Baltek ® è uno dei principali pro-duttori mondiali di materiali d’anima. Èun’azienda innovativa che dà grande impor-tanza e valore all’introduzione di tecnologiemoderne ed eco-compatibili per la produ-zione di strutture light-weight.

• Ardea Progetti e Sistemi: produttoredei sistemi di rinforzo BETONTEX®, costi-tuiti da nastri mono e multi direzionali abase di fibre di carbonio e di fibre specia-li ad alto modulo legate da una leggeris-sima trama di vetro, termo fissata, acaldo, specificatamente progettati perapplicazioni in edilizia, rinforzo e recuperostrutture in cemento armato ed operemurarie in generale.

• Gazechim Compositi Italia: distributore inesclusiva delle resine poliesteri e dei gelcoat CCP Composites, delle resine polieste-ri Polynt e delle fibre di vetro prodotte daOCV. Propone un vasto assortimento di addi-tivi ed ausiliari per compositi, inclusi i cata-lizzatori per resine poliesteri dell’Arkema edella Oxido, le cere prodotte da TR Industriese gli adesivi strutturali Simson, utilizzati perl’incollaggio di vari materiali sulla vetroresi-na, compresi legno e plexiglass.

• ZEC: dal 1958 è sinonimo di qualità supe-riore, di eccellenti prestazioni e di massimaconformità ai requisiti di sicurezza previstidalla EN 13743. I dischi semiflessibili ZECsono ideali per la lavorazione dei materialicompositi nelle fasi di smussatura e sfran-giatura e sono apprezzati nel settore nauti-co, nella produzione di tubazioni e pale eoli-che e nella costruzione di manufatti in mate-riale composito.

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8 Compositi

di Carlo L. Bottasso

Strumenti

Ottimizzare la progettazione di pale eoliche

Presso il Politecnico di Milano è stato sviluppato un software per la progettazione di pale perturbine eoliche. In questo articoloviene descritto l’uso di questostrumento nella progettazione di pale per macchine multi-MW concaratteristiche di mitigazione passivadel carico, ottenute sfruttando gli accoppiamenti indotti dall’uso di materiali compositi anisotropi.

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I l problema della progettazione aerostrut-turale delle pale di un rotore eolico ri-guarda la definizione della forma

aerodinamica esterna ottimale e dei com-ponenti strutturali della pala che raggiunga-no compromessi desiderabili tra diversecifre di merito, inclusi efficienza aerodina-mica, peso, costo di produzione, trasporta-bilità, ecc. Tutti questi aspetti vengonosolitamente considerati e la soluzione dimiglior compromesso viene definita nel-l’ambito del problema più generale dellaprogettazione dell’intera turbina eolica (fi-gura 1), dove l’obiettivo è tipicamente laminimizzazione del costo dell’energia.Questo articolo affronta la progettazionestrutturale di pale eoliche per una asse-gnata forma aerodinamica. Sebbene que-sto sia solo un aspetto del problema piùgenerale della progettazione di una pala edi una turbina eolica, come menzionatosopra, è nondimeno un compito comples-so ed impegnativo. Infatti la progettazionedovrebbe identificare la configurazionestrutturale ottimale, la scelta dei materialied il dimensionamento appropriato di tuttele parti in modo da assicurare un funziona-mento economico, sicuro ed efficiente pertutta la vita della macchina. Dati configura-zione e materiali, il problema di dimensio-namento dovrebbe essere affrontato inmodo tale che tutte le componenti dellapala (dai longheroni, alla pelle e solette,alla zona di radice della pala, fino allegiunzioni incollate ed ai rinforzi, ecc.) pos-sano sopportare carichi estremi oltre alla

>>

fatica indotta da cicli deterministici edeccitazioni turbolente stocastiche. Inol-tre, la pala dovrebbe essere progettatain modo tale da evitare condizioni di riso-nanza, le quali incrementerebbero vibra-zioni e fatica, essere sufficientementerigida da evitare di urtare la torre anchein condizioni operative estreme, essereesente da flutter in tutto il campo di fun-zionamento, ed essere anche priva di in-stabilità locali quali il buckling dellapelle e di altri elementi strutturali. Laprogettazione dovrebbe anche essere ingrado di sfruttare appieno le proprietàanisotrope dei materiali compositi, peresempio in modo da indurre accoppia-menti tra flessione e torsione che atte-nuino i carichi [2]. Chiaramente questiobiettivi dovrebbero essere raggiunti colminimo costo possibile, soddisfacendoal contempo tutti i vincoli di produzione.La sfida principale in questo complessoproblema di progettazione viene dallanecessità di conciliare la natura variabi-

le del carico in una turbina eolica, che ri-chiede analisi in regime transitorio, conil bisogno di cogliere effetti locali qualile concentrazioni di sforzi e le instabilitàin strutture tridimensionali complessecostruite con materiali compositi aniso-tropi. Le analisi dei transitori sono co-munemente effettuate con modelli atravi della dinamica della macchina, ac-coppiati ad appropriati modelli aerodina-mici e leggi di controllo che permettonola simulazione di tutto lo spettro di con-dizioni operative, definendo i valoriestremi di carichi e deflessioni cosìcome le sollecitazioni a fatica. D’altraparte, la verifica dello stato locale disforzi e tensioni e della stabilità è tipica-mente condotta con modelli dettagliatiagli elementi finiti 3D, utilizzando condi-zioni di carico ottenute da quelle calcola-te con i modelli dinamici.Al momento attuale, questa analisi indue fasi viene generalmente eseguita “amano”: dopo un dimensionamento preli-

minare compiuto usando un modello ae-roelastico a travi (detto nel seguito“grossolano”), si esegue una verifica piùraffinata usando un modello FEM 3D(detto nel seguito modello “fine”) e sicorregge poi ogni possibile difetto, peresempio aumentando lo spessore o lasequenza di laminazione di un compo-nente. Eventualmente il risultato dellaverifica fine è usato per aggiornare il mo-dello dinamico più grossolano, ed il pro-cesso è ripetuto fino a convergenza.Chiaramente questa procedura è dis-pendiosa in termini di tempo e molto la-boriosa. Inoltre, la progettazione nonviene condotta secondo una vera otti-mizzazione integrata, il che potrebbeportare a risultati non ottimali.Per migliorare il metodo attuale di pro-gettazione di pale per rotori eolici, il la-boratorio POLI-Wind del Politecnico diMilano ha sviluppato degli strumentisoftware che conducono la progettazio-ne in modo completamente integrato ed

9Compositi

Politecnico di Milano

Fig.1: La natura multidisciplinare e multi-obiettivo della progettazione di turbine eoliche

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automatizzato. Una descrizione piùcompleta e tecnica dei modelli e meto-di implementati in questo software edelle applicazioni finora sviluppate èdata nei Rif. [1,2,3].

PROGETTAZIONE STRUTTURALEAUTOMATIZZATA La figura 2 illustra l’ottimizzazione vin-colata multilivello per la progettazionestrutturale di pale per turbine eoliche,che è implementata nel codice di proget-tazione Cp-Max (Code for PerformanceMaximization) sviluppato negli ultimianni al Politecnico di Milano.Come punto di partenza per l’ottimizza-zione è richiesta una definizione inizialedella configurazione strutturale dellapala e delle proprietà dei materiali adessa associate. Successivamente, in

corrispondenza di alcune sezioni sceltelungo l’apertura della pala, vengono de-finite le principali variabili di progetto,che tipicamente includono gli spessoridei rivestimenti, longheroni e solettecosì come l’area dei rinforzi del bordod’attacco e d’uscita; i valori intermedi diqueste quantità lungo tutta la pala sonointerpolati usando funzioni di forma.Sulla base di questi e di tutti gli altridati di input necessari, viene sviluppatoun modello aeroservoelastico completousando il codice di simulazione per tur-bine eoliche Cp-Lambda (Code for Per-formance, Loads, Aeroelasticity byMulti-Body Dynamic Analysis). Cp-Lamb-da è un software avanzato di simulazio-ne aeroservoelastica multicorpo, basa-to su una formulazione in coordinatecartesiane, dove i vincoli tra i vari corpi

del sistema sono imposti utilizzando imoltiplicatori di Lagrange. Le pale sonodescritte usando un modello di trave de-formabile a taglio e torsione geometri-camente esatto, che può rappresentarerotazioni e spostamenti tridimensionaliarbitrariamente grandi; la discretizzazio-ne spaziale è ottenuta utilizzando unaformulazione isoparametrica, che portaad un metodo agli elementi finiti non li-neari. L’integrazione temporale delle ri-sultanti equazioni del moto del sistemamulticorpo, in forma di equazioni diffe-renziali algebriche di indice 3, è ottenu-ta mediante uno schema di integrazionenon lineare incondizionatamente stabilecon decadimento dell’energia. Il codicepermette analisi statiche e dinamiche,così come il calcolo delle frequenze edella forma dei modi di vibrare intorno a

s Strumenti Ottimizzare la progettazione di pale eoliche >>

11Compositi

Fig.2: Ottimizzazione multilivello nella progettazione strutturale di una pala di turbina eolica

configurazioni di equilibrio deformato. In posizioni scelte dal-l’utente lungo l’apertura della pala, vengono calcolate matri-ci di rigidezza della sezione che tengono conto di tutti i pos-sibili accoppiamenti strutturali; ciò viene realizzato tramitel’uso del codice ANBA (Anisotropic Beam Analysis), che dis-cretizza la sezione o mediante mesh 2D a elementi finiti omediante pannelli equivalenti. Il modello aeroservoelasticodella macchina è completato da una strategia di regolazionee da un controllore in passo e coppia, come richiesto per go-vernare la macchina in tutto il suo inviluppo operativo.Con questo modello aeroservoelastico ad anello chiuso pos-sono essere simulate condizioni di progetto (design loadcases, DLC) che includono venti turbolenti, raffiche estreme econdizioni di guasto, secondo linee guida di certificazionequali le IEC-61400 o le GL. Procedure automatizzate gestisco-no il post-processing di tutti i risultati generati, per definire gliinviluppi di carico su ogni sezione della pala, inviluppi costitui-ti da matrici contenenti i valori delle risultanti massime e mi-nime delle azioni interne.Usando gli inviluppi di carico, ad ogni nuova iterazione il soft-ware calcola tutte le variabili di progetto di interesse, cosìcome la massima deflessione dell’estremità, gli stati di sfor-zo e deformazione in punti di verifica sulle sezioni di interes-se tramite relazioni di recupero fornite da ANBA, ed il livello didanneggiamento a fatica negli stessi punti di verifica. Questequantità sono quindi imposte come vincoli di disuguaglianzaper il problema di ottimizzazione.Il codice calcola anche il diagramma di Campbell della macchi-na, in modo che le condizioni di vincolo che garantiscono unaprogettazione esente da risonanze possano essere inclusenell’ottimizzazione. Inoltre, si possono includere vincoli addi-zionali sui parametri di progetto incogniti, quali limiti sui rateidi variazione degli spessori lungo l’apertura della pala o sullaposizione relativa tra il centro di gravità di una sezione e l’as-se di variazione passo.La funzione di merito del problema di ottimizzazione è rappre-sentata dalla massa totale della pala, o da un modello dicosto, se disponibile. La massa della pala è calcolata in basealla geometria e materiali e include anche masse non struttu-

12 Compositi

sFig.3: Inclinazione delle fibre rispetto all’asse di passo per indurre un comportamento di riduzione del carico in pale eoliche

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rali dovute al rivestimento superficiale,allo riempitivo, alla resina assorbita,ecc.L’ottimizzazione multidisciplinare vinco-lata è eseguita fino a convergenza usan-do l’algoritmo sequential quadratic pro-gramming (SQP). Al fine di ridurre ilcosto computazionale, l’ottimizzazione èeseguita per un inviluppo di carico fissa-to; una volta che il costo dell’ottimizza-zione converge, viene generato un nuovomodello aeroelastico della turbina eolicaseguendo i passi descritti in precedenzae le necessarie analisi vengono ripetutefinché nessun cambiamento è più rileva-to nell’inviluppo di carico e nel valoredelle variabili di progetto, cosa che tipi-camente richiede pochissime iterazioni.Questa procedura minimizza il numero divalutazioni dell’inviluppo di carico, cosìda ridurre il costo computazionale.Dalla geometria calcolata della pala il co-dice genera automaticamente un model-lo CAD 3D, che tiene dettagliatamenteconto di tutti i componenti (longheroni,flange, solette, rinforzi dei bordi d’attac-co e d’uscita, pelle e riempitivi) e delleproprietà dei materiali e caratteristichedel laminato ad essi associate. La crea-zione della mesh della pala è eseguita inmodo completamente automatico usan-do elementi a guscio o solidi, ed il model-lo FEM è esportato in formati compatibi-li con vari solutori FE commerciali.Il modello FE 3D è utilizzato per la verifi-ca fine dei vincoli di progetto associati ai

valori ammissibili di sforzi, deformazio-ni, deflessioni e danneggiamento a fati-ca, in quanto il modello dettagliato rive-la effetti che potrebbero essere stati tra-scurati dal modello quasi-3D costituitodal modello a travi 1D e dai modelli se-zionali 2D. Per esempio, le concentrazio-ni di sforzi locali agli estremi delle solet-te o nelle regioni con rapide variazioni digeometria non possono essere rappre-sentati correttamente da modelli a travi,perché in questi casi le ipotesi stesseche sono alla base delle teorie delletravi sono violate. Nel caso in cui sianorilevate violazioni dei vincoli al livellofine, il ciclo di ottimizzazione al livellogrossolano è ripetuto con limiti sui vin-coli modificati proporzionalmente all’en-tità della violazione. Le iterazioni al livel-lo grossolano e fine, illustrate in figura2, sono ripetute finché non venga rag-giunta una soluzione ottimale che soddi-sfi le condizioni di vincolo al livello di de-scrizione più raffinato.Inoltre, il modello 3D può essere utilizza-to per progettare componenti strutturalisecondari, come per esempio lo spesso-re del riempitivo della pelle usato perevitare il buckling, per mezzo di un’ana-lisi linearizzata di stabilità. Ciò influiscea sua volta sulla massa non strutturaledel modello della pala, portando a unastima migliorata della funzione di costo.Questo cambiamento nella massa influi-sce sull’analisi al livello grossolano, cheè quindi ripetuta fino a convergenza;

questa si ottiene solitamente nel giro dipoche iterazioni.

APPLICAZIONILe procedure di progettazione automa-tizzata descritte in questo lavoro sonostate applicate a diversi progetti indu-striali e di ricerca. Limitazioni di spazioprecludono la descrizione approfonditadi un’applicazione completa; tuttavia vo-gliamo descrivere qui brevemente unprogetto interessante dove l’uso dellecapacità di progettazione integratesopra descritte si è dimostrato partico-larmente utile.La mitigazione passiva dei carichi puòessere ottenuta progettando una palache, quando soggetta a carico a causadi, ad esempio, raffiche e/o fluttuazioniturbolente del vento, si deformi in mododa indurre una riduzione del carico stes-so. La soluzione classica per ottenerequesto comportamento strutturale èstata quella di progettare pale con uncerto grado di accoppiamento flessio-tor-sionale (bend twist coupling, BTC). Infat-ti il BTC implica che, quando la pala siflette a causa di aumenti di carico, laconseguente torsione influenzerà il cari-co aerodinamico attraverso un cambia-mento dell’angolo di attacco. Questaforma di attenuazione del carico è inlinea di principio molto attraente graziealla sua natura completamente passiva:non ci sono attuatori che si possono gua-stare, nessuna parte mobile che si può

Ottimizzare la progettazione di pale eoliche >>

13Compositi

Fig.4: Angolo di attacco all’80% dell’apertura per una raffica di vento corrispondente alla DLC 1.5 a 25 m/s

usurare, e non c’è necessità di sensori,tutte caratteristiche che sono molto inte-ressanti per le turbine eoliche, dove lasemplicità, la bassa manutenzione e l’al-ta disponibilità sono punti chiave per lariduzione del costo dell’energia.Un modo per realizzare una pala dotata dicomportamento BTC è quello di sfruttarele proprietà meccaniche anisotrope deimateriali compositi: come illustrato in fi-gura 3, gli effetti di accoppiamento desi-derati possono essere ottenuti ruotandole fibre del materiale composito rispettoall’asse di passo nelle solette ed even-tualmente nella pelle di rivestimento.Tuttavia, come spesso avviene nella pro-gettazione di turbine eoliche o di altri si-stemi ingegneristici complessi, i benefi-ci del BTC possono essere accompagna-ti da effetti indesiderati, come l’aumen-to del peso, della complessità di produ-zione ed eventualmente del costo. Peresempio, quanto il BTC è ottenuto spo-stando la direzione delle fibre rispettoall’asse della pala, si ottiene anche,come effetto collaterale, una riduzionedella rigidezza flessionale. Per pale incui la rigidezza flessionale è dettata dalsoddisfacimento della massima defles-sione dell’estremità della pala e/o dalvalore della prima frequenza di vibrazio-ne, è necessario ripristinare la rigidezzastessa, per esempio aumentando lospessore delle solette, il che a sua voltaimplicherà un certo aumento di peso.Per tenere conto di questi effetti com-

plessi, l’uso di un software di progetta-zione come quello qui descritto si dimo-stra essere estremamente utile.Le procedure di progettazione automa-tizzata implementate in Cp-Max sonostate usate per il progetto di due diffe-renti pale da 45 m per una turbina eoli-ca di Classe IIIA da 2 MW, come piùcompiutamente descritto nel Rif. [2]. Laprima pala adotta una configurazioneconvenzionale, mentre la seconda im-plementa una soluzione BTC con rota-zione delle fibre nelle solette (5°) enella pelle (20°), a partire dal 30% del-l’apertura (cioè dal punto di massimacorda verso l’estremità della pala). En-trambe le pale soddisfano esattamentegli stessi vincoli progettuali, ed in parti-colare hanno la stessa produzioneannua di energia e la stessa deflessio-ne massima dell’estremità, soddisfanole stesse condizioni sulle prime fre-quenze naturali di vibrazione in flappeg-gio e ritardo, hanno gli stessi limiti a fa-tica, usano gli stessi materiali e quindihanno gli stessi sforzi e deformazioniammissibili. Dunque, poiché entrambele pale possono essere usate sullastessa turbina eolica, il confronto diret-to dei loro indici di prestazione può dareindicazioni utili sul possibile impattodella tecnologia BTC su questa specifi-ca macchina.I risultati di questa ricerca, come più com-piutamente descritto nel Rif. [2], indicanoche in questo caso, rispetto alla pala stan-

dard senza accoppiamento, una pala BTCpuò raggiungere riduzioni interessanti siasui carichi massimi che a fatica, riduzionivariabili tra il 5 e il 15% circa, dipendente-mente dal componente della macchina. Ilmeccanismo di riduzione del carico dellapala BTC è ben illustrato dalla figura 5,che mostra l’angolo d’attacco in un puntospecifico lungo l’apertura durante una raf-fica di vento estrema (EOG, extreme ope-rating gust), una condizione che definisceil valore massimo del momento flettentealla base della torre. All’inizio della raffica,quando i carichi sono ancora piccoli, gliangoli d’attacco delle due pale sonomolto simili. Poi, ai valori più alti della ve-locità del vento, la pala BTC mostra unminor angolo di attacco, perché l’aumen-to della flessione dovuto al carico genera-to dalla raffica torce la pala stessa.Questo effetto di riduzione del caricoviene ottenuto con una leggera riduzionesimultanea della massa totale dellapala, di poco superiore all’1%. Inoltre, èstato osservato che la pala, oltre ad es-sere più leggera e meno sollecitata,deve anche essere meno attuata inpasso dal sistema di controllo. Per illu-strare meglio questo interessante effet-to, si può osservare il passo della palaottenuto durante il funzionamento inanello chiuso della macchina in condi-zioni di vento turbolento. La figura 5 mo-stra l’evoluzione temporale del passopala in condizioni di vento turbolento(DLC 1.2) a una velocità media del

14 Compositi

sStrumenti

Fig.5: Evoluzione temporale dell’angolo d’attacco per una condizione di vento turbolento (DLC 1.2)

Ottimizzare la progettazione di pale eoliche >>

vento di 11 m/s. La figura evidenzia uncomportamento marcatamente differen-te da parte delle due pale. Per basse ve-locità del vento nella regione di caricoparziale, cioè intorno a 360 s a 11 m/s,i passi sono tutti costanti e uguali ai lorovalori di trim. Quando la velocità delvento inizia ad aumentare e oscilla tra leregioni di carico parziale e pieno, i passisono modificati dal sistema di controllo,ma in modo diverso per ognuna delledue pale. Infatti, la pala standard senzaaccoppiamento mostra ampie oscillazio-ni di passo, mentre il modello accoppia-to mostra minori escursioni dello stes-so. Per esempio, intorno ai 390 s il mo-dello base è soggetto ad una sequenzapiuttosto aggressiva di cambiamento delpasso, mentre quella con BTC passa at-traverso lo stesso evento con una rego-lazione dell’angolo di passo molto piùmorbida. Questi risultati illustrano chia-ramente che il sistema di controllo del

passo, grazie al controllo passivo intro-dotto dalla tecnologia BTC, deve reagirein modo meno aggressivo alla fluttuazio-ne turbolenta del vento, risultando cosìin una minore attività del sistema di re-golazione del passo e quindi in ridotticicli di lavoro per l’attuatore. Ciò implicauna minore usura del sistema di control-lo del passo, od un possibile uso siner-gico della mitigazione passiva (con ac-coppiamento BTC) e attiva (tramite l’usodi un controllo individuale del passo) delcarico, un’idea ulteriormente esploratanel Rif. [2]. ■

RiconoscimentiL’autore desidera riconoscere il contribu-to di Filippo Campagnolo, AlessandroCroce e Federico Gualdoni del Laborato-rio POLI-Wind del Politecnico di Milano,così come di vari studenti, nello sviluppodelle procedure software descritte inquesto lavoro.

BIBLIOGRAFIAREFERENCES

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[1] C.L. Bottasso, A. Croce, F. Campa-gnolo, Multi-Disciplinary Constrained Op-timization of Wind Turbines, MultibodySystem Dynamics, doi:10.1007/s11044-011-9271-x, 2011. [2] C.L. Bottasso, F. Campagnolo, C. Ti-baldi, Optimization-Based Study of Bend-Twist Coupled Rotor Blades for Passiveand Integrated Passive/Active Load Alle-viation, Wind Energy, doi:10.1002/we.1543, 2012.[3] C.L. Bottasso, F. Campagnolo, A.Croce, S. Dilli, F. Gualdoni, M.B. Nielsen,Structural Optimization of Wind TurbineRotor Blades by Multi-Level Sectio-nal/Multibody/3DFEM Analysis, Scienti-fic Report DIA-SR 12-01, Dipartimento diIngegneria Aerospaziale, Politecnico diMilano, May 2012.

t Tools

The aero-structural design problemof wind turbine rotor blades con-cerns the definition of the optimal

external aerodynamic shape and of thestructural components of the blade thatrealize some desirable compromiseamong several figures of merit, includingaerodynamic efficiency, weight, manu-facturing cost, transportability, etc. Allnecessary trade-offs are usually consid-ered and ultimately finalized within themore general problem of designing thewhole wind turbine (figure 1), where thegoal is typically the minimization of thecost of energy.This paper addresses the structural de-sign of wind turbine rotor blades for agiven aerodynamic shape. Although thisis only one aspect of the more generalproblem of designing a blade and a windturbine, as mentioned above, it is never-theless a highly complex and challeng-ing task. In fact, the design should iden-tify optimal structural layout, choice ofmaterials and proper sizing of all struc-tural members to ensure a cost-effec-tive, safe and efficient operationthroughout the lifetime of the machine.Given layout and materials, the sizingproblem should be performed in such away that all blade components (fromwebs, skin and spar caps, to root boltingand all the way down to glued connec-tions, reinforcements, etc.) can with-

stand extreme loads and the effects offatigue due to deterministic cyclic andstochastic turbulent excitations. Further-more, the blade should be designed insuch a way to avoid resonant conditions,which would increase vibrations and fa-tigue, be stiff enough to avoid strikingthe tower even under extreme operatingconditions, be flutter-free in all of its op-erating envelope, and also free fromlocal instabilities such as skin buckling,wrinkling, etc. The design should also beable to fully exploit the anisotropic prop-erties of composite materials, for exam-ple for inducing load mitigating cou-plings between blade bending and twist-ing [2]. Clearly, these goals should bemet with the minimum possible cost,while satisfying all necessary manufac-turing constraints.The main challenge of this design prob-lem comes from the need to marry theunsteady nature of loading in a wind tur-bine, which requires transient analyses,with the need to capture local effectssuch as stress concentrations and insta-bilities in complex 3D structures madewith anisotropic composite materials.Transient analyses are routinely per-formed with beam-like models of the ma-chine dynamics, coupled to suitableaerodynamic models and control lawsthat enable the simulation of the wholespectrum of unsteady operating condi-

tions defining extreme loads and deflec-tions, as well as fatigue. On the otherhand, the verification of the local stateof stress and strain and of stability aretypically conducted with detailed 3Dstatic finite element models, under load-ing conditions obtained from the onescomputed with the transient models.At present, this two-stage analysis is typ-ically performed “by hand”: after a firstcoarse-level preliminary sizing performedusing beam-like models, one performs afine-level verification using 3D FEM andcorrects any possible deficiency, for ex-ample by increasing the thickness orlamination sequence of a component.Possibly, the result of the fine-level verifi-cation is used to update the coarse-leveldynamic model and the process is iterat-ed until convergence. Clearly, this proce-dure is time consuming and labor inten-sive. Furthermore, the design is not con-ducted as an integrated multi-level opti-mization, and might lead to sub-optimalresults since there is not a consistentway to reflect the results of the fine-levelanalysis into modifications of the coarse-level models.To improve on the current method of de-signing wind turbine rotor blades, thePOLI-Wind Laboratory at the Politecnicodi Milano has developed software tools,briefly described in the present paper,that conduct the design in a fully inte-grated and automated manner. Morecomplete and technical details on themodels and methods implemented inthis software and of the applications de-veloped so far are given in Refs. [1,2,3].

AUTOMATED STRUCTURALDESIGN OF WIND TURBINEROTOR BLADESFigure 2 illustrates the multi-level con-strained structural design optimizationof wind turbine rotor blades, which is im-plemented in the wind turbine designcode Cp-Max (Code for PerformanceMaximization) developed in recent yearsat the Politecnico di Milano.As a starting point for the optimization,an initial definition of the blade structur-al configuration and associated materialproperties is required. Next, the primarydesign variables are defined at selectedspan-wise sections, typically includingthe thicknesses of skin, shear webs and

16 Compositi

by Carlo L. Bottasso

Politecnico di Milano >>

english text

Software procedures for the design optimization of wind turbine rotorblades were developed at the Politecnico di Milano. This articledescribes the use of these tools in the design of multi-MW windturbine blades with passive load mitigation characteristics, obtainedby exploiting the couplings induced by the use of anisotropiccomposite materials.

Design optimization of wind turbine blades

t Toolsstantiation of the blade design the soft-ware computes all relevant design quan-tities, such as maximum tip deflection,stress and strain states at selected ver-ification points in a number of span-wisesections through recovery relations pro-vided by ANBA, and the level of fatigue-induced damage at the same verificationspots. These quantities are then en-forced as inequality constraint condi-tions for the optimization problem.The code also computes the Campbelldiagram of the machine, so that con-straint conditions ensuring a resonant-free design can be included in the opti-mization. Furthermore, one can also in-clude additional constraints on the un-known design parameters, such asbounds on the span-wise ply taperingrates or on the relative position betweensectional center of gravity and pitch axis.The merit function of the optimizationproblem is represented by the totalmass of the blade, or a cost model ifavailable. Blade mass is computedbased on the spatial and sectional con-figuration of the blade and also includesnon-structural masses due to surfacecoating, foam core, resin take-up, etc. The constrained multi-disciplinary opti-mization is run until convergence usingthe sequential quadratic programming(SQP) algorithm. In order to reduce thecomputational cost, the optimization isrun for a frozen load envelope; once thecost optimization converges, a newaeroservoelastic wind turbine model isgenerated following the previously de-scribed steps and the relevant analysesare repeated for updating the general-ized load envelope. The optimization isrepeated until no more changes in theload envelope and the design are detect-ed, which typically takes very few itera-tions. This procedure minimizes thenumber of evaluations of the generalizedload envelope so as to reduce the com-putational cost. From the computed blade geometry thecode automatically generates a 3D CADmodel, which precisely accounts for allcomponents of the blade (shear webs,web core, flanges, spar caps, leadingand trailing edge reinforcement, internalskin, skin core and external skin) as wellas their associated material propertiesand laminate characteristics. The mesh-

ing of the blade is performed in a fullyautomated way by using either shell orsolid elements, and the FEM model isexported in the form of input files com-patible with various commercial FEsolvers.The 3D FE model provides the frame-work for a fine-level verification of the de-sign constraint inequalities associatedwith admissible stresses, strains, de-flections and fatigue damage, as the de-tailed model reveals effects that mayhave been overlooked by the coarsequasi-3D model composed of 1D spatialbeam and 2D cross sectional models.For example, local stress concentrationsat the beginning and end of the sparcaps or at regions with rapidly changinggeometry in the span-wise direction can-not be correctly represented by beammodels, since in these cases the veryhypotheses underlying beam theoriesare violated. In case constraint viola-tions are detected at the fine-level, thecoarse optimization loop is repeatedwith constraint bounds that are tight-ened proportionally to the violationamount. Coarse and fine-level iterations,illustrated in figure 2, are repeated untilan optimal design that satisfies the con-straint conditions at the finest descrip-tion level is obtained.In addition, the 3D model can be usedfor designing secondary structural com-ponents, as for example the thicknessof the skin core through a linearizedbuckling analysis. This in turn affectsthe non-structural mass of the blademodel leading to an improved estimatefor the cost function. This mass changeaffects the coarse-level analysis, that isthen repeated until convergence; this isusually accomplished in a few iterations.

APPLICATIONSThe automated design procedures de-scribed in this work were applied to anumber of research and industrial proj-ects. Space limitations preclude the in-depth description of a complete applica-tion; however we want here to briefly de-scribe an interesting design projectwhere the use of the integrated designcapabilities described above has provento be particularly useful. Passive load mitigation can be achievedby designing a blade that, when loaded

18 Compositi

spar caps as well as the area of the lead-ing and trailing edge reinforcements; in-termediate values along the blade spanare interpolated using shape functions.Based on this and all other necessaryinput data, a complete aeroservoelasticmodel of the machine is developedusing the wind turbine simulation codeCp-Lambda (Code for Per formance,Loads, Aeroelasticity by Multi-Body Dy-namic Analysis). Cp-Lambda is an ad-vanced multibody aeroservoelastic sim-ulation software, based on a Cartesiancoordinate formulation, where con-straints among the various bodies of thesystem are enforced using Lagrangemultipliers. Blades are described usinga geometrically exact shear and torsiondeformable beam model, which can rep-resent arbitrarily large three dimensionalrotations and displacements; spatialdiscretization is obtained using an iso-parametric formulation, resulting in anon-linear full finite element method.Time integration of the resulting differ-ential algebraic multibody equations ofmotion in index-3 form is performedusing a nonlinearly unconditionally sta-ble energy decaying integration scheme.The code supports static and transientanalyses as well as the computation offrequencies and mode shapes about de-formed equilibrium configurations. Atuser selected span-wise stations, crosssectional stiffness matrices accountingfor all possible structural couplings arecomputed using the code ANBA(Anistropic Beam Analysis), based on ei-ther 2D finite element meshes or equiv-alent panels. The model is supplement-ed by a regulation strategy and a collec-tive-pitch/torque controller, as requiredso as to control the machine over its en-tire operating envelope. With this closed-loop aeroservoelasticmodel, transient design load cases(DLCs) are simulated that include turbu-lent wind cases, extreme gusts and a va-riety of fault conditions, according to cer-tification guidelines such as IEC6-1400or GL. Automatic procedures managethe post-processing of all generated re-sults, to define the sectional load en-velopes, which are matrices containingvalues of the maximum and minimum in-ternal stress resultants.Using the load envelopes, for each in-

for example by wind gusts and/or turbu-lent fluctuations, deforms so as to in-duce a load reduction. The classical so-lution to achieve this structural behaviorhas been to design blades with somedegree of bend-twist coupling (BTC). Infact BTC implies that, when the bladebends because of increased loads, theensuing change of twist will affect theaerodynamic loading through a changein angle of attack. This form of load alle-viation is in principle very attractive be-cause of its passive nature: there are noactuators which may fail, no movingparts which may wear out, and no needfor sensors, all characteristics that arevery interesting for wind turbines wheresimplicity, low maintenance and highavailability are key to reducing the costof energy.One way of designing a blade exhibitingBTC behavior is by way of exploiting theanisotropic mechanical properties ofcomposite materials: as illustrated infigure 3, the desired coupling effectscan be obtained by rotating the compos-ite material fibers away from the bladepitch axis in the spar caps and optional-ly in the skin.However, as usual in the design of windturbines or other complex engineeringsystems, the benefits of BTC bladesmay be accompanied by other undesir-able effects, such as an increase ofweight, and of manufacturing complexityand possibly cost. For example, whenBTC is obtained by moving the fiber di-rections away from the blade axis, onealso obtains a reduction of the bendingstiffness as a side effect. For bladeswhere the bending stiffness is dictatedby the satisfaction of the maximumblade tip deflection and/or the place-ment of the first flap frequency, one thenneeds to restore it by, for example, in-creasing the thickness of the spar caps,which will in turn imply some weight in-crease. To account for these complex ef-fects, the use of a design software asthe one described here proves to be ex-tremely useful.The automated design procedures im-plemented in Cp-Max were used for thedesign of two alternative 45 meter rotorblades for a Class-IIIA 2MW wind tur-bine, as more fully described in Ref. [2].The first blade uses a conventional con-

figuration, while the second implementsa BTC solution with fiber rotations in thespar caps (5 deg) and the skin (20 deg),starting from the 30% span locationgoing outboard (i.e. from around themax chord to the blade tip). Both bladessatisfy exactly the same design con-straints, and in particular have the sameannual energy production and samemaximum tip deflection, satisfy thesame conditions on the first flapwiseand edgewise natural frequencies, havethe same fatigue limits, use the samematerials and hence have the same al-lowable stresses and strains. Hence,since both blades could be used on thesame wind turbine, the direct compari-son of their performance metrics cangive useful indications on the possibleimpact of BTC technology on this specif-ic machine. The results of this investigation, asmore fully described in Ref. [2], indicatethat in this case a BTC blade canachieve interesting reductions with re-spect to the standard uncoupled bladein both the maximum and fatigue loads,ranging from around 5 to about 15% de-pending on the machine component.The mechanism of load reduction of theBTC blade is nicely illustrated by figure5, which shows the angle of attack at aspecific blade station during an extremeoperative gust (EOG), a condition thatdefines the envelope tower base fore-aftmoment. At the beginning of the gust,when loads are still small, the angles ofattack of the two blades are very similar.Then, at the higher values of windspeed, the BTC blade exhibits a lowerangle of attack, because the increase inblade bending due to gust loads twiststhe blade section towards feather.This load reduction effect is achievedwith a simultaneous slight reduction ofthe total blade mass, a bit over 1%. Fur-thermore, it was observed that thislighter and less loaded blade also needsto be pitched less, since it has a reliev-ing effect on the pitch control system. Tobetter illustrate this interesting effect,one can look at the pitch angle obtainedin closed-loop operation in turbulentwind conditions. Figure 5 shows thepitch angle time history in turbulent windconditions (DLC 1.2) at a mean windspeed of 11 m/sec. The figure high-

19Compositi

Design optimization of wind turbine blades

english text

All the mentioned figures refer to the italian version

Fig.1: The multi-disciplinary and multi-objectivenature of wind turbine designFig.2: Multi-level structural design optimizationof a wind turbine rotor bladeFig.3: Twisting of fibers away from the pitchaxis to induce a BTC load alleviating behavior inrotor bladesFig.4: Angle of attack at 80% span for a windgust corresponding to DLC 1.5 at 25 m/secFig.5: Pitch angle time history for a turbulentwind condition (DLC 1.2)

lights a markedly different behavior forthe two blades. For low wind speeds inthe partial load region, i.e. around 360sec at 11 m/sec, pitch angles are allconstant and equal to their own respec-tive trim values. When the wind speedstarts to increase and oscillates be-tween the partial and full load regions,pitch angles are modified by the feed-back control loop, but in a different wayfor each blade. In fact, the baseline un-coupled blade exhibits large pitch oscil-lations, while the coupled model showslower pitch values. For example, around390 sec the baseline model is subject-ed to an aggressive pitch control se-quence, while the BTC one passesthrough the same wind event with amuch smoother pitch input. These re-sults clearly illustrate that the pitch con-troller, thanks to the self-reaction andbuilt-in passive control of a BTC blade,has to react less aggressively to turbu-lent wind fluctuation, resulting in a lowereffort on the pitch system and thereforein a reduced actuator duty cycle. This im-plies less wear on the pitch system, orthe possible synergistic use of passive(by BTC coupling) and active (by the useof individual pitch control) load mitiga-tion, an idea further explored in Ref. [2].

AcknowledgementsThe author wishes to acknowledge thecontribution of Filippo Campagnolo, Ales-sandro Croce and Federico Gualdoni ofthe POLI-Wind Laboratory of the Politec-nico di Milano, as well as of several stu-dents, in the development of the softwa-re procedures described in this work.

22 Compositi

La tessitura della fibra di carbonio

La fase di tessitura è un passaggio fondamentale per determinarecaratteristiche e proprietà dei tessuti in carbonio e richiedel’adozione di particolari procedure e accorgimenti. A partire dall’impiego di telai disegnati ad hoc.

pLe tipologie di fibra di carbonio più

comunemente usate nel mondo deicompositi sono due: la fibra ricava-

ta da precursore, detto PAN (ottenutotramite un processo di polimerizzazionea parametri specifici dell’acrilonitrile) equella ricavata da Pitch (un sottoprodot-to del processo di raffinazione del petro-lio). La produzione mondiale di fibra dicarbonio da PAN supera le 60.000 ton-nellate anno nominali, che vengono poiconvertite secondo vari processi di cuipossiamo riassumere i principali in: fila-ment winding e tow placement, pultru-sion e pull winding, compounding, tessi-tura in senso generico. A sua volta dallatessitura della fibra derivano tre diversefamiglie di prodotti: tessuti unidireziona-li, tessuti multiassiali, tessuti tradiziona-li. Ad oggi circa il 50% della fibra di car-bonio prodotta viene convertita tramiteprocessi di tessitura, che rimane quindiil processo principale di trasformazione.Anche se entrambe le fibre di carboniopossono essere tessute, quella da PANè la più utilizzata. Schematicamente, il

processo di produzione della fibra di car-bonio da PAN parte dalla polimerizzazio-ne per ottenere il precursore, passa poiall’ossidazione dello stesso, carbonizza-zione a bassa e alta temperatura, appli-cazione del sizing e avvolgimento sullebobine. Sul mercato è disponibile unprodotto che viene classificato, a livellodimensionale, per il numero in migliaiadi microfilamenti che compongono lafibra, invece che i più classici Denari oDenier o dTex. I formati più usati in tes-situra sono: 1 K o 1,5 K (mille microfila-menti), 3 K, 6 K, 12 K, 24 K, 48 K. Esi-stono poi formati diversi propri di alcuniproduttori (come il 16 K o il 50 K), ma lagamma sulla quale si confrontano i mag-giori produttori è quella indicata. A livel-lo di caratteristiche meccaniche, la fibradi carbonio si distingue in basso modu-lo, modulo intermedio, alto modulo. Intermini numerici si va da circa 220 GPaa oltre 500 GPa, ma la gamma più co-mune in tessitura è quella dai 230 ai250 GPa, con tenacità che varia dai3100 ai 5200 MPa.

I PROCESSI DI TESSITURAVenendo più nello specifico alle caratte-ristiche della fibra di carbonio in rela-zione ai processi di tessitura, la fibra èformata da migliaia di microfilamentidel diametro di circa 7 micron tenuti in-sieme grazie a un sizing e formanti unafibra dalla forma piuttosto piatta, unovale molto schiacciato. La larghezzain mm di questa “piattina” può andareda meno di 2 mm a oltre i 25 mm, a se-conda del tipo di fibra e se viene sotto-posta ad un processo di apertura. Lafibra di carbonio è inoltre conduttivaelettricamente, riflette la luce, si sfilac-cia facilmente per sfregamento (rotturadi microfilamenti) e non è elastica. Perultimo, la larghezza della fibra non èsempre uniforme. Queste sono alcunedelle caratteristiche che influenzano laqualità del prodotto finito tessuto du-rante il processo di trasformazione.Tralasciando qui la produzione di mul-tiassiali, queste annotazioni portanoimmediatamente alla conclusione cheuna linea di tessitura “normale”, anche

Processidi Adalberto Horak

se configurata per tessuti tecnici, non èadatta a tessere il carbonio. Inoltre,anche se buona parte dei componentidella linea possono essere in buonasostanza quelli comuni ad altri tipi ditessitura tecnica con qualche piccoloaccorgimento, il telaio, cuore del pro-cesso di tessitura, deve avere unaconfigurazione specifica per il carbonio.Una caratteristica fondamentale chepermette una migliore qualità in tessi-tura è la presenza della pinza positiva,ancora meglio se montata singola, cioèsenza scambio fra le due pinze traentee portante. A partire da questo accorgi-mento fondamentale, il telaio potrà poiessere configurato con alcuni ulterioriaccessori che aumenteranno la qualitàdel prodotto finale diminuendo altempo stesso la possibilità che si crei-no difetti. È evidente che il costo dei di-fetti col carbonio è decisamente impor-tante, visto il costo della materia primafibra, quindi vanno assolutamente evi-tati. Alcuni esempi di accessori prope-deutici a una tessitura di migliore qua-lità possono essere l’installazione diuna calandra specifica di alimentazio-ne, un cilindro compensatore adattoalla rigidità e sensibilità del carbonio,drivers elettronici che gestiscano e sin-cronizzino i movimenti delle diverseparti del telaio e dell’arrotolatore, can-tre frenate, arrotolatori assiali esterni,porgi trama per trama piatta, accessori

per la tessitura senza cimosse (il costodegli scarti delle cimosse incide per un4-10% a secondo dell’altezza del tessu-to) etc. I difetti più comuni che può pre-sentare un tessuto di carbonio, che ilcliente finale a volte tende a sottolinea-re esagerandone la valenza proprioperché risultano particolarmente evi-denti, date le caratteristiche del filato,sono: tensionatura non uniforme (lineedi colore diverso sul tessuto), mancan-za di copertura uniforme (luce fra i fili),stramatura (trama e ordito non sono or-togonali), spanciatura (può capitarespesso quando la larghezza del tessu-to è oltre lo standard di100cm/120cm) ed altri. Dato che lacaratteristica dei tessuti più comune-mente richiesti è di avere una bassabattitura (poche inserzioni al cm) e datele caratteristiche dimensionali del filo, idifetti estetici spesso nascono propriodopo la tessitura, in fase di arrotola-mento. Così come problemi di tensiona-mento possono nascere già prima deiquadri di tessitura. Questo a ulteriore ri-prova che una linea di tessitura di car-bonio va disegnata ad hoc, dimensiona-ta secondo i limiti tecnici del carbonioad essere tessuto (larghezza tessuto,velocità telaio, etc..), installata e gesti-ta in un ambiente idoneo (data la con-duttività della fibra, la produzione di mi-croparticelle che si distaccano dai fili etendono a volare, la sensibilità a condi-

zioni di temperatura e umidità) e conpersonale qualificato. I maggiori produt-tori di tessuti di carbonio hanno, ognu-no secondo la propria sensibilità e gra-zie ad una grande esperienza, definito eimplementato accorgimenti e procedureper fornire un prodotto di altissima qua-lità. Il trend di crescita di questo merca-to sta però attraendo nuovi attori in Eu-ropa, dove è nato il primo tessitore dicarbonio, nel Medio ed Estremo Orientee nei cosiddetti BRICS, che, mancandodi esperienza nel tessere carbonio, do-vranno tenere in considerazione la spe-cificità della fibra. ■

Adalberto Horak ha fondato nel 2009BlackSun Partners, a seguito di unadecennale esperienza nel mondo deicompositi avanzati e per difesa, edaltri settori industriali. Si occupa dellacommercializzazione in Europa dellafibra di carbonio prodotta da DowAksae di altre fibre tecniche, cooperandocon i maggiori produttori mondiali.Anche grazie a una rete di aziendepartner, fornisce macchinari e tecno-logie, consulenza tecnica e di busi-ness, in particolare ad aziende che sioccupano di carbonio a tutti i livellidella catena produttiva, incluso il rici-clo dei prodotti a fine vita, con partico-lare enfasi su aziende in fase di startup, cambio di modello strategico, svi-luppo nuovi prodotti o entrata in nuovimercati.

23Compositi

BlackSun Partners

m >>

corrosione, che le rendono interessantisia sotto forma di tessuti sia per proces-si di pultrusione, produzione di preim-pregnati o semplicemente nella formachopped.Nella forma di filato (yarn) il prodottopuò essere impiegato per la produzionedi tessuti, nastri isolanti, guaine.

Compositi

AldebranMateriali

Le fibre di basalto per la nauticaAncora poco utilizzate in Italia, le fibre di basalto, grazie alleelevate caratteristiche meccaniche, rappresentano una validaalternativa ai materiali tradizionali in diversi settori.

di Antonio Del Mastro

Le fibre di basalto (roccia di originevulcanica) sono note da molti anninel mondo dei compositi, special-

mente in paesi extra-UE, come gli expaesi URSS e la Cina, e vengono utilizza-te nel settore meccanico, nautico, aero-nautico, siderurgico, militare e delle co-struzioni.

La possibilità di resistere fino a tempera-ture di circa 600 °C le rende applicabiliin molti contesti di isolamento termico eprotezione da incendi e in molti casi so-stituibili alle fibre di vetro o di carbonio.Le fibre di basalto presentano ottimeperformance meccaniche, buona resi-stenza a trazione, ottima resistenza alla

Tabella 1: Confronto tra le caratteristiche delle fibre di basalto con altre più diffuse fibre composite

PHYSICAL & MECHANICAL PROPERTIES COMPARISON

Item Basalt E-G ass S-Glass Polypropylene Aramid Carbon fiber Steel fiber

Density (g/cm3) 2.63 2.54 2.54 0.91 1.45 1.78 7.8

Tensile Strength (MPa) 3200-3850 3100-3200 3200- 4100 420 2900-3430 3500-6000 600-900

Elaslic modulus (Gpa) 93 72.50 86 3.50 70-140 230-430 250

Elongation at break (%) 3.1 4 .7 5.3 10 1.5-2.0 1.5-2.0 ------

Softening point (°C) 1050 850 850 100 270 ------ 800

Working temperature (°C) -260-650 380 380 60 250 500 500

Temporary temperature (°C)

1100 1000 950 120 500 800 950

Thermal conductivity(W/m.K)

0.031-0.038 0.026-0.035

Etectrical specific volume(Ohm.m)

1x1012

Acoustical Normalcoefficient of soundabsorption

0.9-0.99

25

mCome nel caso di altre fibre composite,i filati ritorti in un’unica direzione ven-gono definiti “single yarns” e quelli indirezione sinistra e destra “S-twistyarn” e “Z-twist yarn” rispettivamente.Diversi single yarns avvolti insiemevengono chiamati “plied” o “bilanceyarns”. Un filato di basalto standardpuò avere diametri del filamento da 6 a16 µm con una densità lineare in tex da33 a 4800. Il trattamento superficialedel filamento può essere di tipo epossi-dico (più comune in assoluto) oppurevinylester, fenolico, poliestere, etc.Dai filati si possono ottenere anchecorde impiegate per resistere al calore oad ambienti acidi/alcalini. Una specialeapplicazione delle corde può essere l’u-tilizzo nella nautica o come rinforzostrutturale di murature storiche o dan-neggiate da eventi sismici.I filamenti di basalto tagliati a lunghezzeprefissate vengono definiti chopped epossono essere trattati in superficie alfine di renderli flottanti in acqua e parti-colarmente adatti ad essere amalgama-ti con miscele di acqua ed altri additividelle costruzioni per la produzione di la-stre prefabbricate, prodotti similari o peril rinforzo di asfalti.Le fibre chopped vengono inserite anchein prodotti come freni, frizioni, piastre divario tipo per applicazioni meccaniche. Ingenere, per quanto riguarda il settoredelle costruzioni, tra i benefici dell’impie-go di queste fibre si possono elencare:

• minor formazione di microfessure • aumento della resistenza flessionale,

a fatica del cemento, alle basse tem-perature, superficiale del cemento.

Le lunghezze delle fibre chopped più dif-fuse sono di 6, 12 e 24 mm.

I TESSUTII tessuti in basalto vengono adottati perle loro eccellenti prestazioni meccanichecome elementi di protezione dalla radia-zione elettromagnetica, per la realizzazio-ne di cortine proteggi fuoco, materiale dibase per la produzione di maniche filtran-ti. I diametri dei filamenti più adottati peri tessuti variano dai 9 a 13 µm congrammature che vanno 100 a 660 g/m2

.

I tessuti multiassiali sono creati per ap-plicazioni in cui vengono richiestebuone prestazioni meccaniche in variedirezioni. I più comuni sono i biassiali0°/90° o -45°/+45° o i quadriassiali0°/90°/+45°/-45° che vengono orasempre più applicati nel settore del rin-forzo strutturale di edifici. Vengonoanche adottati per rinforzo di pale eoli-che, serbatoi, nel settore automobilisti-co, dei treni ad alta velocità, aeronauti-ca, attrezzature sportive e per la produ-zione di giubbotti antiproiettili.I tessuti in basalto unidirezionale sono imateriali in basalto più impiegati per ilrinforzo di costruzioni con una gramma-tura variabile da 150 a 650 g/m2

. La lar-ghezza del tessuto adottata è in generedi 50 cm.

Come tutti i tessuti non impregnati perle costruzioni, i dati tecnici riportati daicostruttori devono essere conformi allespecifiche fornite dal CNR in documentiquali “Istruzioni per la progettazione, l’e-secuzione ed il controllo di interventi diconsolidamento statico mediante l’utiliz-zo di compositi fibrorinforzati”.

I TONDINII tondini in basalto sono molto diffusi al-l’estero mentre hanno bassa diffusionein Italia. Sono disponibili con superficienuda oppure quarzata per migliorarnel’aderenza o addirittura con un nucleo in-terno di acciaio. Con i tondini si possono realizzare pro-dotti come pannelli, barriere, passerel-le, pavimenti, angoli di facciate e moltialtri componenti strutturali. Grazie alleloro proprietà elettricamente isolanti, itondini in basalto vengono impiegatiper produrre isolatori per linee di altatensione, in particolari applicazioni del-l’ingegneria idraulica o per barriere incemento speciali. Il rinforzo così otte-nuto con le strutture in cemento pre-senta caratteristiche migliorative graziealla differenza di PH tra tondini e ce-

26 Compositi

Materiali

Le fibre di basalto per la nautica

mento, con lo stesso coefficiente diespansione termica e con nessuna de-formazione residua del tondino sogget-

to a flessione. I diametri dei tondinidisponibili variano da 4 a 25 mm conpesi da 25 a 1076 g/m. Occorre ricor-

dare che, avendo il basalto un pesospecifico 4 volte inferiore a quello delferro, a parità di kg di prodotto acqui-stato e trasportato, si produce unaquantità di tondini in basalto pari a 4volte i metri lineari costruiti con l’ac-ciaio.Inoltre, in molte applicazioni, i tondini inbasalto sostituiscono quelli in ferro didiametro superiore. I tondini in basaltonon possono essere saldati e pertantosono previsti diversi sistemi di aggancioin opera.Le reti in basalto vengono impiegatecome rinforzi strutturali di edifici, qualielementi di rinforzo di asfalti, pavimenti,strade e banchine. Pur presentando lereti qualità meccaniche simili a quelledelle reti in acciaio, offrono il vantaggiodi pesare mediamente 2,6 volte dimeno, favorendo così le fasi di traspor-to e posa del prodotto. ■

TG-50-F 50’’ Fabric Machine

28 Compositi

Speciale tessuti e resine

BASF

La seduta che rispettal’ambienteÈ nata Hemp Chair di Werner Aisslin-ger, il designer di progetti che abbina-no tecnologia a nuovi materiali. Si trat-ta di una poltroncina di canapa checombina la fibra naturale con Acro-dur® di BASF, legante termoindurenteacrilico a base d’acqua che permettela realizzazione di un processo produt-tivo senza uso di sostanze nocivequali fenolo e formaldeide. Il processodi produzione è derivato dal mondodell’automotive. Lo stampo a caldodella fibra naturale preimpregnata conAcrodur consente di produrre veloce-mente oggetti tridimensionali stabili erobusti ma leggeri.Il risultato è un prodotto ecosostenibi-le, ridotto nel peso ma molto resisten-te, che dimostra l’eccellente versatili-tà delle fibre naturali (75%) combinatecon Acrodur (25%). Hemp Chair ha unaseduta comoda e sicura. Leggerezza eimpilabilità ne agevolano il trasporto,ma tali caratteristiche non vanno adiscapito della stabilità.“La sfida in questo tipo di progetto èlegata all’investimento iniziale per lostampo, essendo il numero di pezzinel settore del mobile non paragona-bile con quelli dell’auto” commentaGuido Durazzano, Responsabile ItaliaPolymer Dispersions Fiberbonding diBASF. “L’opportunità, grazie all’impie-go di fibre preimpregnate con Acrodure Pigmenti Xfast® di BASF, è poterrealizzare esemplari colorati o pezziunici di Hemp Chair inglobando altrimateriali nello stampo”.

CEL COMPONENTS

Linee diproduzioneprepreg

CEL Components offre soluzioni “chiaviin mano” per la produzione di prepreg,progettate e realizzate da Tipton-Goss,che possono essere utilizzate facilmenteanche da chi si avvicina per la primavolta all’impregnazione e dai produttoridi parti in composito. Tipton-Goss offreun approccio innovativo al mondo dellaproduzione dei prepreg, attraverso:• macchine compatte e nuove per tessu-to prepreg, G-50-F, TG-60 e per nastrounidirezionale e Filmer (TG-24-T)• completa responsabilità ingegneristica(formulazione, miscelazione, prepreg-processing)• apparecchiature complementari pro-gettate specificamente per lavorare inconcerto con le macchine di Tipton-Goss• più di 20 anni di esperienza nella pro-duzione di preimpregnati• nuove formulazioni di resine• showroom di lavoro e centro di forma-zione concernente tutti gli aspetti dellaproduzione di preimpregnati• possibilità per i clienti di impararecome produrre effettivamente il pre-im-pregnato prima della consegna della

macchina• fornitura di tutti i componenti e dellematerie prime necessarie su richiesta.I punti salienti dei servizi dell’aziendasono:• un approccio completo: dalla formula-zione alla metodologia, alla fornituradell’impianto, con anche corsi di forma-zione.• un impianto compatto e semplice, pro-gettato specificamente per tutte le tipo-logie di utenti, con la possibilità di ag-giornamenti necessari, dall’industriaspaziale alla progettazione di oggettisportivi.Una propria linea di preimpregnazionegarantisce agli utenti una serie di van-taggi, tra i quali: lo sviluppo di prodotticon prestazioni elevate; una fonte sta-bile di materiali, che ne consente l’ap-provvigionamento regolare; la riduzionedei costi di approvvigionamento, di ma-gazzino e della necessità di investirenella catena del freddo; la possibilità dieliminare la dipendenza da fornitori cri-tici che possiedono capacità di fornituralimitate.

G&P INTECH

Tessuto unidirezionale in fibra di acciaio L’impiego dei rinforzi strutturali con tes-suti in acciaio STEEL-NET immersi in unamatrice organica (SRP) od inorganica(SRG) é una tecnologia versatile, di pesoe spessori contenuti, che consente con-solidamenti di elementi in c.a., c.a.p. emuratura di elevata efficacia nella riqua-

lificazione funzionale e nel miglioramentosismico delle strutture debolmente ar-mate, dissestate e ammalorate. Tale tec-nica consente infatti di ottenere un mi-glioramento generale delle caratteristi-che meccaniche delle strutture soggettead azioni sismiche attraverso un rinforzo

ELANTAS ITALIA

Adesivo per rinforzostrutturale in edilizia conmarchiatura CEIl mondo dell’ingegneria civile sta mo-strando un interesse sempre crescenteper il settore dei materiali compositi ed illoro utilizzo nei processi di costruzione,ristrutturazione e consolidamento. In par-ticolare, per il settore del ripristino diparti strutturali in cemento armato, l’uti-lizzo di matrici polimeriche abbinate atessuti di rinforzo risulta essere una so-luzione efficace. Questa tecnica di consolidamento risul-ta necessaria per tutti i casi in cui lestrutture portanti si deteriorano per in-vecchiamento o eventi naturali, comead esempio il recente sisma in Emilia-Romagna, e non possono essere demo-lite (fig.1).

ELANTAS Italia grazie al soli-do know-how maturato nellaformulazione di resine ter-moindurenti nei suoi 50 annidi attività ha sviluppato il siste-ma Elan-tech® MC256-W256.Questo adesivo strutturaleepossidico bicomponente vieneutilizzato come matrice polimericaper i tessuti di rinforzo (fibra di carbonio,fibra di vetro, basalto e reti metalliche)normalmente impiegati nell’applicazionedel consolidamento. Il sistema è stato recentemente mar-chiato CE secondo la normativa armo-nizzata EN 1504-4 che regolamenta leprestazioni minime richieste per l’utiliz-zo dei materiali polimerici per tale appli-cazione (capitolo 4.3), requisito fonda-mentale ed imprescindibile per l’utilizzonella cantieristica. Le caratteristiche salienti del prodottosono il facile rapporto di miscelazione2:1 sia in peso che in volume, le confe-zioni predosate di 4+2Kg (fig.2), la pos-sibilità di essere utilizzato agevolmentein applicazioni su superfici verticali osopra testa grazie alla tissotropia che sisviluppa subito dopo la miscelazione deidue componenti, le buone proprietà di in-durimento anche a basse temperature diapplicazione (T>10°C) e l’assenza di un-tuosità superficiale del sistema induritoche permette una più agevole sovra co-pertura della riparazione strutturale. Il sistema, grazie all’accurata selezionedella granulometria delle cariche, consen-te di ottenere un’ottima bagnabilità deitessuti di rinforzo ed esaltare le proprietàmeccaniche del sistema indurito. I dati ot-tenuti nelle prove di adesione e di com-pressione, svolte per l’ottenimento della

certificazione, testimonianotale comportamento con valo-ri almeno doppi rispetto aquelli richiesti dalla normativa.Il valore a compressione, te-stato su tutti i lotti prodotti se-condo la EN12190 (fig.3), pre-

senta valori sempre superiori ai60 MPa rispetto ai 30 MPa minimi

richiesti; analogamente la resistenza altaglio a strappo secondo la EN12188 ri-sulta superiore ai 25 MPa, contro il mini-mo richiesto di 14 MPa. Il sistema mostra inoltre ottime caratte-ristiche di durabilità. Grazie ai valori diTg raggiungibili può lavorare in continuoa temperature di 45-50°C e le proprietàdi incollaggio non risentono dell’invec-chiamento in ambienti molto umidi, op-pure dopo ripetuti cicli di shock termico(-20°C + 50°C). La certificazione CE, oltre ad essere unrequisito di legge, è una garanzia dellacostanza qualitativa del prodotto in quan-to la normativa EN1504-8 prescrive unprogramma di sorveglianza in cui tutti ilotti sono sottoposti a test meccanici,chimici e reologici. Ciò risulta ulterior-mente avvalorato dal sistema di QualitàISO 14001-9001 secondo cui ELANTASItalia opera da oltre 15 anni.

29Compositi

Speciale tessuti e resine

con fibre in acciaio e con elevata resi-stenza ortogonale alle stesse.Sono stati condotti e sono tuttora incorso studi e sperimentazioni da partedi G&P intech in campo nazionale ed in-ternazionale che testimoniano la validitàdel sistema per l’ambito specifico a cuiè destinato.L’azienda inoltre sviluppa un importanteservizio di consulenza ed assistenza in-gegneristica anche con software dedica-ti, riservato alle pubbliche amministra-zioni, alle imprese, ai progettisti e ai tec-nici di settore.

Fig. 1 Fig. 3

Fig. 2

Reichhold ha sviluppato Norpol® CPG, un gelcoat con un’altaresistenza all’invecchiamento. Il prodotto combina una gran-de facilità di applicazione con una ridotta emissione di sol-venti organici. Il segreto di queste elevate prestazioni è lanuova resina base sviluppata dal centro ricerche Reichhold inNorvegia. Le super fici protette con Norpol® CPG mostre-ranno nel lungo termine solo modesti cambiamenti ed iprodotti saranno protetti da radiazioni UV, cambiamenti cli-matici ed esposizione all’acqua e anche a soluzioni nonconcentrate di prodotti chimici.L’applicazione del gelcoat sugli stampi continuerà nel pros-simo futuro ad essere effettuata in stampo aperto e labassa emissione di solventi è equivalente alla metà diquella dei prodotti oggi sul mercato, quindi già idonea a so-stenere anche richieste future più restrittive in materia daparte della Comunità Europea. Il suo campo di applicazione va dalla produzione di barche,sanitari, componenti auto e pannelli per l’edilizia.Norpol® CPG è certificato dal Lloyds Register of Shipping edal Det Norske Veritas (DNV) per la produzione di barche diogni misura.

PRESTAZIONI• Elevata resistenza all’invecchiamento atmosferico anchedopo una lunga esposizione, basso livello di ingiallimento, vi-sibile maggiore ritenzione della brillantezza superficiale• significativa riduzione del 50% delle emissioni di compo-nenti volatili organiche (VOC) rispetto ai gelcoat convenziona-li grazie anche a un contenuto di volatili solo del 30% nellaversione a spruzzo e del 25% nella versione a pennello• stendibilità facilmente controllabile e priva di inglobamentidi aria • eccellente resistenza all’idrolisi che migliora la resistenzaall’osmosi minimizzando la formazione di blistering sulle su-perfici anche se completamente e continuamente immersenell’acqua• notevole resistenza alla formazione di micro fessurazioni.

REICHHOLD

Gelcoat con alta resistenzaall’invecchiamento

30 Compositi

Speciale tessuti e resine

SAATI

Sistemi di resina sul podioAncora un successo di Saati Composi-tes, divisione di Saati specializzata nellaproduzione di materiali compositi avan-zati: la stretta collaborazione con il part-ner Audi Sport ha portato ad una nuovovittoria.Dopo il trionfo del 2011, L’Audi R18 TDIha conquistato tutti i gradini del podiodella 24 ore di Le Mans del 2012. Comegià l’anno scorso, la Audi R18 TDI è rea-lizzata con preimpregnati di Saati, ma daquest’anno la collaborazione fra le 2aziende è ancora più stretta.La vettura tedesca è stata costruitaanche con un nuovo preimpregnato diSaati realizzato con la recente formula-zione strutturale ad alta temperaturaER450 e con filati di carbonio ad alta re-sistenza. Quindi la ricerca e sviluppo del-

l’azienda ha portato in gara un altro si-stema di resina, dopo che i preimpre-gnati a base del sistema di resina ET445erano già stati utilizzati in molteplici partidella macchina l’anno scorso e sono an-cora stati confermati per il 2012.Due sistemi innovativi, entrambi solventfree come richiesto dal settore automo-bilistico, ad alte prestazioni e con il ser-vizio di supporto tecnico e commerciale:• ER450: sistema strutturale ad alta tem-peratura di esercizio, caratterizzato dacicli di polimerizzazione anche da tempe-rature molto basse e flessibili sulle esi-genze del singolo cliente ed applicazione• ET445: sistema per applicazioni gene-rali, a media temperatura di esercizio,con ottime proprietà meccaniche ed in-superabili qualità estetiche.

31Compositi

Speciale tessuti e resine

Selcom, azienda specializzata nel campodei multiassiali in Italia, produce tessutitecnici ad alta tecnologia per i materialicompositi avanzati.L’azienda è presente, da oltre vent’anni,nel settore nautico con un ventaglio dicirca 300 tipologie di tessuti che vannodai 100 ai 4000 gr/m², tessuti compostida fibre perfettamente parallele tra loroorientate ad una direzione (unidireziona-li), a due direzioni (biassiali), fino ad arri-vare a tessuti formati da un pacchetto diotto strati con diverse orientazioni appar-tenenti ad un intervallo di ±30° / ±70°. Itessuti, in base alle esigenze, possonoessere accoppiati con mat, veli, feltri,film ed altri tessuti, anche inseriti inter-namente tra gli strati.Il personale tecnico della Selcom seguecon particolare attenzione il tipo di tec-nologia utilizzata per la costruzione delmanufatto (es. laminazione manuale, in-fusione, R.T.M) realizzando apposita-

mente dei tessuti di rinforzo con carat-teristiche molto diverse tra di loro, conl’obbiettivo di soddisfare le diverse esi-genze produttive e per conferire al ma-nufatto finale le caratteristiche volutedal cliente.La crisi di questi ultimi anni ha portatomolti cantieri a rivalutare le strategie divendita: alcuni puntano esclusivamentead un prodotto di basso prezzo utilizzan-do molte volte materiali d’importazionedi qualità scadente, altri invece puntanoalla fascia alta del mercato con nuovimodelli, costruiti con materiali più per-formanti e leggeri utilizzando rinforzi piùpregiati come i tessuti ibridi (combinaticon fibre: carbonio-vetro, aramide-vetro,carbonio-aramide) o tessuti 100% in fibradi carbonio.Per far fronte alla maggiore richiesta ditessuti in fibra di carbonio Selcom si èdotata recentemente di una modernalinea di tessitura multiassiale che produ-

ce tessuti da 75 gr/m² sino a 800 gr/m²,con una perfetta distribuzione delle fibre.La qualità di questi tessuti, rispetto aitessuti tradizionali, ma anche rispetto aimultiassiali di precedente generazione,riduce drasticamente i punti critici nei la-minati.Anche l’interesse per i bio-compositi ècresciuto notevolmente negli ultimi annigrazie alle buone proprietà meccaniche,bassi costi, bassa densità e soprattuttoalla riciclabilità, a questo scopo Selcomha puntato sulla fibra di lino testandodiverse tipologie di fibre con lo scopo diottenere un tessuto di rinforzo che con-ferisca al laminato buone proprietàmeccaniche.Il prodotto è già in commercio ed è giàutilizzato nel settore nautico. Si tratta diun biassiale formato da due strati difibra di lino, uno orientata a +45° e l’al-tra a -45° in due diverse grammature,400 g/m² e 600g/m².

SELCOM Tessuti tecnici di nuova generazione

Comunicare l’innovazione è un passaggio fondamen-tale per favorire la circolazione delle conoscenze. Divulgare i risultati raggiunti, diffondere le informa-zioni e stimolare il confronto e lo scambio di idee èla nostra missione.

Per questo motivo Compositi Magazine invita pro-gettisti, ricercatori, esperti ed operatori del settoreche stanno lavorando a qualche nuovo progetto, amettersi in contatto con la redazione inviando untesto che ne riassuma gli aspetti principali. Idee e progetti presentati verranno sottoposti al Co-mitato tecnico scientifico che, valutandoli, potrà de-cidere di pubblicarli per darne la giusta visibilità.

L’invito è rivolto anche a esperti e analisti del mer-cato che possono aiutare gli operatori del settore adavere un quadro più completo ed aggiornato suglisviluppi del comparto a livello mondiale, segnalandoevoluzioni nelle normative, indirizzi sull’utilizzo deimateriali e le aree più promettenti per avviare nuovepossibilità di business.

FAI GIRARE LA NOTIZIA!

Contatti:Anna Schwarz redazione@tecneditedizioni.ittel. 02 36517115www.tecneditedizioni.it

Gazechim Compositi Italia

Distributore di prodotti per l’industria dei compositi

La Gazechim Com-positi Italia Spa

distribuisce in esclu-siva sull’intero terri-torio nazionale le re-sine poliesteri e i gel-coat CCP Composi-tes, società francesedel gruppo Total. Inoltre distribuisce sututto il territorio italia-no le resine polieste-ri della Polynt, impor-tante produttore ita-liano e tra i maggioriin Europa. È distributrice per l’I-talia dei rinforzi infibra di vetro dellaOwens Corning e dei feltri in poliestere e fibra di vetro volu-minizzata della tedesca Spheretex.Ai prodotti legati alle normali tecnologie di stampaggio, Ga-zechim affianca anche una gamma completa di materiali eaccessori per lo stampaggio dei compositi in infusione,sottovuoto e RTM light e non. I principali prodotti sono tes-suti multiassiali, flowmedia, film per il vuoto, raccordi,pompe, ecc.Inoltre, grazie alla stretta collaborazione con i propri partnercommerciali, Gazechim è in grado di fornire assistenza alcliente nella fase di start-up delle nuove applicazioni.Un vasto assortimento di additivi ed ausiliari per plastici rin-forzati completa la gamma dei prodotti offerti alla clientela,inclusi i catalizzatori per resine poliesteri dell’Arkema. Particolarmente di rilievo, dal punto di vista qualitativo, sonole cere prodotte da TR Industries, azienda californiana, e gliadesivi strutturali Simson, utilizzati per l’incollaggio di varimateriali sulla vetroresina, compresi legno e plexiglass.Oggi, grazie anche alla trentennale esperienza del suo Am-ministratore, Francesco Riccio, la Gazechim Compositi ItaliaSpa costituisce un punto di riferimento fondamentale nel pa-norama italiano della distribuzione di prodotti per l’industriadei materiali compositi. ■

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nNautica >>

33Compositi

>>Politecnico di Milano - Dipartimento Indaco

di Maurizio Valle e Andrea Ratti

Sostenibilità: questione di progetto

La corretta gestione dei prodotti a fine-vita puòavere un ruolo dirompente nella cantieristicanautica, non solo sotto il profilo dellasostenibilità, ma soprattutto per le opportunitàche la revisione degli attuali approcci progettualialla realizzazione delle imbarcazioni puòcomportare. A partire da una maggiore flessibilità e ottimizzazione dei processi produttivi.

Fig. 1: Linea di produzione di imbarcazioni a motore

Fig. 2: Cabinati abbandonati

trattamento dei rifiuti da queste derivati,dal momento che i possibili approcci suquesto versante pongono di fronte a unaserie di alternative che differiscono perdifficoltà di attuazione, costo, e nobiltàdel risultato ottenibile. La gestione a livello ambientale di grossiquantitativi di rifiuto in materiale compo-sito comporta infatti alcune criticità chedevono essere attentamente valutate erisolte. Per questo motivo, da diversi

ta più favorevole per la realizzazione diimbarcazioni, a partire dai piccoli natan-ti fino ai grandi yacht di 40 metri e oltre.Da qualche tempo però la crescente at-tenzione maturata a diversi livelli neiconfronti del tema della sostenibilitàambientale ha cominciato a renderesempre più evidenti le problematiche as-sociabili alla gestione del fine-vita delprodotto nautico e alle modalità di dis-missione delle imbarcazioni, oltre che al

Idati a disposizione relativi alla compo-sizione del parco nautico indicano cheil 90% circa delle imbarcazioni attual-

mente in esercizio è riconducibile in totoo in parte alle tecniche del composito.Le caratteristiche fisiche e meccanicheofferte da tali materiali, abbinate aibassi costi di produzione, alla versatilitàdel processo e alla libertà di concezionemorfologica sono del resto fattori chehanno fatto del composito in VTR la scel-

nNauticaanni sono allo studio soluzioni che, ope-rando a livello chimico e/o fisico-mecca-nico, consentano di recuperare materia,valore o energia dai compositi dismessi. Tuttavia, la ricerca e le sperimentazioniin corso sulle possibilità di recupero delmateriale, o della sua energia intrinse-ca, rappresenta solo uno dei possibiliapprocci al problema del fine-vita.Accanto al tema del riciclo è necessarioriflettere parallelamente anche sullepossibilità di semplificazione dell’acces-so ai componenti che potranno benefi-ciare di tali trattamenti e, a un livellosuccessivo, sarà interessante indagarele possibilità di riutilizzo di alcune partiin composito, risalendo nella “gerarchiadel rifiuto” a un livello più nobile di risul-tato. È noto infatti quanto sia difficile conser-vare caratteristiche e proprietà dei mate-riali di origine, dal momento che in molticasi queste risultano legate alla naturafibrosa del rinforzo che viene persa nelleoperazioni di frantumazione.Per riuscire a evolvere verso un sistemain cui sia possibile riutilizzare i compo-nenti di un’imbarcazione, bisogna ne-cessariamente prevedere l’introduzionedi una serie di accorgimenti già in fasedi concezione del prodotto. Nello specifi-co, l’obiettivo deve essere quello di ren-dere perseguibile in un’ottica di sosteni-bilità operativa ed economica la gestio-ne separata di componenti e materialiomogenei in modo da evitare che a de-terminare la fine della vita di una imbar-

cazione possa essere l’obsolescenzatecnica e/o funzionale di una sua singo-la parte o viceversa.In altre parole, in un’ottica di previsione

della dismissione, serve integrare infase di progetto una sorta di parcellizza-zione del contenuto di valore ed energiadi una barca in modo che il suo recupe-ro risulti tecnicamente ed economica-mente praticabile.Altri comparti applicativi, come peresempio quello dell’auto, degli elettro-domestici o delle apparecchiature elet-troniche, hanno del resto dimostratocome sia possibile ottenere risultati inquesta direzione.

IL PROBLEMA DEL DISASSEMBLAGGIOLe difficoltà di trattamento dei composi-ti utilizzati in campo nautico derivano ingran parte dalla mancata predisposizio-ne del prodotto a essere sottoposto auna corretta gestione nella fase di fine-vita, non avendo finora la nautica prati-cato, se non in forma episodica, i criteridella progettazione sostenibile. Compli-ce di questo è certamente la strutturale

34 Compositi

Fig. 4: Imbarcazioni abbandonate illegalmente

Fig. 3: La fase di disassemblaggio rappresenta un nodo fondamentale nel problema legato al fine-vita del prodotto nautico

Sostenibilità: questione di progetto >>

carenza di specifica normativa al riguar-do per il settore: questo consente che,al termine del suo esercizio, un’imbarca-zione non abbia di fatto regolamentazio-ni e infrastrutture di riferimento che sifacciano carico di operazioni di disas-semblaggio e pretrattamento per favorir-ne la dismissione.In questo scenario di arretratezza legis-

lativa, organizzativa e progettuale, lafase di disassemblaggio rappresentaprobabilmente il cuore del problema le-gato al fine-vita delle imbarcazioni. Il pro-dotto è costruito infatti con l’obiettivo dirisultare in esercizio come un pezzounico, monolitico, resistente alle solleci-tazioni meccaniche e ambientali e checiò possa essere ottenuto nella manierapiù economica possibile. Ecco allora che il ricorso diffuso a solu-zioni di giunzione irreversibile e/o di dif-ficile accesso, tanto efficaci quanto criti-che nei confronti delle successive esi-genze di smontaggio, è certamente unambito tecnologico attorno al quale ènecessario e possibile sviluppare unaserie di riflessioni. Nello specifico, tra lescocche in vetroresina vengono praticatifissaggi che fanno uso di un mix di ade-sivi strutturali e giunzioni meccaniche, inuna disposizione poco controllata espesso ridondante, che rende molto dif-

ficile separare le parti, una volta assem-blate. Per di più questo ostacola l’acces-so ad altri componenti di composizioneeterogenea come gli accessori di coper-ta in acciaio o gli impianti installati nelloscafo, sotto ai controstampi interni. Al-l’irreversibilità di tali giunzioni si aggiun-ge una disposizione poco razionale dellestesse, che non vengono progettatepensando a una futura fase di disas-semblaggio. Da un punto di vista concet-tuale, questo comporta che i componen-ti risultino assemblati senza una gerar-chia ordinata, rendendo ancora più com-plesso gestire la loro separazione.

DESIGN FOR DISASSEMBLY E MODULARITÀMigliorare tali aspetti legati alle modalitàdi costruzione dell’imbarcazione è quindiun passo decisivo verso la sostenibilitàdel prodotto in fase di dismissione e, trai tanti punti di vista dai quali è possibile

Fig. 5: Disassemblaggio distruttivo

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osservare il problema, uno riguarda pro-prio la configurazione di assemblaggiodelle parti principali dell’imbarcazione. Gli approcci alla progettazione sostenibi-le fanno in genere riferimento ai criteridel Design for Disassembly, per favorirela migliore gestione dei componenti infase di disassemblaggio del prodotto,che stabilisce alcune linee guida proget-tuali per facilitare la separazione delleparti, intervenendo sulla loro forma edisposizione, o dei materiali, in vistadegli obiettivi di trattamento a fine-vita. Per definire quali possano essere lestrategie più convenienti o praticabili ènecessario fare chiarezza inizialmentesulle possibilità di gestione dei compo-nenti una volta disassemblati, in relazio-ne al fatto che questi possano essere ri-utilizzati, riciclati o semplicemente dis-messi. Il Design for Disassembly risultainfatti funzionale agli obiettivi di caratte-re ambientale legati all’estensione dellavita dei prodotti e dei materiali, proprioindividuando e favorendone il trattamen-to più indicato.Nella nautica tale disciplina deve ancorafare il suo ingresso, sebbene l’impiantometodologico già sperimentato in altrisettori applicativi potrebbe essere util-mente trasferito. Volendo applicare talistrategie al prodotto nautico si apronointeressanti possibilità di riprogettazio-ne, che possono essere caratterizzateda diversi livelli di innovazione culturalee tecnologica.Uno degli aspetti più stimolanti da inda-gare riguarda la modularità e le possibi-lità di sfruttare tali principi in un’ottica di

razionalizzazione produttiva. Del resto,possiamo già trovare esempi efficacinella concezione delle grandi navi, cheper necessità dimensionale e costrutti-va vengono realizzate per blocchi, suc-cessivamente assemblati. In manieraconcettualmente analoga si potrebbepensare di progettare il refitting delle im-barcazioni, nel momento in cui fosserodotate di una struttura di connessionetra le parti e di assemblaggio in grado diaccogliere i diversi moduli interni, maanche un loro rinnovo nel corso della

vita utile del prodotto.Ipotizzando di applicare tale approcciocostruttivo al segmento di imbarcazioninumericamente più significativo, costi-tuito dai piccoli o medi cabinati a moto-re, è possibile fare ulteriori riflessionisul modo in cui tali principi potrebberoessere sviluppati e messi in atto.

IL PUNTO DI PARTENZAAttualmente la costruzione di tali imbar-cazioni fa riferimento alla realizzazione eal successivo assemblaggio di tremacro-assiemi, costituiti dallo scafo,dagli interni e dalla coperta, anche se lamaterializzazione di tali subsistemi simaterializza solo a imbarcazione ultima-ta. Tale scomposizione suggerisce lapossibilità di identificare non solo con-cettualmente, ma anche fisicamente, imoduli di una nuova configurazione etale revisione non interesserebbe esclu-sivamente la sequenza costruttiva inbase alla quale le parti verrebbero con-cepite e poi assemblate, ma anche lapossibilità di gestire la natura eteroge-nea delle varie parti da un punto di vistamaterico, estetico e funzionale. Per quanto riguarda i materiali di costru-zione, si potrebbe riassumere infatti cheda un punto di vista quali-quantitativo

Fig. 6: Configurazione di assemblaggio attuale (a sinistra) e nuova configurazionemodulare (a destra) nella sezione semplificata di un cabinato a motore

Sostenibilità: questione di progetto >>

37Compositi

Fig. 7: Allestimento dello scafo di un cabinato

nNautica

nNauticaun’imbarcazione in FRP sia costituitaprincipalmente dal composito dellestampate e dal legno degli interni. Que-sti risultano localizzati in una zona abba-stanza circoscritta del prodotto, che sipresta a essere considerata in manieraindipendente. Da un punto di vista estetico, ciò che ca-ratterizza maggiormente lo stile di un’im-barcazione sono invece le sovrastruttu-re, con i relativi allestimenti e accesso-ri. Gli interni rappresentano anch’essiun fattore importante da questo puntodi vista, mentre lo scafo partecipa in mi-sura minore alla creazione dell’immagi-ne del prodotto esso costituisce inveceil principale componente di caratterefunzionale per l’esercizio dell’imbarca-zione come mezzo di trasporto sull’ac-qua.Analizzando i tempi con i quali un’imbar-cazione raggiunge tipicamente un livello

di obsolescenza tecnica e/o funzionaleci si può facilmente accorgere comequesto difficilmente si verifichi contem-poraneamente per le tre componentiprincipali. Da questo punto di vista po-tremmo considerare la coperta come ilcomponente più soggetto a invecchia-mento stilistico e prestazionale, a causadella sua maggiore incisività nella con-notazione dell’immagine del prodotto edell’intenso utilizzo e sollecitazione chedeve sopportare durante l’esercizio del-l’imbarcazione. In modo simile gli internipossono rappresentare la parte più sog-getta a un invecchiamento più esteticoche funzionale e su questi può risultarein ogni caso più facile intervenire neltempo con operazioni di manutenzione orifacimento. Lo scafo costituisce invece la partemeno soggetta a invecchiamento, siadal punto di vista estetico sia da quello

funzionale. Un’opera viva dalle buoneprestazioni, per esempio, viene spessoriproposta su nuovi modelli, qualora ivincoli progettuali lo consentano. I detta-gli formali delle murate hanno in genereun impatto marginale sul carattere stili-stico di buona parte delle tipologie diprodotto attualmente sul mercato o inogni caso su questi è possibile interve-nire facilmente con piccole modifichesulle attrezzature di cantiere esistenti.

PROSPETTIVE PRODUTTIVE E COMMERCIALITali considerazioni portano a rifletteresulla possibilità di gestire separatamentequesti macro-componenti dell’imbarcazio-ne. Essi sono caratterizzati da obiettivi edurata differenti ed è interessante valuta-re quali possano essere modi alternativiper sfruttarne le rispettive qualità in ma-niera più flessibile ed efficace.

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Sostenibilità: questione di progetto >>

Riprendendo il concetto di modularità eprovando a ipotizzarne l’applicazione, po-tremmo immaginare di gestire gli internicome un modulo a sé stante, integronella sua struttura e assemblabile alloscafo in modo standardizzato. Allo stessomodo potrebbe essere gestita la coperta.Si presuppone, quindi, una configurazio-ne nuova anche nella gerarchia dellegiunzioni progettate per essere localizza-te nei pochi punti strategici e funzionalialla connessione di questi moduli. Allo stesso modo, il loro disassemblag-gio sarebbe facilitato quando fosse per-seguita a livello di dettaglio costruttivouna maggiore accessibilità alla zona digiunzione in modo da poter separare, afine vita, le grosse stampate in vetrore-sina della coperta e dello scafo e gesti-re in maniera indipendente la cellula abi-tativa degli interni. Un aspetto interessante potrebbe esse-

re rappresentato per esempio dalla pos-sibilità di riutilizzo dello scafo che può fa-cilmente prestarsi per sua natura a nuovicicli di vita. In questo modo i componen-ti potrebbero mantenere un valore, lega-to non solo al materiale ma anche allafunzionalità, che può innescare un siste-ma di recupero del prodotto vantaggiosoanche dal punto di vista economico. Tali prospettive non si esaurisconoesclusivamente in benefici di tipo am-bientale legati al miglioramento dellepossibilità di recupero e dismissione: suun piano industriale, una configurazionedi questo tipo potrebbe comportare laconcezione di più linee di produzioneparallele dedicate ai tre sottosistemi, altermine delle quali verrebbe composto ilprodotto finale. Il carattere modulare deitre componenti consentirebbe, tra l’al-tro, di poterli concepire in più varianti,che nelle diverse combinazioni potrebbe-

ro dar luogo a una gamma di configura-zioni basate sulla stessa piattaforma. Diventa allora facile intuire i vantaggiteorici di una tale impostazione produtti-va, anche in una proiezione di tipo com-merciale. L’offerta potrebbe guadagnare enorme-mente in flessibilità e la condivisione dicomponenti tra le parti consentire di otti-mizzare diversi processi. Un aspetto si-gnificativo riguarda la possibilità di utiliz-zare il modulo interno come riferimentoda condividere con gli eventuali fornitoriesterni, responsabili del suo allestimen-to. Le falegnamerie potrebbero prototipa-re e sviluppare gli elementi di allestimen-to e arredo direttamente all’interno delmodulo concesso in uso dal cantiere. Ulteriore valore potrebbe essere disporredi differenti allestimenti interni da pre-sentare al pubblico, senza che questo im-plichi necessariamente la realizzazione

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dell’imbarcazione completa e l’organizza-zione di tutto ciò risulterebbe evidentemen-te più gestibile ed economico.Accanto ai risvolti produttivi, la nuova con-figurazione consentirebbe di aggiornare ilprodotto tramite la sostituzione dei modu-li di cui è costituito, tipicamente quello re-lativo agli interni o alla coperta. Immagi-niamo di poter rinnovare l’imbarcazionecambiandole veste estetica esterna, conle linee dei nuovi modelli; o addirittura so-stituendo il blocco interno, aggiornando lacompartimentazione interna con nuovi vo-lumi e allestimenti. Questa prospettivasarebbe quindi interessante non solo dalpunto di vista ambientale, ma forse primaancora sul piano commerciale e delle op-portunità di marketing del prodotto. La possibilità per il cantiere di affiancarealla produzione un servizio di “aggiorna-mento modulare”, con cui garantire alcliente la possibilità di rinnovare il proprioacquisto in termini vantaggiosi rispetto allasostituzione con il nuovo, potrebbe favorireinfine una forma di fidelizzazione del clien-te attraverso programmi di assistenza eaggiornamenti durante tutta la sua vita.

COSA MANCA?Sviluppare un prodotto che risponda aquesti requisiti richiede di ripensarne laconcezione costruttiva, con riferimento inparticolare al sistema di giunzione tra icomponenti. In una prima ipotesi si po-trebbe immaginare di adattare la produ-zione attuale a questa nuova configurazio-ne, per esempio ridisegnando i particola-ri più critici per consentirne l’assemblag-gio secondo il nuovo schema modulare,senza necessariamente introdurre scon-volgimenti nei processi costruttivi attual-mente in uso. Ovviamente, per procedere nella direzio-ne di una costruzione modulare comequella descritta si deve presupporre un li-vello di industrializzazione del prodottopiù evoluto rispetto a quello oggi utilizza-to in modo diffuso, dal momento che unpiù spinto livello di controllo dimensiona-le e di assemblaggio tra le parti diverreb-be un prerequisito. Si ritiene tuttavia che la posta in gioco intermini di prospettive di adeguamento am-bientale e di cambiamento e innovazionerendano i piccoli sforzi richiesti di tipo cul-turale, industriale e normativo assoluta-mente alla portata del settore. ■

40 Compositi

Fig. 8: La modularitàconsente maggioreflessibilità produttivae possibilità di aggiornamento dei macro-componenti

Fig. 9: La linea di produzione modulare (in basso) permette di concepire diverse configurazioni di prodotto, riordinando le fasi di assemblaggio rispetto all’attuale linea di produzione (in alto)

nNautica

nNautical

The available data on the compositionof the boat population show that ap-proximately 90% of the boats currently

in operation is totally or at least partly madeby means of composite materials tech-niques. The physical and mechanical proper-ties of such materials, combined with thelow production costs, the versatility of theprocess and the freedom of design shapesrepresent factors that have made fiberglass(GRP) composites the most favourablechoice for boat manufacturing starting fromsmall boats to large yachts spanning alength of 40 meters and more.However, recently the growing attention gainedat different levels with respect to the issue ofenvironmental sustainability has started tohighlight the problems connected with the end-of-life management and the disassemblymethods of boats as well as the treatment ofwaste coming from these processes, sincethe possible approaches to this issue gener-ate a number of choices that differ in difficul-ty of implementation, cost, and quality of theachievable results.In environmental terms the managementof large volumes of composite waste im-plies some critical issues that must becarefully evaluated and resolved. For thisreason, for several years solutions havebeen studied that allow one to recover ma-terial, value or energy from discontinuedcomposite manufacts.However, the research and the experimentscurrently investigating the possibilities of re-covery of the material or its intrinsic energyare just one of the possible approaches tothe problem of the end of life.Along with the issue of recycling we must alsoponder how we can simplify the access to thecomponents that will benefit from these treat-ments and, at the next level, it will be interest-ing to investigate the possibility of reuse ofsome composite parts, going back up to the

result of highest quality in the waste hierarchy.Indeed it is well known how difficult it is tokeep the characteristics and properties of theoriginal materials, since in many cases theyare associated to the fibrous nature of the re-inforcement that lost in the waste crushing op-erations.In order to progress towards a system whereit is possible to reuse boat components it isnecessary to provide for the introduction of aseries of measures already during the productdesign stage. Specifically, the aim should beto achieve the operational and financial sus-tainability of the separate management of ho-mogeneous components and materials inorder to avoid reaching the end of life of a boatdue to the technical and/or functional obso-lescence and of a single part or vice versa.In other words, in a perspective of disassem-bly planning, we need to implement a sort ofsubdivision of the value and energy contentof a boat in the design phase in such a waythat the recycling is technically and econom-ically viable.Other industrial fields, like for instance the au-tomotive sector, or the industry of householdappliances and electronic equipment, have ac-tually shown that it is possible to obtain re-sults in this direction.

THE PROBLEM OF DISASSEMBLYThe difficulty of processing of the compositematerials used in the nautical field stemsmainly from the product’s lack of attitude tobe the object of a correct end-of-life manage-ment, as the criteria of sustainable designhave not been adopted in boat manufacturingwith the exception of sporadic cases. Certain-ly a contributing factor is represented by thesystematic lack of specific regulations in thefield: this means that for a boat at the end ofservice life there are no reference regulationsand infrastructures in charge of the disassem-bly and pre-treatment operations supporting

the decommissioning.In such a scenario of lack of regulations, or-ganization and planning, the disassemblystage lies probably at the heart of the issue ofthe boat end-of-life. Indeed the product is man-ufactured with the aims of an operational lifeas a single, monolithic item, able to stand me-chanical and environmental stresses, and of amanufacturing process as inexpensive as pos-sible.Hence this is why it is necessary and possibleto ponder a range of technological issues con-cerning the bonding solutions, which are fre-quently irreversible and/or difficult to access,and thus technically effective and at the sametime critical in terms of disassembly proce-dures. Specifically, bonding by means of a mixof structural adhesives and mechanical joints(badly arranged and often redundant) is usedin fiberglass bodies, which makes it very diffi-cult to separate the parts after they are as-sembled. Moreover, this prevents access toother components of various nature, e.g. steelaccessories of the deck or the systems in-stalled in the inner part of the hull. The irre-versibility of such joints is aggravated by theirpoorly-arranged layout, which is not designedthinking about a future disassembly stage.From a conceptual point of view, this meansthat the components are assembled without astructured hierarchy, making their disassem-bly process even more complex.

DESIGN FOR DISASSEMBLY AND MODULARITYImproving these aspects associated with theboat manufacturing methods is therefore acrucial step towards the sustainability of theproduct being disposed of, and among themany points of view from which one maytackle the problem, one actually concernsthe configuration assembly of the main boatcomponents.In order to make the management of the com-

42 Compositi

by Maurizio Valle and Andrea Ratti

Sustainability: a matter of designThe correct management of products at the end of life can have a significant role in shipbuilding, not only in terms of sustainability, but also for the opportunities implied in the revision of existing design approaches to boat manufacturing, starting from an increased flexibility and optimization of manufacturing processes.

ponents during the manufact’s disassemblystage easier, the approaches to sustainabledesign generally refer to the criteria of the De-sign for Disassembly, which sets some designguidelines to facilitate the separation of theparts by operating on their shape and arrange-ment, or of the materials, considering the end-of-life treatment goals.In order to define the most convenient or fea-sible strategies it is necessary to clarify firstthe management options for the disassem-bled components, that is the possibility toreuse, recycle, or simply abandon them. TheDesign for Disassembly actually serves theenvironmental objectives related to the exten-sion of the service life of products and materi-als by means of the identification and promo-tion of the best treatment.This discipline has not come into practice inthe nautical field yet, although the method-ological framework already tested in other ap-plication areas could be profitably transferred.When considering the application of these

strategies to boat manufacturing, interestingpossibilities open up in terms of redesign,which can be characterized by different levelsof cultural and technological innovation.One of the most intriguing aspects to investi-gate is the modularity and the opportunities toexploit these principles from a point of view ofproduction optimization. Indeed, we can al-ready find good examples in the design oflarge ships, which are produced by blocks andthen assembled due to size and constructionneeds. In a conceptually similar way one couldimagine to design the refitting of boatsequipped with a assembly structure allowingfor the accommodation of the various innermodules as well as for the replacement duringthe service life of the manufact.Assuming the application of such manufactur-ing approach to the most sizeable class ofboats, i.e. small and medium motorized cabincruisers, further speculations could be doneabout the way to develop and apply these prin-ciples.

THE STARTING POINTCurrently, the production of these boats con-sists of the manufacturing and successive as-sembling of three macro-systems, namely thehull, the interiors and the deck, although theeffective realization of these subsystems assuch occurs only when the boat is completed.This idea suggests the possibility of a concep-tual as well as physical identification of thenew configuration modules. This reformulationshould affect not only the manufacturing se-quence leading the production and assemblyof the components, but also the possibility ofhandling the whole variety of parts in term ofmaterial, aesthetics and functionality.As far as construction materials are con-cerned, we could indeed summarize that aFRP boat is both qualitatively and quantitative-ly made of the moulded composite parts andthe wooden interiors. These are located in afairly restricted area of the object, which canbe hence considered independently.From an aesthetic point of view, the style of a

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nNautical Sustainability: a matter of designboat is mainly determined by non-structural el-ements, fittings and accessories. The interiorsare an important factor in these terms, too,while the hull contributes less in the creationof the product look but represents the mainfunctional component for the use of the boatas a means of water transport.Analyzing the time scales over which a boattypically reaches the point of technical and/orfunctional obsolescence we can easily realizethat this moment rarely occurs simultaneous-ly for the three main components. From thispoint of view we may consider the deck as thecomponent with the highest attitude to stylis-tic and performance aging, because of itsgreater impact on the look of the product andof the stresses it has to bear during the serv-ice life of the boat. Similarly, the interiors canrepresent the part where the aesthetic agingprevails over the functional obsolescence andwhere maintenance or renovation operationsover time are easier. On the contrary, the hullis the part less subject to aging, both from theaesthetic and from the functional point ofview. A well-performing hull, for example, ismost often implemented in new models, if thedesign constraints allow it. The formal detailsof the sides usually have a marginal impact onthe overall stylistic look of most types of boatscurrently on the market or it is possible to op-erate on most of them with minor modifica-tions using existing shipyard equipment.

MANUFACTURING ANDCOMMERCIAL PERSPECTIVESThese considerations lead us to consider theoption of a separate management of thesemacro-components of the boat. They arecharacterized by different purposes and dura-tion, and it is interesting to evaluate possiblealternative ways to take advantage of theirrespective qualities in a more flexible and ef-fective way. Reconsidering the concept of modularity andtrying to imagine its application, we couldthink about considering the interior as a mod-ule in its own right, intact in its structure andapt to be assembled with the hull in a stan-dardized way. The deck could be dealt with ina similar way. Therefore we are considering anew configuration also in terms of hierarchy ofthe joints, which must be designed in fewstrategic points functionally aimed functionalat the connection of these modules.In the same way, their disassembly would bemade easier if an increased accessibility tothe jointing area were pursued in the manufac-turing design, in such a way to separate, at the

end of life, the large moulded composite com-ponents of the deck and hull and to handleseparately the inner living space.An interesting aspect could be represented forexample by the possibility of reusing the hull,which by its very nature is easily brought tonew life. In this way the components couldkeep a value associated not only to the mate-rial they are made of but also to their function-ality, which can trigger a system of product re-covery with advantages from a financial pointof view, too.These perspectives are not limited exclusivelyto environmental benefits associated with theimprovement of the recovery and disposal op-tions: in a business plan, a configuration ofthis type could lead to the design of different,parallel production lines dedicated to the threesubsystems to be later assembled in the finalproduct. Furthermore, the modular nature ofthe three components would allow for the de-sign of multiple models giving rise to a rangeof configurations based on the same platformin different assembly combinations.At this point it becomes easy to understandthe theoretical advantages of such a manufac-turing approach, even in terms of a commer-cial perspective.The market supply could gain enormously interms of flexibility, and sharing componentsbetween the parties would allow for the opti-mization of various processes. A significantaspect is the possibility to use the internalmodule as a reference to be shared with pos-sible external suppliers responsible for itsconstruction. Carpenters could prototype anddevelop structural and furnishing elementsdirectly within the module delivered by theshipyard. The availability of a range of interiordecoration exhibited to the public would repre-sent a further added value without necessari-ly implying the full construction of the boat,and the organization of the whole processwould obviously prove easier and more con-venient to handle.In addition to the manufacturing outcomes,the new configuration would allow for the up-date of the product by means of the replace-ment of its modules, typically the interior ordeck components. Imagine that we can renewthe boat by changing the outer look with thestyle of the new models, or even replacing theinner module, updating the interior layout withnew spaces and fittings. This perspectivewould be interesting not only from an environ-mental viewpoint, but maybe even at an earli-er stage, in the business plan and marketingopportunities of the product.

The ability of the shipyard to support the pro-duction of a “modular update” service (whichwould guarantee the customer the opportunityto refurbish their purchase under advanta-geous conditions with respect to the replace-ment) could ultimately lead to a form of cus-tomer loyalty through support and update pro-grams throughout the product’s entire life.

WHAT IS MISSING?The development of a product meeting theserequirements requires rethinking the manu-facturing concept, with particular referenceto the process of component bonding sys-tem. As an initial hypothesis we might imag-ine adapting the current production to thisnew configuration, for example redesigningthe most critical parts to allow for the assem-bly according to the new modular scheme,without necessarily introduce a revolutionarymanufacturing process within the current pro-duction procedures.Obviously, in order to proceed in the directionof a modular manufacture such as that de-scribed one must consider the existence of aproduct with a more advanced degree oftechnological content with respect to the cur-rent standard, since more stringent dimen-sional and assembly constraints would be-come a prerequisite.Nonetheless we believed that the stakes interms of the perspectives for environmentaladaptation and change and innovation makethe required cultural, industrial and regula-tion efforts small and definitely within reachfor this field. ■

44 Compositi

english text

All the mentioned figures refer to the italian version

Fig. 1: Motorized boat manufacturing lineFig. 2: Dumped cabin cruisersFig. 3: The disassembly stage represents a crucialpoint in the issue of the end-of-life of boatsFig. 4: Illegal dumping of boatsFig. 5: Destructive disassemblyFig. 6: Current assembly configuration (left) andnew modular configuration (right) in thesimplified section of a motorized cabin cruiserFig. 7: Set up of the hull of a cabin cruiserFig.8: Modularity allows for an increasedmanufacturing flexibility and opportunity ofrenovation of the macro-componentsFig. 9: The modular manufacturing line (bottom)allows for different product configurationconcepts, modifying the assembly sequencewith respect to the present production line (top)

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MaTech, il Dipartimento del Parco Scien-tifico e Tecnologico Galileo di Padova chesi occupa di materiali innovativi, fin dallasua costituzione è impegnato in un’attivi-tà di scouting dei materiali innovativi pre-senti sui mercati internazionali, effettua-ta con continuità attraverso il contatto di-retto con le imprese produttrici di nuovimateriali e tramite la visita di specialistiai più importanti convegni, fiere e rasse-gne internazionali. I materiali e i prodottisono oggi valutati non solo per le loro pre-stazioni tecnico-funzionali e per il loro va-lore estetico ma anche per l’impatto am-bientale lungo tutto il loro ciclo di vita;questa tendenza oggi interessa forte-mente anche il settore della nautica. Per rispondere a questa crescente sen-sibilità del mercato si inseriscono lenuove proposte di compositi a basso im-patto ambientale in cui il tradizionale rin-forzo in fibra vetro o carbonio lascia spa-zio alle nuove fibre di canapa, lino obambù. Per ottenere compositi al 100%naturali si possono impiegare filamenti

di PLA (acido polilattico) all’interno dellatessitura del lino. Anche i produttori di resina termoindu-rente stanno sviluppando alcune versioni“bio” dei loro prodotti, di derivazione par-zialmente naturale, e i primi risultati sonogià sul mercato. L’impiego di questanuova generazione di resine, rispetto aiprodotti tradizionali, non solo contribui-sce a migliorare l’impatto ambientale delprodotto composito finale, ma rappresen-ta anche un vantaggio in termini di pre-venzione dei rischi legati alla manifatturadei pezzi, spesso caratterizzata dalla pre-senza della nociva formaldeide. Si possono oggi registrare le prime signi-ficative applicazioni di compositi comple-tamente “bio” in alcuni prodotti del set-tore auto (inserti auto di CITROEN C4 PI-CASSO e Mercedes M-Class), dell’artico-lo sportivo come racchette da tennis, scie nel settore della nautica (ad esempiola barca da regata offshore Mini Transat,ergonomica e leggera, realizzata con l’u-tilizzo di tessuti in lino e di resine “bio”).

Il laboratorio di ricerca Microtex continuaa lavorare ricercando soluzioni innovativesempre più ecosostenibili: tessuti di ab-bigliamento impregnati con resine epos-sidiche per applicazioni estetiche sonodiventati il fiore all’occhiello della ricercaper un accessorio unico e personalizzabi-le al 100%. Tessuti di seta, viscose, po-liestere, lane, impregnate e all’occorren-za accoppiate con fibra di carbonio, mo-dellate secondo le infinite applicazionidella moda e di tutti gli altri settori che ri-cercano l’unicità e l’imprevedibilità.L’interesse per i bio-compositi, negli ulti-mi anni, è cresciuto notevolmente graziealle buone proprietà meccaniche, bassi

costi, bassa densità e riciclabilità.Nell’enorme panorama delle bio-fibre ri-sultano par ticolarmente interessantiquelle di lino e canapa adatte anche nelcampo del rinforzo strutturale, oltre cheessere molto particolari per qualsiasi ap-plicazione estetica.Come tutte le fibre vegetali, il lino e la ca-napa possiedono una struttura molecola-re estremamente complessa, formata dauna molteplicità di biopolimeri (lignina,cellulosa cristallina, pectina ecc.) edun’architettura nanostrutturata che con-ferisce a queste fibre proprietà meccani-che tali da poter essere utilizzate anchecome rinforzi nel settore civile.

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La cantieristica nautica è sempre più at-tenta all’utilizzo di biocompositi nelle co-struzioni del settore. Su questa tematicaSika, multinazionale chimica presentenel settore delle costruzioni edili e nelmondo dell’industria, in collaborazionecon l’azienda Face, impegnata nella pro-gettazione e costruzione di gommoni eche si propone come supporto e consu-lenza per le aziende e i cantieri che vo-gliono affacciarsi alla tecnologia dell’in-fusione, hanno sviluppato e realizzato unnuovo progetto.Con l’obiettivo di implementare il con-cetto di biocomposito ad una produzioneseriale di un reale manufatto con funzio-ne strutturale, sono stati applicati mate-riali e processi sostenibili nella produ-zione di un battello pneumatico da di-porto ad elevate prestazioni. Ricerca edinnovazione delle materie prime, valida-zione sperimentale mediante prototipa-zione, ingegnerizzazione ed ottimizzazio-ne del processo hanno permesso di svi-luppare le logiche e la tecnologia pro-duttiva di un’imbarcazione pneumatica,implementando il laminato “tradiziona-le” (fibra di vetro, anima in PVC e resinapoliestere) con un materiale compositosostenibile di fibre naturali e resine dinuova generazione.Materie prime e modalità di processo delbiocomposito sono caratterizzate dai se-guenti prerequisiti: • fibre e materiali d’anima: naturali, rin-novabili per applicazione non-food• matrici a basse emissioni: low VOC,Normativa Reach, assenza stirene• basso impatto ambientale: requisiti disicurezza e controllo rischi espositivi• garanzia di qualità costante e riproduci-bile in un processo di produzione seriale• ottimizzazione dei costi e dei tempiciclo, garantendo anche una funzionestrutturale e non “solo” di design (ca-

ratteristiche meccaniche comparabili,se non superiori, alle versioni “tradizio-nali” di composito, garantendone l’im-piego con affidabilità su componentistrutturali).L’imbarcazione pneumatica scelta rag-gruppa tutti gli elementi per validare lecaratteristiche del biocomposito, come laproduzione seriale, la necessità di resi-stere ad alte sollecitazioni, una compo-nente estetica molto ricercata nel suo ge-nere: lo Zar 57 del cantiere Zar-Formenti.È un battello pneumatico lungo 5.70 m,largo 2.54 m, con un peso totale senzamotore di 680 kg ed una velocità di pro-getto di 40 kn: la soluzione vetro + PVC+ poliestere è stata sostituita, con pesiraffrontabili, con la soluzione del bio-composito: tessuto Face Fibers lino da390 g/m2 + anima sandwich Corecork

by Amorim NL10 da 6 mm + matrice inresina epossidica Sika Biresin CR 83 &CH 83-2/-6. La riduzione dell’impattoambientale è stata garantita sia dallematerie prime naturali utilizzate sia dal-l’ambiente di lavoro pulito durante lafase di lavorazione. Inoltre le prove di in-fusione one-step hanno dato buoni ri-sultati in termini di finitura superficiale:lo scafo senza skincoat non ha riscon-trato problemi di bolle mentre la coper-ta senza gelcoat è stata verniciata conminime operazioni di carrozzeria. Il van-taggio più significativo è stato la ridu-zione del peso di 80 kg rispetto alla ver-sione standard. Questo e la maggior ri-gidità dello scafo hanno permesso albattello di ottenere eccellenti per for-mance in acqua raggiungendo la veloci-tà di 46 nodi a pieno carico.

Materie prime - matrici - confronto delle caratteristiche tra resina epossidica (EP) SikaBiresin e poliestere (UP-soluzione di riferimento)

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Speciale nautica

SPECIALINSERT

Inserto adeformazionecon doppioancoraggioSpecialinsert è impegnata nella realizza-zione di inserti adatti alle necessità difissaggio dei differenti materiali. Nata nel1974, ha mantenuto l’iniziale specializ-zazione nei sistemi di fissaggio meccani-ci affiancando alla realizzazione di solu-zioni in proprio la distribuzione di prodot-ti in esclusiva.La sua produzione è interamente Made

in Italy, con sistema aziendale certificatoICIM dal 1997 nello stabilimento di Maer-ne (VE)L’azienda fornisce assistenza al clienteprima, durante e post vendita.Uno degli aspetti da evidenziare è la co-stante ricerca dell’innovazione, lo svilup-po di nuovi sistemi orientati alle esigen-ze di mercato e ai materiali di nuova con-cezione, grazie alla presenza al suo in-terno di un laboratorio tecnologico e diun ufficio studi.Tra i materiali di nuova concezione spic-cano i pannelli sandwich, che hanno l’u-tilità di alleggerire e contemporaneamen-te ottenere un prodotto con ottima resi-stenza; per queste loro caratteristichesono alla base degli sviluppi in diversisettori, tra i più importanti si distingue lanautica, dove il peso incide notevolmen-te sui consumi e sulle strutture.

Ma cosa si può usare per fissarsi suipannelli sandwich? Questo è ciò che lamaggior parte dei progettisti si domandaquando pensa a come fissare armadi,estintori, sedili, pensili, mensole e quadrielettrici.La soluzione è nata proprio in seguito adun’applicazione fatta per fissare una con-solle di guida su un pavimento in pannel-lo sandwich, da questo punto di partenzale applicazioni sono diventate sempre piùnumerose.

DEFORM-NUT TC/SCInserto a deformazione con doppio anco-raggio, meccanico e chimico. Il primo èdato dallo stesso principio del Deform-Nut, il secondo è assicurato dalla collaposta nel foro prima del montaggio dell’in-serto stesso. Questo tipo di fissaggio ga-rantisce la planarità dell’inserimento,evita il soffocamento della zona indeboli-ta, fa lavorare su tutta la sua altezza ilpannello sandwich distribuendo i carichisu tutto il pannello e non solo su unaparte di esso come i classici fissaggi. Inol-tre per finire dà il vantaggio di utilizzarlo emovimentarlo immediatamente, a diffe-renza di molti altri presenti attualmentesul mercato. Questo inserto è idoneo adancorarsi a tutte le tipologie di pelli, allu-minio, carbonio, vetroresina, ecc. I carichia trazione arrivano fino a 2800 N, in rela-zione alla tipologia di applicazione e mate-riali utilizzati. Prodotto brevettato.

DEFORM-NUT TC/SC/1Inserto derivato dal precedente con glistessi sistemi di ancoraggio e le stessequalità, ma con il vantaggio di poter lavora-re su spessori minimi. Prodotto brevettato.

TC-SC TC SC 1 applicato

Foratura del pannello

Compositi

Speciale nautica

ZUND

Tecnologia di precisione I sistemi multifunzione Zund sono utilizzati pertaglio e finitura non solo della fibra di vetro im-piegata per la costruzione degli scafi, maanche del carbonio e degli altri materiali com-positi utilizzati per la produzione di accessori-stica. Oltre che per la lavorazione dei timoni edegli alberi, è possibile applicare la tecnologia

Zund anche per il taglio delle vele. Il sistema 3XL-3200 CV è adatto all’esecu-zione di questa specifica operazione, grazie al formato di 3200 mm. Anche i tessuti e i PVC spalmati per la produzione dei teli copri barca, le pellisintetiche e i tessuti per cuscineria, le pellicole in PVB per i vetri stratificati, ifilm di poliestere e policarbonato per cruscotti, plance, quadranti e strumenta-zioni, nonché le lastre in polipropilene per la realizzazione di serbatoi su misurae le pellicole per la decorazione di interni, fanno parte dell’ampio elenco di ma-teriali applicati alla nautica che un sistema Zund può lavorare. Commercializzati sul territorio nazionale da ZundLab, i plotter sono studiati perlavorare 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Molto solidi e robusti nella struttura, oltread offrire massima produttività, eccellono per ergonomia, facilità d’uso e con-sumi energetici ridotti. La modularità è un’altra loro caratteristica vincente: inove modelli di cui si compone la famiglia G3, la terza generazione di plotterdella casa svizzera, sono compatibili con tutti gli utensili e i dispositivi automa-tici di alimentazione dei supporti forniti da Zund.

Applicazioneavvolgifiocco

su Perini Navi

ICC camera

Zund G3

49

VABER

Adesivistrutturali in unoscafo da recordIl 28 settembre 2012 Fabio Buzzi, detento-re di numerosi record di velocità sull’acqua,e il suo equipaggio hanno stabilito un nuovorecord sulla tratta New York - Bermuda conla barca FB Design 41 che ha percorso lecirca 670 miglia nautiche in sole 17 ore e 6minuti, alla media di 39,49, nodi, miglioran-do di 4 ore e 33 minuti il precedente record.Il 40 piedi protagonista del record è natonel cantiere FB Design ed è stato disegna-to personalmente dal campione. Gli scafiprodotti dall’impresa sono veloci, affidabilie resistenti, in grado di affrontare lunghipercorsi senza soste e in condizioni anchedifficili. Lo scafo utilizza la tecnologia“Structural Foam”, un brevetto di FB Designche permette di iniettare una schiuma po-liuretanica nel fondo dello scafo per ren-derlo assolutamente inaffondabile.Gli adesivi strutturali Plexus® sono stati utiliz-zati per l’assemblaggio delle parti strutturalidello scafo che è stato realizzato completa-mente in composito. In questa prova gli adesivi strutturali hannoconfermato le loro specifiche performancedi affidabilità e soprattutto di resistenzaalla fatica e agli urti. Assicurano prestazio-ni migliori rispetto ai giunti laminati perchéin pratica non richiedono preparazioni dellesuperfici, hanno un potere riempitivo fino a50 mm e permettono un montaggio più fa-cile e veloce.Gli adesivi prodotti da ITW Plexus® sono tec-nologicamente avanzati e con un ridotto im-patto ambientale, nel pieno rispetto dellenorme più severe di protezione e salva-guardia ambientali. ITW Plexus® detiene ilbrevetto mondiale della tecnologia a basedi metacrilato Core Shell impact modifier. Iprodotti ITW Plexus® sono distribuiti in Italiada Vaber.

Speciale nautica

GRACO BVBA

Sistemi FRPDosatori e pistole per applicazioni di gelcoat e fibre di vetro

Siste

emi FRP

GRACO BVBA

PERSICO MARINE

Imbarcazioni che puntanoalle performance A fine maggio di quest’anno sono partitidalla Persico Marine a Nembro gli scafi incarbonio dell’AC72 Luna Rossa Challen-ge destinazione Auckland pronti per ilvaro che si è tenuto ad inizio novembre. Da questi capannoni di Nembro, a pochikm da Bergamo, l’anno scorso è partitoanche il Volvo 70 di Abu Dhabi Ocean Ra-cing e lo stesso è avvenuto per gli stam-pi in carbonio dell’ala dell’AC72 di Arte-mis Racing. Una cinquantina di tecnici specializzatida tutto il mondo, frese per lavorarepezzi anche di 25 m, la possibilità di ac-cedere al know how del gruppo, a co-minciare dal settore Research & Deve-lopment, oltre a un portfolio unico, si-gnificano oggi per Persico Marine unaserie di progetti in dirittura d’arrivocome, ad esempio, un superyacht cu-

stom per il quale è stato chiesto all’a-zienda di realizzare tutte le sovrastruttu-re in composito di uno yacht sopra i 100m in turnkey solution. Persico Marine èquindi delegata alla progettazione, aicalcoli strutturali, alla realizzazione deglistampi, dei pezzi/stampate in infusionecon resina epossidica e infine del mon-taggio presso il cantiere. In questo periodo alla Persico Marinestanno ultimando il primo scafo in carbo-nio della New Volvo Class 2014-2015, unprogetto sviluppato dallo Studio Farr e lacostruzione costituirà un vero puzzle. LaVolvo New class nascerà infatti da unconsorzio di aziende. Persico Marine harealizzato lo stampo in infusione in car-bonio alto TG (come aveva già fatto perl’ala rigida di Artemis e per alcuni alberiin carbonio della consociata Future Fi-

bres) e poi tutti gli scafi, completi diparatie strutturali e altri elementi comela keel box; altri tre cantieri europei si oc-cupano invece rispettivamente della co-struzione della coperta (Multiplast inFrancia), di alcuni componenti interni(Decision in Svizzera) e infine dell’as-semblaggio finale delle imbarcazioni(Green Marine in Inghilterra).Per la sua partecipata Future Fibres Per-sico Marine ha realizzato degli stampi inalluminio per la costruzione di albero eboma (fino a 75 mt) in carbonio con unsistema di guarnizioni e di chiusura svi-luppato internamente. L’azienda sta inol-tre usando la tecnologia della poltrusio-ne (la fibra è tirata all’interno degli stam-pi invece che esserci spinta, come inve-ce avviene nell’estrusione) per dei grandipannelli per yacht. ■

t Tecnologie >>

51Compositi

>>R&D Lamiflex Group

di Mauro Maggioni e Federico Ciatto

RTM per applicazioni strutturaliSviluppato con il supporto del Dipartimento di Ingegneria Aeronautica del Politecnico di Milano lo studio realizzatoda Lamiflex evidenzia come la tecnologia RTM rappresenti un’alternativa all’utilizzo dell’autoclave per partistrutturali lineari, in particolare travi a sezione ad “H” a geometria complessa, che si avvicinano molto a quelleottenibili per la macchinazione cnc di metalli.

componente manuale della tecnologiaautoclave influisca anche sulla produttivi-tà stessa. Per contro, i componenti chene scaturiscono possiedono un elevatis-simo rapporto fibra/matrice e un rappor-to peso/resistenza così vincente da giu-stificarne l’utilizzo per strutture destinatead aeromobili.Le geometriche dei componenti che nescaturiscono, però, sono spesso sempli-ci e molto “lineari”, lontane dalla com-plessità che si può ottenere attraverso lamacchinazione di un metallo. Questo li-mite si basa sul fatto che i tessuti di

produttivo, ciclo di cura sono normati dauna serie di specifiche molto dettagliateche inquadrano il processo stesso comespeciale. L’importanza dei “laminatori”,tecnici altamente specializzati che de-pongono i preimpregnati secondo oppor-tuni schemi di laminazione, è un cardineimportante del processo e influisce sullaqualità dei particolari stampati. Una dis-attenzione in fase di laminazione, la di-menticanza di strati durante la costruzio-ne del laminato possono portare a scar-ti o addirittura a cedimenti del particola-re strutturale. Si intuisce come la forte

L’evoluzione continua delle struttu-re meccaniche, con particolare ri-ferimento a quelle dinamiche,

unita alla sempre maggiore propensionealla leggerezza delle stesse, ha portatonegli ultimi anni un aumento dell’utilizzodei materiali compositi in sostituzionedelle leghe metalliche. La tecnica costruttiva maggiormente im-piegata per parti strutturali è quella del-l’autoclave, dove una serie di preimpre-gnati, tessuti precaricati con resina nonpolimerizzata vengono stesi su unostampo e successivamente curati conl’ausilio di temperatura e pressione al-l’interno dell’autoclave. La quasi totalitàdei componenti in composito avanzatopassa attraverso il processo produttivodescritto. In particolare, la tecnica èquella impiegata nel settore aeronauticodove materiali, formazione del personale

Fig.1: Contenuto di fibre in funzionedella produttività

Fig.2: Esempi di travi con forme complesse

t Tecnologie

rinforzo sono strutture piane che per tra-sformarsi in geometrie tridimensionalinon sviluppabili e complesse necessita-no di deformazioni elevate o addiritturatagli e sovrapposizioni con conseguentiproblematiche di sovraspessori e una no-tevole complessità anche nella progetta-zione degli stessi soprattutto per quantoriguarda la simulazione meccanica.Tagli, sovrapposizioni, deformazioni sonomodifiche intrinseche alla proprietà delcomposito stesso, quindi valori di modu-li elastici, o meccaniche di rottura ottenu-

te per provini piani devono essere appli-cate alle strutture tridimensionali con uncerto margine di incertezza che generafattori di sicurezza a volte elevati.Parallelamente, sotto la forte spinta delsettore automotive, sono stati sviluppa-ti altri processi produttivi; in particolarela tecnologia RTM (Resin Transfer Moul-ding) permette l’iniezione diretta instampo di resina liquida che riempie lacavità dello stampo precedentementecaricata con una struttura in tessutoasciutto.Le frazioni volumetriche ottenibili fino aqualche hanno fa sono state ampiamen-te portate a livelli paragonabili a quellidell’autoclave grazie ad una sempre mag-giore disponibilità di rinforzi strutturali de-dicati a tale tecnologia con particolare ri-ferimento alle strutture multiassiali.Un secondo aspetto che ha limitatomolto l’ingresso della tecnologia RTMnel settore aeronautico è stato anche lascarsa letteratura e i dati delle caratteri-stiche dei materiali al fine di poterli inse-rire in simulazioni numeriche di progetta-zione. In ogni caso sono molteplici i vantaggiche la tecnologia RTM possiede in termi-ni di automazione, produttività, minor di-pendenza della qualità del componentedal fattore umano.La tecnologia RTM rappresenta un’alter-nativa all’utilizzo dell’autoclave per partistrutturali lineari, in particolari travi a se-zione ad “H” a geometria complessa.Proponiamo una linea guida costruttivaper la realizzazione di geometrie che siavvicinano molto a quelle ottenibili permacchinazione cnc di metalli.Particolare importanza ha avuto, nellosviluppo del lavoro, il concept della pre-forma che da un lato permette la realiz-zazione della stessa esternamente altool di stampaggio, dall’altro fornisceuna logica costruttiva così versatile dapoter essere applicata ad un numeroelevatissimo di strutture tipo trave. Lapreforma in oggetto e il sistema costrut-tivo sono stati brevettati da Lamiflex.È stata anche ottenuta un’elevata moledi dati tecnici di progetto per una nuovagamma di materiali che potrà permette-re l’applicazione della tecnica e dei rela-tivi materiali già in fase di progettazioneper programmi strutturali futuri. Outputdel progetto sono stati infatti valori di

52 Compositi

Fig.4: Rottura di provini

Fig.5:Esempio di test DMAtest (resinaRTM6Hexcel)

Fig.3: Stampaggio provini

RTM per applicazioni strutturali >>

moduli elastici flessionali e trazionali,valori di invecchiamento e assorbimentodi umidità, valori di temperature di trans-izione vetrosa, valori di rottura e relativimeccanismi di cedimento. Il lavoro puòessere sintetizzato in cinque differentistep:• studio dei materiali di rinforzo e resine• test meccanici e chimico-fisici su provini• costruzione della pre-forma• stampaggio • analisi dei componenti stampati.

STUDIO DEI MATERIALI DIRINFORZO E RESINE - TESTLa scelta si è concentrata principalmen-te sui rinforzi quadri assiali accoppiatiattraverso un sistema di cuciture con fi-lato poliestere e unidirezionali al fine difornire una maggiore capacità di resi-stenza in direzioni preferenziali.Il quadro assiale (12K HR T700 construttura 0°;+/-45°; 90°) permetteun’ottima manipolabilità e stabilità del

rinforzo stesso durante i tagli e le defor-mazioni imposte mantenendo un ottimoorientamento della fibra anche dopo de-formazioni particolarmente severe.Oltretutto la quasi isotropia del mate-riale consente, ai particolari stampati,una netta diminuzione delle tensioniinterne residue a maggior vantaggiodella stabilità dimensionale. L’orienta-mento delle proprietà viene ottenutoposizionando gli strati di UD nelle dire-zioni necessarie. Le laminazioni ottenute sono state con-frontate con i materiali omologati stan-dard attualmente in uso soprattutto nelsettore aeronautico fornendo ottimi ri-sultati.La scelta delle resine è stata volutamen-te molta ampia in modo da permettereuno spettro di dati completo e valorizzarelo studio per una più ampia gamma di ap-plicazioni (non solo quelle aeronautiche).Si è quindi deciso di utilizzare unagamma di resine che spazia da bassa Tg

(circa 80°C) fino a Tg superiori a 200°C.Tali resine, a base epossidica, sonostate fornite da Huntsman, Hexcel eGurit.Attraverso la realizzazione di uno stam-po in carbonio per laminati piani si è pro-ceduto a realizzare una serie di provinicombinando molteplici laminazioni e re-sine per un totale di 13 laminazioni.Dalle lastre stampate sono stati ottenu-ti provini per test trazionali, flessionali,DMA, DSC, assorbimento di umidità, fra-zioni volumetriche, grado di porosità. All’interno della figura 6 si possono os-servare i risultati tecnici più importantiin termini di performance strutturali.Quello che si può osservare è un ottimo,

53Compositi

Fig.6: Comportamento meccanico di provini RTM Fig.7:Coefficienteelastico

Fig.8 a,b: Concept standard di trave e concept RTM con butt-joint

[a] [b]

e in alcuni casi superiore, comportamen-to dei materiali in studio rispetto aglistandard aeronautici. I dati ingegneristiciottenuti sono quindi un’ottima fonte diprogettazione per strutture in compositoprocessate con tecnologia RTM. La figu-ra 7 riporta i coefficienti elastici struttu-rali completi per la combinazione quadriassiale; UD e resina RTM6.

COSTRUZIONE DELLA PREFORMAIl core dello sviluppo è rappresentatodalla preforma che permette una com-plessità geometrica finale molto similealle strutture in metallo macchinate. Ilcuore del concept si basa sul concettocostruttivo di butt-joint per la realizzazio-ne della forma ad “H”; sistema brevetta-to da Lamiflex. Nella concezione stan-

dard la tipica forma ad “H” viene realiz-zata per piegatura del materiale dallaparte piana alla web della trave. Se latrave non è prismatica e presenta formemolto più complesse, questa logica co-struttiva entra in crisi perché i limiti dideformabilità dei materiali di rinforzo im-pongono un range ristretto di geometrierealizzabili.

Fig.9 a,b,c: Esempi di preforma in carbonio

t Tecnologie

[a] [b] [c]

RTM per applicazioni strutturali >>

Ne segue che quando si approccia larealizzazione di componente di questogenere in composito o si vuole sostitui-re l’elemento macchinato in metallo oc-corre rivedere la geometrica dell’interatrave. Al contrario il concept costruttivoproposto da Lamiflex, combinato conl’utilizzo dei materiali di rinforzo oppor-tuni, rende possibile la realizzazione diun’ampia gamma di geometrie. La figu-ra 8a mette in evidenza come l’elevatadeformazione che verrebbe richiesta altessuto di rinforzo nelle zone degli spi-goli, chiaramente non realizzabile, im-pone l’eliminazione dello spigolo stes-so creando una struttura aperta e in-trinsecamente meno rigida della strut-tura mostrata in figura 8b che può es-sere facilmente realizzata come mo-strato nella figura 9.Prendendo come riferimento le geome-trie della figura 2, ottenute per macchi-nazione dal pieno, un tipico approccioper la realizzazione delle stesse incomposito è rappresentato in figura 9.La tecnica a butt-joit permette la co-struzione di una forma con un’ottimadistribuzione del filato di rinforzo e congeometria complessa che si avvicinamolto a quanto ottenibile da macchina-zione.Una geometria di questo tipo risulta in-

trinsecamente più rigida a vantaggiodella rigidità della struttura nel suocomplesso e la presenza di materiale dirinforzo multiassiale diminuisce le ten-sioni residue all’interno del pezzo e mi-gliora il comportamento a fatica delcomponente.

STAMPAGGIO E TESTINGLo stampaggio è stato ipotizzato con stra-tegia di iniezione periferica che permetteun’ottima distribuzione del fronte di avan-zamento della resina ed elimina proble-matiche di formazione di vuoti interni.

55Compositi

Fig.10: Prifilo di temperatura dello stampo

Fig.11: Tool per RTM 3D

Fig.12: Preforma in carbonio e parte stampata

Fig.13: Stampo in resina per lo sviluppo del concept

Fig.14: Analisi superficiale SEM

Un’importante innovazione è stata larealizzazione del sistema di termorego-lazione dello stampo in carbonio attra-verso un insieme di resistenze integra-te nello stampo e controllate da unacentralina termica esterna a PLC concontrollo PID. Quest’ultima permetteanche la registrazione di segnali da ter-mocoppia e ha permesso di costruire ilprofilo termico dello stampo e dellapreforma in esso contenuta. In questomodo è stato possibile verificare la cor-retta distribuzione della temperatura eottimizzare il ciclo di curing in mododettagliato. La figura 10 mostra il profi-lo termico dello stampo con una rampadi salita di 2°C/min.Il materiale di costruzione dello stampoè HEXTOOL® M81; un mat random tridi-mensionale di carbonio sviluppato daHexcel che permette la macchinazionedella superficie dopo lo stampaggio etemperature di esercizio fino a 200°C.Si evita in questo modo la fase del ma-ster model in quanto la geometria finaleè ottenuta per lavorazione.La struttura in carbonio dello stampominimizza le dilatazioni termiche conse-guenti alle temperature di esercizio otti-mizzando le tolleranze dimensionalidello stampato.In fase di concept stampaggio, con loscopo di verificare la strategia di iniezio-ne e i tempi di riempimento, si è optatoper uno stampo diretto in resina poliure-tanica a bassa Tg (circa 80°C) e iniezio-ne con resina Gurit Prime 20 (fig. 13).Lo stampo si è rivelato leggero e funzio-nale e di rapida realizzazione in grado distampare anche piccole serie con costiparticolarmente contenuti.

Analisi al microscopio elettronico dellasezione della trave processata in RTMhanno evidenziato un’assenza di vuotiinterni a vantaggio della resistenza a fa-tica del componente. Presso il PoliMi èstato stimato un livello di porosità infe-riore allo 0,01%.Sulla base dei dati ingegneristici otte-nuti sui provini è stato sviluppato unmodello FEM della trave per un’analisistatica per confrontare i risultati conuna prova meccanica reale.Presso il Dipartimento di IngegneriaStrutturale del Politecnico di Milano èstata effettuata la prova statica dellatrave simulando un’azione di trazionecon momento. La figura 16 mostra laprova di trazione e il grafico di carico infunzione dello spostamento della tra-versa.Il carico di primo cedimento previstodalla simulazione FEM è di circa 2800Kg e si è rivelato un valore molto vicinoal reale osservato durante la prova ditrazione. Il cedimento completo dellatrave si è osservato ad un carico dioltre 5 ton con un collasso della websottoposta a carico di compressione.

CONCLUSIONI Il lavoro svolto ha messo in evidenza lareale applicabilità e ripetibilità della tec-nologia RTM per strutture portanti com-plesse, ha permesso di costruire un im-portante database di dati di progetta-zione e ha creato un network di lavorotra un gruppo di aziende che, ciascunaper le proprie competenze, ha introdot-to quanto di più avanzato sia stato svi-luppato recentemente a favore dellatecnologia RTM. ■

56 Compositi

Fig.15: FEM

Fig.16: Test statico presso il PoliMI

t Tecnologie

RTM per applicazioni strutturali

WORKSHOPIl lavoro descritto è stato presentatoin modo dettagliato attraverso unWorkshop svoltosi presso l’HeadQuarter di Lamiflex Spa lo scorso otto-bre, dove si è mostrato lo stampaggioe il curing in diretta della trave in car-bonio affiancata ad una serie di pre-sentazioni tecniche legate alla tecno-logia RTM. All’evento hanno parteci-pato referenti di aziende provenientidal settore aeronautico e industrialeverificando la reale versatilità, ripetibi-lità e controllo della tecnologia.

Il marchio Araldite® citato è di proprietàHuntsman Corporation o di una sua affi-liata, oppure concesso su licenza a Hunt-sman Corporation o a una sua affiliata. I marchi HexForce®, HexFlow®, HexTool®

M81citati sono di proprietà Hexcel o diuna sua affiliata, oppure concessi su li-cenza a Hexcel o a una sua affiliata.

LAMIFLEXAzienda che lavora nel settore dei compositi dalla metà deglianni ’70 principalmente come fornitore e inventore dei nastriporta-pinza e delle relative ruote dentate, anch’esse in com-posito, di azionamento per i telai meccano-tessili. Negli annisi è differenziata avvicinandosi a settori industriali per la pro-duzione di tubi in pressione, rulli e lame raschia cilindri perl’industria della carta, al settore medicale per la produzionedi lettini e accessori per macchine radiologiche, al settoresportivo e del design abbracciando la maggior parte delle tec-nologie utilizzate per la realizzazione di componenti in compo-sito avanzato con resine epossidiche. È fornitore qualificatodi AgustaWestland e Alenia Aeronautica per la fornitura dicomponentistica in composito.Vanta una esperienza decennale di produzione in RTM perapplicazioni strutturali statiche e dinamiche ed è in continuosviluppo sulla tecnologia che ritiene essere vincente e appli-cabile a componentistica strutturale avanzata.Collabora con Alenia per lo sviluppo di componentistica strut-turale in infusion/RTM all’interno di programmi di ricerca for-nendo competenze di concept, costruzione stampi e tecnolo-gia di processo.Attualmente conta circa un centinaio di dipendenti e un set-tore di R&D che lavora a tempo pieno su nuovi progetti eprogrammi di sviluppo per il continuo miglioramento delletecnologie e dei materiali.

t Technologies

The continuous evolution of mechanicalstructures, with particular reference todynamic ones, combined with the ever

growing tendency towards lightweight compo-nents, has led in recent years to an increas-ing use of composite materials at the ex-pense of metal alloys.The manufacturing technique most frequent-ly used for structural parts is the autoclavetechnique, where a set of prepregs, i.e. fab-rics pre-loaded with non-polymerized resins,are laid up in a mould and subsequentlycured by means of high temperature andpressure in the autoclave. This manufactur-ing process applies to almost all advancedcomposite components. In particular, thistechnique is exploited in the aerospace fieldwhere materials, technical staff training andcuring cycle are standardized by a set of verydetailed regulations thus defining a very spe-cial procedure. The importance of the techni-cians responsible for the lay-up of prepregsaccording to proper lamination schemes is acrucial point of the process and influencesthe quality of moulded products. Any inadver-tency in the lamination process, any missinglayer in the assembly of the laminate struc-ture can result in alteration or even failure ofthe structural part. It is easy to feel the influ-ence of the considerable manual work pres-ent in the autoclave technology on the pro-ductivity itself. Conversely, the resulting com-ponents have a very high fiber/matrix ratioand an effective weight/resistance ratiowhich justifies the use in aerospace struc-tures.However, the geometries of these compo-nents are often simple and rather "linear",far from the complexity that can be obtainedby means of machining of metallic parts.This limitation is based on the fact that thereinforcing fabrics are flat structures that re-quire considerable deformations or evencuts in order to be modelled into three-di-mensional non-developable geometries, with

ensuing problems of excessive thicknessand of remarkable design complexity for theirmechanical simulation, too.Cuts, overlaps deformations are intrinsicmodifications of the composite itself, there-fore elastic module values or fracture me-chanics obtained for planar samples mustbe applied to three-dimensional structureswith a certain uncertainty estimate and acorrespondingly high safety factor.At the same time, at the urge of the automo-tive industry other manufacturing processeshave been developed. Specifically, the RTM(Resin Transfer Moulding) technology allowsfor the direct injection into the mould of a liq-uid resin that filling the mould cavity, previ-ously loaded with a dry fabric structure.The volume fractions obtainable until a fewyears ago have substantially been brought tolevels comparable to those reached bymeans of the autoclave process, thanks toan ever greater availability of structural rein-forcements dedicated to this technology andin particular to multiaxial structures.A second aspect that strongly hindered theaccess of RTM technology to the aero-space field was also the scarce literatureand data concerning material properties,which are necessary for the use of suchmaterials in the numerical simulations ofstructural design.Anyway, the RTM technology offers severaladvantages in terms of automation, produc-tivity, and reduced component quality de-pendence on the human factor.RTM technology is an alternative to the useof the autoclave for linear structural parts, inparticular “H” section beams with complexgeometry. We propose a manufacturingguideline for the production of geometriesthat are very close to those obtainable bymetal machining.In the development of this work the preformconcept has been of special importance, asit allows for the realization of the perform it-

self outside the moulding tool and it alsoyields a versatile manufacturing concept withpotential application to a very large numberof beam structures. These particular pre-form and manufacturing procedure havebeen patented by Lamiflex.We have also obtained a large amount oftechnical design data for a new range of ma-terials, which will also allow for the applica-tion of this technique and respective materi-als in the design stage of future structuralprograms. As an output of the project we ob-tained indeed values for several materialproperties, i.e. flexural and tensile module,aging rate, moisture absorption, glass transi-tion temperature, failure values and dynam-ics. The work can be summarized in five dif-ferent steps:• Study of reinforcement materials and

resins• Mechanical and chemical-physical tests

on samples• Preform manufacturing• Moulding• Analysis of moulded components

STUDY OF REINFORCEMENTMATERIALS AND RESINS – TESTSOur choices were mainly focused on quadri-axial reinforcements, coupled by means ofa stitching systems of polyester yarns andunidirectional fabrics in order to obtain ahigher resistance to stresses along select-ed directions.The quadriaxial fabric (12K HR T700 with0°;+/-45°; 90° structure) provides an excel-lent workability and stability during cuttingand deformation operations, keeping a verygood fiber orientation even after exceptional-ly severe deformations.Moreover, the almost total isotropy of thematerial yields a net reduction of residualinner stresses, with an increased dimension-al stability. The desired orientation of materi-al properties is obtained by positioning the

58 Compositi

by Mauro Maggioni and Federico Ciatto

RTM for structural applicationsWith the support of the Department of Aerospace Engineering of Politecnico di Milano Lamiflex has performed a studyhighlighting how the RTM technology represents an alternative to the use of the autoclave for linear structural partsand in particular for "H" section beams with complex geometry, yielding very close results to those obtained bymeans of cnc machining of metallic elements.

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59Compositi

R&D Lamiflex Group

english text

proposed by Lamiflex, combined with theuse of proper reinforcement materials, al-lows for the production of an ample rangeof geometries. Figure 8a highlights how thestrong deformation imposed to the rein-forcement fabric at the edges, which isclearly impossible to achieve, imposes theelimination of the edges, creating an openstructure that is intrinsically less rigid thanthat shown in Figure 8b and easy to manu-facture as shown in Figure 9.Considering as a reference the geometriesin Figure 2, obtained by machining of a solidelement, a typical composite manufacturingapproach to these geometries is shown inFigure 9. The butt-joint technique allows forthe production of a shape where the rein-forcement yarn distribution is optimal andthe complex geometry is very close to theone obtained by machining.A geometry of this kind is intrinsically morerigid with ensuing benefits for the structuralrigidity, and the presence of multiaxial rein-forcement material reduces the residualinner stresses in the object, improving the fa-tigue behaviour of the component.

MOULDING AND TESTINGThe chosen moulding strategy used peripher-al injection, yielding an optimal distribution ofthe resin front-flow advancement and elimi-nation the issue of formation of inner emptyvolumes.An important innovation was the implemen-tation of the thermoregulation of the carbonmould by means of resistors integrated inthe mould itself and managed by a PLC con-troller with PID tuning. This controller couldalso record the thermocouple signals andyielded the reconstruction of the mould andpreform temperature profile. In this way itwas possible to check the correct tempera-ture distribution and to optimize in detail thecuring cycle. Figure 10 shows the tempera-ture profile of the mould with a ramp-up of2°C/min.The mould material is HEXTOOL® M81, athree-dimensional carbon random mat devel-oped by Hexcel that allows for the machiningof the surface after moulding and for workingtemperatures up to 200°C. In this way wecan skip the master model step as the finalgeometry is obtained by machining.The carbon structure of the mould mini-mizes the thermal expansion due to thehigh working temperature and therefore op-timizes the dimensional tolerances of themoulded component.During the moulding we chose a direct mouldin low-Tg polyurethane resin (about 80°C)and injection of Gurit Prime 20 resin (Fig. 13)

unidirectional fabric layers in proper direc-tions. The laminates obtained in this waywere compared to standardized materials,with special reference to those in use in theaerospace field, and have yielded excellentresults.The choice of resins were deliberately verylarge in order to obtain a complete datarange and to allow for the use of this studyin a larger range of applications (beyond theaerospace industry).Therefore we have decided to use a set ofresins ranging from a low Tg (about 80°C) toTg values beyond 200°C. These epoxy-basedresins have been provided by Huntsman,Hexcel and Gurit.After the manufacture of a carbon mold forplanar laminates, we have then realized aset of samples by combination of a range oflaminates and resins, for a total number of13 different laminates.Samples have been obtained from themoulded objects to be used in tests of ten-sile and flexural stress, DMA, DSC, moistureabsorption, volume fractions, porosity level.In Figure 6 we can observe the most signif-icant technical data in terms of structuralperformance. One can notice an excellentbehaviour of the materials under study,which sometimes is even better than thatof aerospace standards. The technicaldata thus obtained are therefore a verygood source of information for the designof composite structures manufactured bymeans of RTM technology. Figure 7 showsthe complete structural elastic coefficientsfor the combination of quadriaxial/uniaxialfabric and RTM6 resin.

PREFORM MANUFACTUREThe core of the process is represented bythe preform, which provides in the end a geo-metrical complexity very similar to that of ma-chined metallic structures. The core of theconcept for the realization of the “H” profileis based on the construction idea of the butt-joint (Lamiflex patented system). In the stan-dard concept, the typical “H” profile is ob-tained by bending the material onto thebeam web. If the beam is not prismatic andon the contrary has a more complicatedshape, this manufacturing concept fails asthe deformation limitations of reinforcementmaterials allow for a restricted range ofachievable geometries.As a consequence, when we approach themanufacturing of a composite componentof this kind or we want to replace the ma-chined metallic component we need to re-view the geometry of the whole beam. Onthe contrary, the manufacturing concept

with the aim of verifying the injection strate-gy and filling times. The mould proved to belight, functionally effective and fast to pre-pare, showing the potential for the a small-scale serial production with very moderatecost.Electron microscope analysis of the sectionof the RTM beam showed the absence ofinner empty volumes, with benefits on thecomponent stress and fatigue resistance. Aporosity level lower than 1% was estimatedat Politecnico di Milano.Based on the technical data yielded by sam-ples, a FEM model of the beam was devel-oped in order to perform a static analysisand to compare the results with a practicalmechanical test.The static test of the beam was performedat the Structural Engineering Department ofPolitecnico di Milano through the simulationof a tensile stress. Figure 16 shows the ten-sile stress test and the load diagram as afunction of beam displacement. The first-fail-ure load estimated by the FEM simulation isabout 2800 kg and it proved very close tothe real value observed during the test. Thecomplete failure of the beam was observedfor a load larger than 5 tons with a collapseof the web under a compression load.

CONCLUSIONSThe work has evidenced the real applicabilityand repeatability of the RTM technology forcomplex structural components. It has alsoprovided the formation of a significant data-base of design data and created a workingnetwork between a group of companies,each contributing the top technological ad-vances concernig the RTM technology withinthe respective skills. ■

WORKSHOPThe work described here was presented indetailed during a Workshop held at the Lam-iflex Spa Head Quarter in October, wheremoulding and curing of the carbon beamwere presented live together with a series oftechnical talks about the RTM technology.Representatives from companies of the aero-space and industrial fields participated andcould check the real versatility, repeatabilityand manageability of this technology.

The Araldite® brand cited here is propertyof Huntsman Corporation or affiliated, orlicensed to Huntsman Corporation or affil-iated.The HexForce®, HexFlow®, HexTool® M81brands cited here are property of Hexcelof affiliated, or licensed to Hexcel or affil-iated.

t TechnologiesLAMIFLEXCompany working in the composite field since the mid ‘70s mainly as manufacturer andinventor of rapier ribbons and composite gears for textile machineries. Over the course ofits history it has diversified its offer and reached the manufacturing field of pressurizedpipings, rollers and doctor blades for the paper industry, as well as the medical industrywith the production of beds and accessories for radiological tools, and the sports and de-sign industry, adopting most of the technologies used for the manufacture of advancedcomposites with epoxy resins. It is qualified supplier of composite components forAgustaWestland.Lamiflex holds a decade of experience in the RTM manufacturing technology applied tostatic and dynamic structures and is constantly present in the development of what isconsidered the winning technologies for advanced structural applications.It collaborates with Alenia to research programs for the development of structural compo-nent by means of infusion/RTM techniques, by supplying conceptual ideas, mould manu-facture and process technology.Lamiflex has currently about one hundred employees and a R&D branch working full-timeon new projects and developmental programs aimed at the continual improvement oftechnologies and materials. ■

Con i suoi pannelli strutturali anido d’ape Nidaplast compositeslibera il calcestruzzo dal giogo

del peso. Le soluzioni di nidaplast per-mettono di combinare materiali tradi-zionali e pesanti come il calcestruzzo ola pietra naturale con pannelli alveolariin polipropilene. Grazie a questo procedimento si può la-vorare con lastre di materia prima sot-tili come la pelle. Il pannello sandwichcosì ottenuto sarà tre volte più leggeroe più resistente di un pannello monoli-tico in calcestruzzo. Utilizzando il Nida-pan® si riesce a ridurre di due terzi ilpeso di un tavolo. Con uno strato di cal-cestruzzo di uno spessore di 10 mm siottengono super fici resistentissimeche non saranno soggette a contrazio-ne, fessurazione o deformazione. Leproprietà combinate di questa nuovastruttura permettono ormai di crearedegli ambienti decorativi dalle linee es-senziali ed eleganti, che abbinano so-

brietà e modernità.Combinando un’anima nidaplast conuna pelle di calcestruzzo o una sottilelastra di pietra, si possono lavorare espostare più facilmente dei materialiche normalmente sono molto pesanti.Un altro vantaggio è quello dello svilup-po sostenibile: grazie alla riduzionedelle quantità di materie prime occor-renti, i pannelli alveolari di nidaplastpresentano un bilancio energetico posi-tivo per la loro fabbricazione, trasporto,messa in opera e utilizzo.Nidaplast composites propone un’am-pia gamma di anime strutturali a nidod’ape, adattate ai requisiti tecnici emeccanici di ogni progetto e/o impiegoe a materiali come il calcestruzzo o lapietra naturale (marmo, granito, gres,ecc.).• Nidaplast® 8: l’anima per pannellosandwich è costituita di nido d’ape ni-daplast, di un film plastico e di un tes-suto non tessuto in poliestere. Vieneutilizzata come isolante acustico impu-

trescibile, come inserto per l’assorbi-mento di urti e distanziatore livellante.• Nidapan®: una griglia termoplasticarinforzata in vetro per irrigidire l’ani-ma strutturale a nido d’ape. Serve quiad alleggerire e rinforzare la pietra na-turale. Verrà utilizzato anche comeparamento verticale o per mobili e ar-redamenti d’interni. In funzione del-l’impor tanza delle sollecitazioni,viene proposta tutta una gamma diprodotti nidapan® (con tre livelli didensità della griglia termoplastica rin-forzata in vetro). ■

Il calcestruzzo peso piuma Nidaplast

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All the mentioned figures refer to the italian version

Fig.1: Fiber content vs productivityFig.2: Examples of complex beam shapesFig.3: Moulding samplesFig.4: Breaking of samplesFig.5: Example of DMA test (resin RTM6 Hexcel)Fig.6: Mechanical behavior of RTM samplesFig.7: Elastic coefficient Fig.8 a,b: Standard beam concept vs RTMconcept with butt-joint Fig.9 a,b,c: Examples of carbon preformFig.10: Mould thermal profileFig.11: 3D RTM toolFig.12: Carbon preform and moulded part Fig.13: Resin mould for concept developmentFig.14: SEM surface analysis Fig.15: FEM Fig.16: Static Test at PoliMI

Compositi

english text

Instron

Dal momento che i compositi trovanosempre più spazio in applicazioni cri-tiche, i laboratori di prova stanno am-

pliando sempre più la gamma e la com-plessità dei loro protocolli di prove. L’ot-temperanza dei principi Nadcap (NationalAerospace and Defence Contractors Ac-creditation Program) è diventato un requi-sito fondamentale per utilizzare un meto-do uniforme di integrità di produzione.Lo scopo e l’intento di questi standard cru-ciali è assicurare che le prove in laborato-rio siano effettuate correttamente e che imateriali forniti ai costruttori aerospazialidai loro fornitori siano stati verificati in con-dizioni di prova ottimali, con flessioni e fat-tori esterni minimi che possano influenza-

re i risultati considerati. Pertanto, la stret-ta aderenza alle esigenze esplicite ed im-plicite di questi documenti è fondamentaleper la reputazione di entrambe le parti,produttori di materiali e produttori dellemacchine di prova. Il mancato superamen-to di una verifica Nadcap potrebbe averegravi conseguenze. Requisiti vitali per mac-chine di prova meccaniche sono la taratu-ra dei diversi sistemi di rilevamento, comecatene di carico, sensori di deformazione,temperatura ed allineamento.Ad esempio, in termini di variazioni di al-lineamento gli standard Nadcap specifi-cano lo scarto massimo accettabile.Così la variazione della flessione delcampione originario, per soddisfare lo

standard AC7101, per prove meccani-che in test statici, è al massimo il 10% edel 5% per i test ciclici. Per lo standardAC7122 su materiali compositi, la fles-sione accettabile è l’8% per test staticie ancora il 5% per test ciclici. Ma nonsempre è sufficiente solo rispettare tol-leranze di prova, in grado di fornire risul-tati precisi nell’ambito di singoli test. Instron continua perciò a sostenere tuttii laboratori che si stanno facendo stradaverso il conseguimento di nuovi stan-dard. Apparecchiature e software semprepiù sofisticati sono sostenuti da unavasta gamma di servizi professionali peraiutare i laboratori ad ottenere la confor-mità Nadcap. ■

L’importanza della conformità Nadcap

Imateriali d’anima usati nelle strutturesandwich consentono di progettare

prodotti compositi strutturali rigidi e leg-geri. Grazie alle recenti innovazioni èpossibile andare oltre e ridurre sia ilpeso che i costi dei materiali d’anima.3A Composites Core Materials, con isuoi marchi per i materiali d’animaAIREX® e BALTEK®, è un esperto nelle so-luzioni sandwich intelligenti e innovative.

HYBRID CORE CONCEPT®

Con la sua ampia gamma di materialid’anima ad alte prestazioni e un teamdi consulenza tecnica all’avanguar-dia, 3A Composites, partendo da unaserie di requisiti estremamente per-sonalizzati, che possono essere tec-nici o commerciali, relativi al proces-so o alle proprietà ambientali, svilup-pa la soluzione ideale e su misura peril materiale d’anima di ogni applica-

zione. Nella maggior parte dei casi l’i-deale è un mix di diversi materiali d’a-nima, poiché i requisiti variano all’in-terno del componente. Ogni prodottofinale, che si tratti di uno yacht, di uncontainer di carico, di una pala eolicao di un autobus urbano, presenta di-verse regioni in cui sono richieste di-verse caratteristiche del materialed’anima. Ad esempio la resistenza al-l’urto è fondamentale nell’area di im-patto con l’acqua di una nave, ma laresistenza alla temperatura è neces-saria nella parte inferiore dello scafo.Delle buone proprietà a fatica sononecessarie nella traversa, mentre perun ponte adeguato serve una rigiditàelevata. Gli indici del rischio di incen-dio, del rischio di fumo e di tossicitàsono importanti all’interno della cabi-na, mentre la resistenza chimica è in-dispensabile nell’area attorno al mo-tore e al serbatoio di gas.Purtroppo non esiste un materialed’anima in grado di offrire tutte que-ste proprietà, tantomeno a un prezzoaccessibile, pertanto un mix di diver-si materiali d’anima offre solitamenteun componente superiore a costi in-feriori.

62 Compositi

3A Composites Core Materials

Hybrid Core Concept®: l’unione di diversimateriali offre una soluzione migliore perle esigenze specifiche in materia di costitotali, parametri tecnici e sostenibilità

Per un mondopiù leggero ed efficiente in termini di costi

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Compositi

AIREX® T92 SEALXL’efficienza in termini di costi è uno deipiù importanti criteri nelle condizioni dimercato odierne. Negli ultimi anni 3AComposites Core Materials ha investitouna fetta notevole delle sue iniziative diinnovazione per aumentare il valore deisuoi prodotti per il cliente, riducendo alcontempo il costo totale. Ha infatti ini-ziato con l’introduzione iniziale del PETcome materiale d’anima in schiuma effi-ciente sotto il profilo dei costi, ha poi av-viato notevoli misure finalizzate all’effi-cienza produttiva e ha introdotto tagliestremamente sottili (0,7 mm) e densitàdi schiuma inferiori. 3AC ha ora realizza-to progressi decisivi in materia di assor-bimento della resina dei materiali d’ani-ma PET per i processi di infusione. Non-ostante sia necessaria una certa quanti-tà di resina nell’anima per garantire un

legame perfetto tra anima e rivestimen-to, la resina in eccesso contribuisce soloall’aumento del peso e dei costi. L’as-sorbimento della resina nell’anima rap-presenta circa il 25% del costo totale delmateriale d’anima (a seconda del siste-ma di resinatura e dello spessore delsandwich).Il nuovo AIREX® T92 SealX presenta unassorbimento della resina inferiore dioltre il 60% a qualsiasi schiuma PETequivalente e inferiore di circa il 50% ri-spetto alla schiuma PVC a celle finiequivalente. La riduzione di costi epeso così ottenuta viene accolta conestremo favore dai mercati altamentecompetitivi odierni.

BALTEK® SBCGrazie alla sua resistenza ed elevatarigidità, la balsa è un materiale d’ani-ma ideale per la maggior parte delleapplicazioni sandwich. Inoltre, possie-de la certificazione FSC (FSC® ForestStewardship Council: Consiglio per lagestione forestale sostenibile) e ga-rantisce quindi il massimo livello di so-stenibilità sia ambientale che sociale.

Lectra, attiva nel campo delle soluzioni tecnologiche integra-te per le aziende che utilizzano materiali morbidi (prodottitessili, pelle, tessuti industriali e materiali compositi), ha or-ganizzato un evento dedicato ai mercati dell’arredamento edei tessuti industriali per presentare dal vivo le caratteristi-che dei nuovi sistemi di taglio Vector®. Lo scorso novembre ha avuto luogo il terzo evento del lancionazionale della nuova gamma di soluzioni per il taglio deitessuti. Sono intervenute 15 aziende tra le più importantidel panorama industriale italiano, a conferma del grande in-teresse per gli sviluppi delle nuove tecnologie e per le pos-sibilità che esse offrono in ambito produttivo. L’evento si è inoltre focalizzato sull’importanza delle soluzio-ni tecnologiche Lectra a supporto del processo di progetta-zione. In questa fase infatti i software Lectra permettono aiclienti di creare modelli in 3D da cui derivare le dime in 2D.In seguito poi possono essere predisposti in modo coerentei piazzamenti e il taglio di tutti i tipi di materiali tessili.

Oggi i sistemi Vector sono diventati più smart, produttivi, ef-ficienti e flessibili garantendo la migliore qualità di taglio, ilmassimo tempo di attività del sistema, costi operativi ridot-ti al minimo e importanti risparmi di materie prime. Basata sull’efficienza e l’intelligenza delle soluzioni di taglioVector, la nuova sala taglio combina un software ad alto va-lore aggiunto, macchine dotate di tecnologia pionieristica e lacompetenza settoriale acquisita da Lectra in quasi 40 anni. Numerosi dispositivi anti-errore contribuiscono inoltre asemplificare e accelerare la produzione di ogni linea di pro-dotto. La nuova inter faccia ergonomica, intuitiva e visivaconsente il continuo monitoraggio e controllo di ogni pas-saggio del processo di produzione, avvertendo l’operatorein caso di pericolo. 120 sensori monitorano il comporta-mento della testa di taglio in azione per ottimizzare il taglioin tempo reale e ridurre il consumo di materiale. Il sistemadi manutenzione predittiva protegge la produzione preve-nendo guasti potenziali.

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Materiali d’anima PET infusi con rivestimentirimossi. Schiuma PET in commercio 100 kg

(sinistra) vs. AIREX® T92.100 SealX

3A Composites possiede vastepiantagioni di balsa, che vienetrasformata nel materiale d’animarigido BALTEK® SBC.100 di legno ditesta esclusivo

Lectra

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Nuova gamma di soluzioni per il taglio dei tessuti

64 Compositi

Compotec 2013

Compotec, fiera internazionale in Italia completamente de-dicata all’industria dei materiali compositi, riunisce nel-l’ambito di un solo evento ad altissima specializzazione

produttori, distributori, industrie, università, istituti di ricerca,servizi legati a questi materiali ed alle relative tecnologie. L’edizione 2012 ha registrato la presenza di 125 marchi dis-tribuiti su una superficie di 5.000 mq. Dei 7.086 visitatori pro-fessionali registrati nel corso dei tre giorni della rassegna, il6% del totale è rappresentato da stranieri, provenienti da tuttoin mondo e con una forte rappresentanza di Francia, Svizzera,Inghilterra e Germania. Compotec si è così qualificata come unevento focale per l’Europa e i paesi del bacino Mediterraneo.Compotec si terrà, anche nel 2013 in contemporanea conSeatec, 11° Rassegna Internazionale di tecnologie, subforni-tura e design per imbarcazioni, yacht e navi, mantenendo ilfocus non soltanto sulla nautica, ma anche sui numerosi set-tori verso cui è indirizzata: aeronautico, automobilistico, nau-tico, edile ma anche medicale, del design, della moda e dellosport. La duttilità del materiale permette infatti di dare formae realtà a progetti complessi e audaci e la ricerca ha per-messo, nel corso degli anni, di mutuare esperienze da un set-tore all’altro trasferendo modalità e soluzioni così applicabiliin ambiti diversi.Per rafforzare l’identità del materiale composito in tutte le suedeclinazioni, l’edizione 2013, che si svolgerà dal 6 all’8 feb-braio, vedrà la dislocazione di Compotec all’interno del padi-glione D, insieme all’area riservata ai Materiali & Applicazionidel Seatec, una sinergia che farà dell’intero padiglione unpunto di eccellenza per ciò che riguarda i materiali, le lavora-zioni e la costruzione tout court.Per coinvolgere maggiormente gli operatori dei vari settori sonostati programmati i Compotec Days, giornate di approfondi-mento appositamente dedicate ai settori edilizia, automotive,technology, technology transfer, marine, green solutions. Il ca-lendario sarà pubblicato, con aggiornamenti in tempo reale, sulsito di Compotec (http://www.compotec.it). Gli interessati al-l’organizzazione di iniziative ed eventi dedicati al composito oa nuove tecnologie possono rivolgersi alla segreteria organiz-zativa (info@compotec.it ).Per rendere la manifestazione più dinamica, saranno attivate leLive Demo: le aziende espositrici potranno disporre, a titologratuito, di uno spazio per una dimostrazione teorica o praticadei loro prodotti e delle loro tecnologie durante la rassegna.Le aziende espositrici saranno inoltre invitate ad aderire alpercorso Greentec: una mano all’ecosostenibilità grazie allafacile identificazione delle aziende in linea con i criteri di ri-sparmio energetico, riciclo, e tutto quanto aiuti la sostenibili-tà ambientale.Altro punto di forza dell’edizione 2013 è l’organizzazione di in-coming dall’estero: l’importanza di incontrare nuovi potenzialibuyers stranieri sarà rafforzata grazie al progetto di incontriB2B tra gli espositori ed un gruppo selezionato di operatori.

L’iniziativa sarà supportata dall’impegno di ICE, Istituto per ilCommercio Estero, e darà priorità ad operatori provenienti daIsraele, Germania, Inghilterra, Francia.CarraraFiere sostiene anche economicamente l’industria delcomposito garantendo a tutti i partecipanti una tariffa ridottadel 20% sulla superficie prenotata. ■

Al via la 5° RassegnaInternazionale