anno XIV - numero 53 settembre 2019

O r g a n o u f f i c i a l e d i A s s o c o m p o s i t i

magazinemagazine

Seguici su: Redazione Tecnedit | @compositimagazine ISSN 2499-6890P

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3Compositi

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Elmar Witten, managing director of AVK,Federation of Reinforced Plastics and

Spokesman of the management of Composites Germany

Nel 2019, dopo sei anni consecutivi di crescita nel-la produzione europea di GRP, si prevede per la pri-ma volta una stagnazione della tendenza di mercato. La produzione totale rimarrà quindi stabile su 1,141 milioni di tonnellate.Questa stagnazione non influenzerà allo stesso modo tutte le aree, esistono differenze significati-ve tra i trend dei vari settori. I sistemi con rinforzo in fibra di vetro (GRP) restano di gran lunga i materiali dominanti in termini di quantità, nonostante lo sviluppo di altri segmenti di mercato. I GRP rappresentano oltre il 90% della produzione di materiali compositi/plastici rinforzati.Anche dal lato degli utilizzatori troviamo alcune differenze so-stanziali. Per il 2019 sono previsti forti cali nel settore della mo-bilità e, più specificamente, nel comparto automotive. Ciò è in contrasto con altri segmenti che sembrano essere stabili o ad-dirittura in crescita, per esempio infrastrutture e costruzioni e il settore dell’elettricità ed elettronica.A livello regionale solo per i paesi dell’Europa orientale è atte-sa una crescita. In tutte le altre zone si ipotizza che i volumi di mercato saranno stagnanti o soffriranno perfino un certo calo.Eventi e processi macroeconomici come la Brexit, conflitti com-merciali, le politiche protezionistiche di vari paesi e un rallenta-mento negli scambi a livello mondiale stanno portando a mag-giore incertezza e a previsioni di un calo generale riguardo allo sviluppo futuro del mercato dei compositi. Il tutto è aggravato dalle diffuse riduzioni nelle spese per R&D. Le aziende stanno oggi cercando soluzioni per tagliare i costi. Questi umori nega-tivi sono alimentati anche dall’incertezza crescente del mercato azionario, dai tassi di investimento in calo e da un clima economi-co generale turbolento – così come da una continua debolezza e incertezza nei mercati chiave, come auto e veicoli commerciali.Come segmento particolare dell’industria della plastica, il set-tore dei compositi è spesso strettamente correlato con tenden-ze e rapporti internazionali. In questo caso si sta chiaramente muovendo all’unisono con l’economia globale. Quando osser-viamo l’economia nel suo complesso, in particolare nel setto-re industriale e manifatturiero, possiamo constatare una valu-tazione sempre più negativa dell’attuale ambiente degli affa-ri così come aspettative sempre più pessimistiche sulle futu-re attività commerciali.

Il mercato europeo dei GRPIl rallentamento economicofrena la crescita

In 2019, after six consecutive years of growth in Eu-ropean GRP production, the trend for the market as a whole is expected to stagnate for the first time. Total production will thus remain stable at 1.141 mil-lion tonnes.This stagnation will not affect all areas equally and there are again significant differences between the trends for the various sectors. Glass fibre reinforced systems (GRP) remain by far the dominant materi-

al in terms of quantity, regardless of the development of oth-er market segments. GRP accounts for well over 90% of rein-forced plastics/composites production.On the user side, there are again some major divergences. For 2019, some strong declines are expected in the area of mobil-ity and, more specifically, the automotive sector. These con-trast with other segments which appear to be stable or even growing, e.g. infrastructure/construction and the electro/elec-tronics industry.Regionally, only Eastern European countries are expected to see growth. In all other regions, it is assumed that market vol-umes will be stagnant or even suffer some declines.Macroeconomic events and processes, such as Brexit, trade conflicts, the protectionist policies of various countries and a slowdown in world trade are leading to greater uncertainty and generally declining expectations regarding the future de-velopment of the composites market. This is being exacerbat-ed by widespread reductions in R&D expenditure. Above all, companies are currently trying to find ways to cut costs. The negative mood is also being fuelled by growing stock mar-ket uncertainty, declining rates of investment and a general-ly turbulent economic climate – as well as continuing weak-ness and uncertainty in core markets, such as cars and com-mercial vehicles. As a special segment of the plastics industry, the composites industry is often closely correlated with international trends and relationships. Here, it is clearly acting in unison with the global economy. When we look at the economy as a whole, particu-larly the industrial and manufacturing sectors, we can observe an increasingly negative assessment of the current business environment as well as more and more pessimistic expecta-tions of future business activities.

The European Market for GRPEconomic slowdown acts as a brake on growth

L’opinione

5Compositi

Anno XIV – Numero 53Year XIV – Issue 53

Settembre 2019September 2019

Periodicità trimestraleQuarterly review

abbonamento Italia € 25,00abbonamento Estero € 50,00una copia € 7,00

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

Pubblicità e MarketingVia delle Foppette, 620144 Milano – Italytel. +39 0236517115fax. +39 0236517116

Impaginazione – LayoutAndrea Mantica

Stampa – Printed byGrafteam – Brescia

È vietata la riproduzione, anche parziale, senza l’autorizzazione della casa editriceReproduction even partial is forbidden, without the permission of the publisher

Direttore responsabilePublishing manager

Liliana Pedercini

Coordinamento di redazioneEditing Co-ordination

Anna Schwarz

Ufficio CommercialeSales officeSara Sturla

Comitato Tecnico-ScientificoTechnical Scientific Committee

Luigi AscioneAndrea BenedettiRoberto Frassine

Alfonso MaffezzoliOrazio Manni

Mario MarchettiClaudio Migliaresi

Carlo PoggiMarino Quaresimin

Andrea RattiGiuseppe Sala

Antonino ValenzaMaurizio Vedani

A questo numerohanno collaborato

ContributorsLuca Carboni Sara Coppola

Saverio De VitoS. Dell’ElceM. Emonts

Riccardo FerrariPietro Ferraro

K. FischerFabrizio Formisano

Mariaenrica FrigioneGennaro Gentile

E. GironiS. Ligi

Francesca LionettoN. Mirotta

A. Peitz Natalie Rudolph

C. TrevisanutJose Uribe-Echevarria

Martina VincettiStefan Weidmann

Elmar Witten

Credits immagine di copertina: Reed Exhibitions

SommarioL’OPINIONE 3Elmar Witten

VITA ASSOCIAZIONE 6

EDITORIALE 7

Ibridi organici-inorganici polimerizzati 8in situ a temperatura ambienteOrganic-inorganic hybrids for in-situ polymerization at ambient temperatureFrancesca Lionetto e Mariaenrica Frigione

Grafene nei materiali compositi 13Graphene in composite materialsS. Dell’Elce, C. Trevisanut, E. Gironi, S. Ligi, N. Mirotta

Membrane sottilissime di polimero 16per avvolgere e sigillare istantaneamente le superfici liquideThin polymeric films for immediate packaging and sealing of water surfacesSara Coppola, Gennaro Gentile e Pietro Ferraro

Utilizzo di polietilene interamente 19riciclato nella nautica da diportoUse of fully recycled polyethylene in nautic sectorLuca Carboni

Il progetto Ecobulk 24The Ecobulk projectJose Uribe-Echevarria

VETRINA 27

Nasi Elettronici dell’ENEA 28per la certificazione aeronautica degli incollaggi di pannelli CFRPENEA’s electronic noses for the aeronautical certification of adhesive bonding of CFRP panelsSaverio De Vito e Fabrizio Formisano

16

32

28

55

Da TEC Eurolab la tomografia 32computerizzata non ha più limiti

VETRINA 35

Ultra-fast Consolidator Machine 38Ultra-fast Consolidator MachineM. Emonts, K. Fischer e A. Peitz

COMPOSITES EUROPE generates 43momentum in a difficult market environment

Saldatura a induzione ibrida 44di metalli e compositi polimerici termoplastici fibrorinforzati (TP-FRPC)Hybrid induction welding of metals with thermoplastic fibre reinforced polymer composites (TP-FRPC)Stefan Weidmann

VETRINA 49

Il processo “DED”, verso l’auto volante 50The “DED” Process, towards the Flying CarNatalie Rudolph

Il ruolo della simulazione agli 55elementi finiti nella progettazione in compositoCase study: Dallara StradaleThe role of finite element analysis in composite designCase study: Dallara Stradale

UBM Evoluta: il progetto 2019 60UniBo MotorsportUBM Evoluta: 2019 UniBo Motorsport projectRiccardo Ferrari

VETRINA 62

6 Compositi

Controlli non distruttivi, difettosità e prestazioni dei materiali compositi per applicazioni strutturaliAssocompositi e Nano Italy organizzano un corso su controlli non distruttivi, difettosità e prestazioni dei materiali compositi per applicazioni strutturali che si terrà il 29 e 30 gennaio 2020 presso il Politecnico di Milano (Sala Pedeferri, Edificio 6). Il cor-so comprenderà sia lezioni teoriche che dimostrazioni pratiche delle principali tecniche di analisi per la caratterizzazione dei di-fetti nei materiali compositi.

Programma preliminare

Mercoledì 29 gennaio8:30 Registrazione9:30 Struttura e caratteristiche dei materiali compositi

(R. Frassine – Politecnico di Milano)10:30 Tipologia dei difetti nei materiali compositi: analisi con

tomografia per la caratterizzazione dei difetti con imma-gini 2 e 3D dei difetti e filmati di sezionamenti virtuali dei pezzi (L. Limena – Vetorix)

11:15 Coffee break11:45 Meccanismi di frattura nei materiali compositi

(V. Carvelli – Politecnico di Milano)12:30 Pranzo a buffet14:30 Esempi di analisi frattografica dei materiali compositi

(L. Pilloni, Enea-CR Casaccia)15:15 Dimostrazioni pratiche: frattografia con microscopio16:15 Coffee Break16:45 Impieghi della microradiografia e tomografia nel con-

trollo di componenti in composito (C. Cappabianca)17:00 Dimostrazioni pratiche: dimostrazione in live streaming

di tomografia con tecnologia CT a cura di Vetorix18:00 Chiusura lavori

Giovedì 30 gennaio8:30 Registrazione9:30 Metodologie di analisi non distruttiva dei compositi:

ultrasuoni, microradiografia, tomografia, shearografia, termografia, ecc. (M. Carboni – Politecnico di Milano)

11:00 Coffee break11:30 La termografia all’Infrarosso per l’ispezione di compo-

nenti in CFRP (C. Toscano – CIRA)12:00 Prove non distruttive attraverso la misura radiale del-

la luce diffusa da film e substrati (G. Nenna – ENEA Portici)

12:30 Pranzo a buffet14:30 Building defects acceptance criteria on composite

yachts and components (S. Beltrando – QI Composi-tes)

15:30 Il metodo shearografico nel controllo di componenti in composito (C. Cappabianca)

15:40 Dimostrazioni pratiche: shearografia e ultrasuoni16:30 Coffee Break17:00 Dimostrazioni pratiche18:00 Chiusura lavori

QUOTE ISCRIZIONE EARLY BIRD giornaliere(scadenza 31/12/2019)• Aziende e professionisti: 350 € (full 500 €)• Assocompositi, Nano Italy e associazioni patrocinanti:

150 € (full 250 €)• Università (docenti, ricercatori, dottorandi e studenti):

75 € (full 150 €)

QUOTE SPONSOR

1) OPZIONE GOLD 2 .500 € comprensivi di: desk, possibili-tà di esporre i propri prodotti, un roll up e un totem porta-de-pliant, 2 quote di iscrizione individuali per 2 giorni, logo in evi-denza sui monitor della Sala convegni, logo nel materiale pro-mozionale e negli Atti, depliant inserito nello shopper del cor-so, comunicazione e copertura editoriale dell’evento.

2) OPZIONE SILVER 1.500 € comprensivi di: desk,1 quota di iscrizione individuale per 2 giorni, logo in evidenza sui moni-tor della Sala convegni, logo nel materiale promozionale e ne-gli Atti, depliant inserito nello shopper del corso, comunicazio-ne e copertura editoriale dell’evento.

Per ulteriori informazioni:www.assocompositi.it – www.associazione-nanoitaly.it

Assemblea dei Soci 2019L’Assemblea ordinaria dei Soci del 18 giugno 2019 ha approva-to i rendiconti di bilancio e ha rinnovato le cariche sociali. Come Presidente è stato riconfermato il Prof. Roberto Frassine, men-tre il nuovo Consiglio direttivo è composto da A. Branca (Top Glass), G. Cersosimo (Interbau), A. Levato (HP Composites), Prof. A. Maffezzoli (Università del Salento), G. Morandini (Ma-pei), M. Milani (ParkLab), Prof. A. Ratti, (Politecnico di Mila-no). Auguriamo buon lavoro al Presidente e al Direttivo e rin-graziamo tutti i Soci per la partecipazione e il costante soste-gno alla nostra Associazione.

Nuovi SociSiamo lieti di dare il benvenuto tra i nuovi Soci Sponsor a 3M Italia, storica società attiva in tutto il mondo nei settori salute, industria, elettronica, energia, sicurezza, grafica, oil&gas, au-tomotive, trasporti, design e consumo. In Italia 3M ha una pre-senza consolidata in oltre 60 anni di attività.

Report Composites EuropeAssocompositi in collaborazione con Reed ha coordinato anche per questa edizione il Padiglione Italia che ha ospitato come espositori i Soci CEL Components, Carus, Elantas Europe, Ga-vazzi, GIVIDI Fabrics, Marte e Panini. La fiera ha registrato ol-tre 350 espositori provenienti da 30 Paesi, ha ospitato il conve-gno ICC5 (International Composites Conference) e un grande Forum dedicato alle Technologie Lightweight. L’appuntamen-to per il 2020 è sempre a Stoccarda per l’11 e 12 novembre. Le prenotazioni per il Padiglione Italia sono già aperte.

Padiglione ICE a JEC World 2020ICE Agenzia, in collaborazione con Assocompositi, rinnova l’or-ganizzazione della collettiva italiana a JEC World 2020 (Parigi, 3-5 marzo). Le iscrizioni per l’edizione 2020 si apriranno a ot-tobre e ulteriori informazioini su collocazione dei prezzi conven-zionati saranno pubblicate nel nostro sito.

La strategia europea sull’economia circolareRecentemente la Commissione Europea ha promosso un’a-zione congiunta con le principali associazioni di settore, chia-mata Circular Plastics Alliance, per definire gli obiettivi di rici-clo da raggiungere entro il 2025: anche il settore dei composi-ti è stato coinvolto tramite la nostra associazione europea Eu-CIA. Entro fine anno Assocompositi avvierà un tavolo di lavo-ro con i Soci per discutere questo tema fondamentale e svol-gere un ruolo attivo in questa importante fase di transizione che potrà concretizzarsi in nuove opportunità di investimento e nuovi posti di lavoro.

FIEREKOMPOZYT-EXPO 20198-9 ottobre, Cracovia, PoloniaAIRTEC 201914-16 ottobre, Monaco, GermaniaK201916-23 ottobre, Amburgo, GermaniaAdvanced Engineering 201930-31 ottobre, Birmingham, UKJEC Asia13-15 novembre, Seoul, Rep.CoreaEurasian Composites Show28-30 novembre, Istanbul, Turchia

CONFERENZEGoCarbonFiber8-10 ottobre, Saronno, ItaliaTurk Compozit 201910-12 ottobre, Istanbul, TurchiaComposites in Motorsport22-23 ottobre, Oxford, UKConferenza nazionale AIPnd23-25 ottobre, Milano, ItaliaAerospace&Defence meetings26-27 novembre, Torino, Italia

C A L E N D A R I O P R O S S I M I E V E N T I

Prof. Roberto Frassine, Presidente Assocompositi

Editoriale

Una nuova collaborazione per riciclare le pale eoliche in EuropaEUCIA, Cefic (European Chemical Industry Council) e WindEurope (Associazione europea per l’energia eoli-ca) hanno creato una piattaforma intersettoriale per pro-muovere un nuovo approccio al riciclo delle pale eoliche.Oggi nel settore dell’energia eolica sono in uso 2,5 mi-lioni di tonnellate di materiale composito e nei prossimi cinque anni 12.000 turbine eoliche dovrebbero essere dismesse. Riciclare le vecchie pale è pertanto una pri-orità e la stretta collaborazione tra industria chimica e dei compositi consentirà di farlo nel modo più efficace.Il settore dell’energia eolica è sempre stato in prima linea nell’uso dei materiali compositi in quanto sono strumentali alla generazione di energia sostenibile.Con questa collaborazione speriamo di stabilire un gran-de standard di settore che alla fine aiuterà anche i clien-ti in altri ambiti come quello marittimo, delle costruzio-ni e delle infrastrutture.Le conoscenze relative al riciclaggio delle turbine eo-liche verranno quindi trasferite su altri mercati per mi-gliorare la sostenibilità generale dei materiali compositi.

New joint project to advance wind turbine recycling in EuropeEUCIA, Cefic (European Chemical Industry Coun-cil) and WindEurope (European Association for wind energy) have created a cross-sector platform to ad-vance novel approaches to the recycling of wind tur-bine blades.Today, 2.5 million tons of composite material are in use in the wind energy sector and in the next five years 12,000 wind turbines are expected to be decommis-sioned.Broadening the range of recycling options is critical for the industry’s development.The wind energy sector has always been at the fore-front of using composites as they are instrumental to sustainable energy generation.With this collaboration we hope to set a great indus-try standard that ultimately will also help customers in other industries like marine and building & infrastruc-ture. Learnings from wind turbine recycling will then be transferred to other markets to enhance the overall sus-tainability of composites.

7Compositi

Ibridi organici-inorganici polimerizzati in situ a temperatura ambiente

esempio, di una prolungata esposizione al sole, fino a valori prossimi alla Tg, riduce fortemente la resistenza di adesione del-le resine epossidiche, anche quelle im-piegate per applicare l’FRP al substrato.Risulta cruciale, quindi, mettere a pun-to delle formulazioni innovative di adesi-vi epossidici, ancora in grado di “induri-re a freddo” ma che, allo stesso tempo, presentino un’elevata resistenza alle tem-perature medio/alte ed alle sollecitazioni meccaniche e ambientali (ossia durevo-li). Il primo passo risulta, quindi, realizza-re dei sistemi epossidici capaci di svilup-pare Tg più alte delle tradizionali resine cold-cured ed in tempi minori.Sulla base delle criticità illustrate, nei la-boratori del Dipartimento di Ingegneria dell’Innovazione dell’Università del Sa-lento è stata brevettata una formulazione di resina epossi-silice cold-cured [Lionet-to, F., Frigione M. Ibridi organici-inorgani-ci polimerizzati in situ a temperatura am-biente, N. 0001425385, 2016.]. Questo sistema è un esempio di “ibrido organi-co-inorganico” costituito da due fasi: una fase organica a base di resina epossidi-ca funzionalizzata, ed una fase inorganica costituita da nano-silice prodotta in situ, mediante un processo sol-gel opportu-namente modificato, durante la messa in opera della resina. Le due fasi sono lega-te chimicamente da forti legami covalen-ti. Due sono gli ingredienti presenti nel-la formulazione brevettata che ne deter-minano le peculiarità, ossia la nano-sili-ce e un mix di liquidi ionici.

impiego di compositi fibro-rinfor-zati a matrice polimerica (i cosid-detti FRP fibre-reinforced poly-mers) nell’industria delle costru-

zioni è sensibilmente cresciuto negli ulti-mi anni, proponendosi tali materiali come una valida alternativa rispetto ai tradizio-nali materiali da costruzione da impiega-re per le operazioni di ripristino/rinforzo strutturale o per l’adeguamento statico di edifici ed infrastrutture. Con l’utilizzo di compositi fibro-rinforzati, infatti, si riesco-no ad evitare/limitare alcuni degli inconve-nienti riscontrati con interventi e/o mate-riali tradizionali, prima di tutto l’insorgere di corrosione. Un ulteriore importante van-taggio nel campo delle costruzioni è co-stituito dal basso peso di questi materia-li, che d’altra parte sono impiegati da de-cenni nell’industria aeronautica. Il succes-so degli FRP scaturisce da una favorevo-le combinazione di ottime proprietà e dal-la possibilità di selezionare un’ampia gam-ma di materiali (fibre e matrici) adattabili ad ogni specifica esigenza, coniugata alla capacità di poter utilizzare tecniche diver-se per la loro produzione e messa in ope-ra. Mentre i vantaggi tecnici ed economici dell’utilizzo di FRP come rinforzo di edifici e ponti sono universalmente riconosciuti, vi sono molte incertezze che riguardano la loro durabilità in servizio. Tali materia-li, infatti, differiscono considerevolmente dai sistemi FRP tradizionalmente utilizza-ti in applicazioni aerospaziali e automobi-listiche, in particolare per la differenza di alcuni componenti di base e per le tecni-che impiegate per la loro messa in ope-ra. Le preoccupazioni riguardano princi-palmente il processo di indurimento delle resine utilizzate per realizzare questi par-ticolari FRP, ossia le resine epossidiche.Le resine epossidiche sono tra i polime-ri termoindurenti maggiormente impiega-ti come matrici per la produzione di com-positi fibro-rinforzati grazie alle loro ottime prestazioni meccaniche e di resistenza agli agenti ambientali aggressivi. Presentano, inoltre, un eccellente potere adesivo nei confronti di materiali di natura e composi-zione molto diversa, nonché un basso ri-tiro all’indurimento, proprietà per le quali sono considerati degli ottimi adesivi strut-turali. Sono largamente impiegate anche

nelle applicazioni dell’Ingegneria Civile e nel restauro di Beni Culturali, sia come ma-trici di compositi fibro-rinforzati, che come adesivi strutturali (resine per iniezione).La messa in opera in cantiere di una re-sina epossidica, sia che venga impiegata come adesivo strutturale sia come matri-ce per realizzare un FRP mediante la tecni-ca di laminazione manuale (“wet lay-up”), avviene mediante un processo di cura (re-ticolazione) condotto “a freddo”. Doven-do in tali casi trattare ingenti superfici/vo-lumi, mantenendo contenuti i costi, risul-ta economicamente proibitivo, nonché di non facile realizzazione, l’utilizzo di forni o lampade per condurre le reazioni di indu-rimento delle resine. Tali resine si dico-no perciò “cold-cured”. Un processo di indurimento a freddo ha delle importan-ti conseguenze, i tempi di indurimento ri-sultano molto lunghi (nell’ordine di diver-se settimane), con reazioni di cura spes-so non complete. Inoltre, le resine svilup-pano delle temperature di transizione ve-trosa, Tg (ossia la temperatura alla quale il sistema si trasforma da rigido a “gom-moso”) solo di poco più alte della tempe-ratura ambiente, e per le comuni resine commerciali mai superiori ai 60°C (valo-re di Tg raggiunto dalla resina dopo diver-si mesi di cura). Questo basso valore di Tg iniziale può essere addirittura ridotto per effetto del contatto/esposizione con acqua/umidità, con conseguente perdita delle proprietà meccaniche e adesive al substrato. Ancora, un aumento della tem-peratura esterna, come conseguenza, ad

L’

Francesca Lionetto e Mariaenrica Frigione – Dipartimento di Ingegneria dell’Innovazione, Università del Salento, Lecce

8 Compositi

Fig. 1: Schema del processo di sintesi della resina ibrida epossi-silice

9Compositi

te di cura) ed è applicata a temperatura ambiente nelle modalità tipiche di questo tipo di adesivi/matrici per FRP epossidici.A seguito di un’ampia caratterizzazione sperimentale, che ha previsto l’analisi ter-mica per monitorare l’avanzamento delle reazioni di indurimento e l’evoluzione del-la temperatura di transizione vetrosa, test meccanici a flessione a tre punti e ana-lisi morfologica al microscopio elettroni-co a scansione (SEM), si sono analizza-te due miscele di ibridi epossi-silice rea-lizzate con due diversi contenuti di DES.In figura 2 viene riportata l’evoluzione del-la temperatura di transizione vetrosa du-rante la reazione di reticolazione condot-ta a temperatura ambiente per i sistemi con due diversi contenuti di DES, in con-fronto ad una resina epossidica tradizio-nale, rappresentativa di un tipico sistema commerciale. Entrambe le formulazioni sperimentali sono in grado di sviluppare già a tempi brevi dei valori di Tg molto più elevati (superiori ai 70°C) rispetto a quelli misurati per una resina epossidica com-merciale, risultato molto significativo per le applicazioni nell’industria delle costru-zioni precedentemente illustrate.Il confronto tra il modulo a flessione di una resina epossidica commerciale e quello delle formulazioni ibride epossi-sili-ce, a due diversi contenuti di DES, è ripor-tato in figura 3. L’osservazione dei risulta-ti riportati suggeriscono che i sistemi ibri-di realizzati presentano moduli a flessio-ne significativamente superiori, dal 15% al 32% a seconda del contenuto di DES, rispetto alla resina di partenza.L’analisi morfologia condotta al SEM sulle superfici di frattura dei sistemi ibridi epos-sidici, ottenute a seguito dei test di fles-sione, ha rivelato delle superfici di frattu-ra completamente diverse da quelle os-servate nel caso delle resine epossidiche commerciali. Mentre queste ultime pre-sentano la tipica frattura fragile, con lun-ghe linee di fratture orientate lungo la di-rezione del carico applicato, la morfologia degli ibridi organici-inorganici è costituita da domini nano-diffusi di silice, molto ben dispersi all’interno di una matrice organi-ca, senza alcuna evidente linea di frattura. Le micrografie, inoltre, confermano che le fasi organiche e inorganiche sono stretta-mente interconnesse, senza nessuna se-parazione di fase macroscopica.In conclusione, la formulazione di resina ibrida organico-inorganica nano-struttura-ta realizzata e brevettata si è rivelata una valida alternativa alle resine epossidiche commerciali grazie alle migliori prestazioni meccaniche e ad una Tg decisamente su-periore rispetto a quella generalmente mi-surata per i sistemi commerciali. Le anali-si sperimentali effettuate hanno mostrato un generale miglioramento delle proprietà meccaniche attribuito alla presenza di due diverse fasi (organica ed inorganica) nello stesso sistema epossidico.

La nano-silice presente nel prodotto bre-vettato è responsabile sia dell’aumento delle proprietà meccaniche e adesive del-la resina epossidica sia di un minor deca-dimento di queste proprietà quando la re-sina è applicata in acqua o a temperature moderate (fino a 60-65°C). La nano-sili-ce, infatti, non è mescolata alla resina in forma di polvere ma si genera durante la reazione di reticolazione della resina, con-dotta a temperatura ambiente, attraverso un processo di idrolisi e condensazione. Quest’ultimo, pur avvenendo in presen-za di un mix di liquidi ionici ed in assen-za di acqua, è favorito dall’assorbimento di umidità dall’atmosfera durante le ope-razioni di miscelazione, applicazione e in-durimento della resina all’esterno. La for-

mazione di domini inorganici co-continui all’interno del network polimerico della resina, fino a formare l’ibrido epossi-sili-ce, determina un aumento della tempe-ratura di transizione vetrosa e delle pro-prietà meccaniche dell’ibrido cold-cured.Come riportato nella figura 1, la proce-dura di sintesi dell’ibrido epossi-silice si compone di diversi step: la funzionalizza-zione della resina epossidica con un pre-cursore ammino-silanico, un processo di pre-idrolisi di una miscela di precursori si-lanici e Deep Eutectic Solvents (DES), la miscelazione tra resina funzionalizzata e precursori pre-idrolizzati. A questo pun-to, prima della messa in opera, la misce-la epossidica-precursori è mescolata con un’opportuna quantità di indurente (agen-

Fig. 2: Evoluzione nel tempo della Tg per i sistemi brevettati con due diversi contenuti di DES

Fig. 3: Modulo a flessione dei sistemi brevettati con due diversi contenuti di DES in confronto con la resina epossidica commerciale

Organic-inorganic hybrids for in-situ polymerization at ambient temperature

the increase in mechanical and adhesive properties of the epoxy resin and for the reduced degradation of these properties when the resin is used in the presence of water or at moderate temperatures (up to 60-65°C). The silica nano-phase is, in fact, not mixed to the resin as a pow-der, but is generated during the resin cross-linking reaction that takes place at ambient temperature through a hydroly-sis and condensation process. The forma-tion of inorganic co-continuous domains in the resin’s polymeric network up to the formation of the epoxy-silica hybrid deter-mines an increase of the temperature of the glass transition and of the mechani-cal properties of the cold-cured hybrid.As reported in figure 1, the synthesis of the epoxy-silica hybrid is a process made up of several steps: the functionalization of the epoxy resin with an amino silane precursor, a pre-hydrolysis process of a mixture of silane precursors and Deep Eu-tectic Solvents (DES), the mixing of func-tionalized resin and pre-hydrolized silane precursors. Then, before the layout of the product, the resin-precursor mixture is mixed to a suitable quantity of hardener (curing agent) and is then applied at am-bient temperature using the usual tech-niques of this type of adhesive/matrix for epoxy FRPs.After an extensive experimental char-acterization, including a thermal analy-sis to monitor the progress of the hard-ening reactions and the evolution of the glass transition temperature, three-point bending tests and a morphological anal-ysis by Scanning Electron Microscopy (SEM), we analyzed two epoxy-silica hy-brid mixtures manufactured with differ-ent DES contents.Figure 2 reports the evolution of the glass transition temperature during the cross-linking reaction at ambient temper-ature for the two systems with different DES contents, compared to a conven-tional epoxy resin representing a typical commercial product. Both experimental formulations attain Tg values much high-er (above 70°C) than those measured in a commercial epoxy resin even after a short curing time, which represents a very significant result in view of the con-struction industry applications discussed previously.The comparison between the flexur-al modulus of a commercial epoxy res-in and the ones obtained with the hy-brid epoxy-silica formulations at different DES content is summarized in figure 3.

he use of polymer-matrix, fiber-re-inforced composites (the so-called FRPs, fiber-reinforced polymers ) has been on a steady growth in

the recent years, as these materials have come to represent a valid alternative to conventional building materials to be used in structural reinforcement/restoration op-erations or in building and infrastructure adaptation. Indeed, by using fiber-rein-forced composites one can avoid/limit some of the drawbacks seen in the case of traditional actions and materials, like the onset of corrosion in the first place. Another important advantage in the field of constructions is represented by the light weight of these materials, which have been used, indeed, for decades in the aerospace industry. The success of FRPs stems from a favourable combina-tion of excellent properties and from the availability of choices in a wide range of materials (both fibers and matrices) that can adapt to each specific need, togeth-er with the opportunity to use different manufacturing and implementation tech-niques. While the technical and econom-ic advantages are universally acknowl-edged, there are many doubts about their durability. Indeed, these materials differ significantly from FRP systems tradition-ally used in aerospace and automotive ap-plications, specifically in terms of some basic components and the techniques ex-ploited to their implementation. The main concerns regard the hardening process of the resins specifically used to manufac-ture these FRPs, i.e. epoxy resins.Epoxy resins are among the thermoset-ting polymers most frequently used as matrix materials in the production of fib-er-reinforced composites thanks to their excellent performance in terms of me-chanical strength and resistance to ag-gressive environments. Furthermore, they showcase excellent adhesive prop-erties when coupled to materials with a wide range of types and compositions, as well as a low hardening shrinkage, a fea-ture that makes them great structural ad-hesives. They are also widely used in con-struction engineering applications and in cultural heritage restoration, both as ma-trices of fiber-reinforced composites and as structural adhesives (injection resins).The in-situ inplementation of an epoxy resin, be it for use as a structural adhe-sive or as a matrix to manufacture a FRP by means of manual lamination (‘wet lay-up’), is performed via a ‘cold’ curing pro-cess (cross-linking). Since in such cases

one must deal with large volumes/sur-faces and at the same time save costs, the use of furnaces or lamps to perform the curing process of resins results eco-nomically not viable besides being techni-cally challenging. These resins are there-fore labelled as ‘cold-cured ’. A cold-curing hardening process has important conse-quences, since hardening times are me-dium-long (in the order of several weeks) and curing reactions are often incomplete. Moreover, resins attain a glass transi-tion temperature Tg (i.e. the temperature where the material changes from rigid to ‘rubber-like’) just slightly above ambient temperature, and never above 60°C (a Tg value attained after several months of cur-ing) in the case of typical commercial res-ins. Such a low Tg value can even be re-duced as a consequence to the contact/exposure to water/moisture, resulting in a loss of mechanical performance and ad-hesion to the substrate. On top of this, an increase of the external temperature up to values close to Tg, for instance as a consequence of a prolonged exposure to the sun, strongly reduces the adhesion strength of epoxy resins, even those used to apply the FRP to the substrate.A crucial necessity is hence the develop-ment of innovative formulations for epoxy adhesives retaining cold curing capabili-ties but simultaneously offering high re-sistance to medium/high temperatures as well as to mechanical and environmental stresses (that is, durable products). The first step is hence to manufacture epoxy systems attaining higher Tg values (and faster) than traditional cold-cured resins.On the basis of the critical issues report-ed above, a new patent has been devel-oped in the Department of Engineering for Innovation concerning the formulation of a cold-cured epoxy-silica resin [Lionet-to, F., Frigione M. Ibridi organici-inorgani-ci polimerizzati in situ a temperatura am-biente, N. 0001425385, 2016.] This sys-tem is an example of ‘organic-inorganic hybrid’ made up of two phases: an or-ganic one based on functionalized epoxy resin, and an inorganic one made of na-no-silica manufactured in-situ, by means of a suitably modified sol-gel process, during the resin layout. The two compo-nents are chemically bonded by strong covalent bonds. Two ingredients in the patented formulation are responsible for its peculiar features, i.e. nano-silica and a mixture of ionic liquids.The nano-silica implemented in the pat-ented product is responsible both for

T

Francesca Lionetto and Mariaenrica Frigione – Department of Engineering for Innovation, Università del Salento, Lecce

11Compositi

up of nano-diffuse silica domains well dis-persed within the organic matrix, without apparent fracture lines. Micrographs also confirm that organic and inorganic phas-es are tightly intertwined, without mac-roscopic phase separations.In conclusion, the nano-structured organ-ic-inorganic hybrid resin formulation we manufactured and patented has proved to be a valid alternative to commercial epoxy resins thanks to its better mechanical per-formance and to a significantly higher Tg with respect to the values usually meas-ured in commercial products. The exper-imental analyses have shown a general

improvement of the mechanical features, ascribed to the presence of two different (organic and inorganic) phases within the epoxy system.

All the mentioned figures refer to the Italian version

Fig. 1: Scheme of the procedure for the synthesis of the epoxy-silica hybrid resinFig. 2: Time evolution of Tg for the patented systems with different DES contentFig. 3: Flexural modulus of the patented systems with different DES content compared to the commercial epoxy resin

The observation of the results suggests that the hybrid systems display significant-ly higher flexural modulus, to an extent of 15% to 32% depending on the DES con-tent, with respect to the starting resin.The SEM morphological analysis on the fracture surfaces of the hybrid epoxy sys-tems obtained from the bending tests has revealed completely different fracture sur-faces when compared to those observed in commercial epoxy resins. While the lat-ter show the usual brittle fracture, with long fracture lines oriented along the di-rection of the applied load, the morphol-ogy of organic-inorganic hybrids is made

- Organic-inorganic hybrids for in-situ polymerization at ambient temperature -

GRAPHENANO COMPOSITES

The world’s largest structure manufactured with composite with Graphene nanotechnology

Graphene doped GRP rebars have been used to reinforce the concrete of some areas of the project.To grant this award, JEC has been based on the following as-pects of the Graphenano and Gazechim project:• demonstrate the design freedom, flexibility overall advantag-

es with composites• highlight the impacts of Graphene nanotechnology to improve

key properties• demonstrate the design freedom, flexibility overall advantag-

es with composites• showcase the future of construction in architecture• feature a highly industrialized manufacturing and implemen-

tation process• highlight the ongoing innovations in composites.

Partners: Gazechim Composites Ibérica (Spain), Graphena-no Composites (Spain), Chomarat (France), Owens Corn-ing (Italy), Chem-Trend (Germany), Euromere (France), Gurit (Germany), Look Composites (Spain), Nouryon (The Nether-lands), Obo (Germany), Omar Coatings (Spain), Polynt Com-posites (Spain), Polymec (Spain), Talleres Xúquer (Spain).

Every year, JEC rewards the best cutting-edge and ingenious projects using and reinventing the use of composites in differ-ent categories, recognizing the innovation and the full potential of composites.At JEC Forum Chicago 2019, the cantilevered canopy developed by Graphenano Composites (Elche, Spain) together with Gaze-chim Composites Ibérica has won the Innovation Award in the Construction category for its “contribution of nanotechnology in composites for an avant-garde architectural design”.Enabled by the design flexibility offered by composites, Graphe-nano and Gazechim designed and implemented a fully- reima-gined, a large, avant-garde design-inspired canopy for Gazechim logistics headquarters building in Valencia (Spain). The surface area resembles the hard top of a boat where concepts from na-val architecture are transferred to civil architecture.The structure, of more than 340 sqm, leverages the latest gen-eration of Graphene-based nanotechnology composites, be-coming the first construction application worldwide that uses this carbon technology in the polymeric matrix to enhance final composite performance. The graphene reinforcement improves the properties of flexural modulus and tensile strength, while also reducing the overall weight of structures. This project also includes other Graphene doped elements, such as 275 sqm of GRP profiles in the office’s façade and 880 linear meters of pro-files for shade slats. In addition, around 3000 linear meters of

12 Compositi

S. Dell’Elce, C. Trevisanut, E. Gironi, S. Ligi, N. Mirotta – Graphene-XT Srl

13Compositi

Grafene nei materiali compositinotevole aumento delle prestazioni.Altro esempio importante dove il grafe-ne può dare un contributo rilevante è nel mondo del beverage dove la richiesta di polimeri, in particolare di PET sempre più performanti in termini di effetto barriera, all’O2 e alla CO2, rende il grafene un ma-teriale interessante. Per esempio i produt-tori di birra stanno spostando la loro atten-zione dal packaging di vetro verso il packa-ging in PET poiché in genere nel packa-ging polimerico la conservazione della bir-ra è di circa 2 settimane rispetto alle 30 settimane del vetro: l’aggiunta del grafene con alta area superficiale porta ad incre-mentare l’effetto barriera di un fattore 10 già a percentuali di carica inferiori al 5%, permettendo una riduzione dello spesso-re della plastica ed una riduzione nei co-sti di produzione del packaging stesso.Nello sviluppo di un materiale composito che abbia un ottimo equilibrio tra proprietà di trasporto termico e performance mec-caniche il grafene è risultato il principale

on il termine coniato dai due professori americani Clayton M. Christensen e Joseph Bower nel 1995 si indica con innovazio-

ne disruptive ciò che crea un nuovo para-digma presentandosi come seria minac-cia per i mercati esistenti.L’innovazione disruptive tende ad esse-re generalmente creata da imprenditori e start up piuttosto che da aziende struttu-rate o multinazionali. Inizialmente il mer-cato è restio ad accettare questo approc-cio, soprattutto perché all’inizio non è al-tamente redditizio, unito all’alto costo di sviluppo. Una tecnologia disruptive richie-de tempo per essere sviluppata, con alti livelli di rischio ma, una volta sviluppata ed accettata dal mercato, il grado di pe-netrazione e l’impatto nelle nostre vite è molto alto.Il grafene ha tutte le carte in regola per essere una tecnologia disruptive: traspa-rente, un conduttore termico ed elettri-co eccezionale, migliore di qualsiasi me-tallo presente oggi in circolazione, estre-mamente robusto, elastico, ultrasottile e inerte chimicamente.Il problema di una tecnologia disruptive è il trasferimento delle proprietà dal mon-do accademico al mondo macro. La co-munità Europea con il progetto Graphene Flagship ha finanziato con 1 miliardo di euro in 10 anni lo sviluppo a pieno delle potenzialità del grafene: già adesso que-sto progetto sta producendo un’elevata innovazione in una serie di diverse appli-cazioni, mirando a rivoluzionare una vasta gamma di settori industriali.Il grafene è uno strato monoatomico di atomi di carbonio con ibridizzazione sp2, isolato inizialmente nel 2004 da un grup-po di fisici dell’Università di Manchester (Prof. Geim, Prof. Novosevol), a cui è val-so il premio Nobel per la fisica nel 2010. Salito agli onori della cronaca per le sue “outstanding” performance: resistenza meccanica 200 volte superiore a quella dell’acciaio, trasporto termico maggiore del diamante, bassissima resistività elet-trica, mobilità dell’elettrone circa 100 volte superiore al silicio, è un materiale traspa-rente (assorbe circa il 2,3 % di luce), alta area superficiale ed impermeabile ai gas.Dalla sua scoperta ad oggi, l’interesse verso il grafene è cresciuto linearmen-te come dimostrato dal trend positivo di crescita nelle pubblicazioni e nei brevet-ti (fig. 1).Il mercato oggi offre una vasta gamma di prodotti: dal singolo strato prodotto tra-mite CVD, con performance prossime a quelle teoriche dove le ottime performan-ce, soprattutto in campo elettrico, vanno a scontrarsi con l’elevato costo, al grafe-

ne esfoliato chimicamente o meccanica-mente dove il basso prezzo incontra per-formance comunque molto positive ma lontane dai valori teorici.Il vantaggio del grafene usato come filler per i materiali compositi rispetto a quelli tradizionali è la sua combinazione di pro-prietà meccaniche e di trasporto termico ed elettrico, che ne fanno un materiale multifunzionale.Il grafene, grazie alle intrinseche e rag-guardevoli proprietà meccaniche, e alla necessità di essere usato in basse per-centuali nelle matrici polimeriche, è il can-didato perfetto per il rinforzo nei com-positi.Le caratteristiche multifunzionali del gra-fene, traslate nel mondo dei compositi, comportano un aumento della robustez-za e del modulo di Young anche di un fat-tore di 4. Come esempio, viene mostrato in tabella 1 del PUR (poliuretano espanso) sviluppato dalla Graphene-XT dove, con l’aggiunta dell’0,15% di carica, si nota un

C

Fig. 1: a) Distribuzione per paese del numero di pubblicazioni e brevetti. b) Distribuzione per anno del numero di pubblicazioni e brevetti (Fonte ISI Web of Science, 2019)

- Grafene nei materiali compositi -

prodotto e miscelato, può fornire in termi-ni di aumenti prestazionali: performance meccaniche, gas barrier, trasporto termi-co ed elettrico. In particolare, il “Key Fac-tor” sarà quello di trovare un giusto equili-brio tra l’incremento prestazionale e il co-sto che man mano calerà per la scalabili-tà dei metodi di produzione.

BIBLIOGRAFIA/REFERENCES[1] Ferrari, Andrea C., et al. “Science and tech-nology roadmap for graphene, related two-di-mensional crystals, and hybrid systems.” Na-noscale 7.11 (2015): 4598-4810.[2] Li, Xuesong, et al. “Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils.” science 324.5932 (2009): 1312-1314.

candidato all’interno di una collaborazio-ne tra Airbus, Grupo Antolin-Ingenieria e Aernnova; l’aggiunta di grafene all’inter-no dei piani di coda orizzontali dell’Airbus A350, normalmente sollecitati da elevate pressioni dovute all’innalzamento di tem-peratura dovuto all’attrito, fornisce, gra-

zie alle sue ottime proprietà di trasporto termico, la dissipazione necessaria al fine di ridurre cali di prestazioni strutturali do-vuti al surriscaldamento del composito.Ciò che è stato mostrato in questo arti-colo presenta solo una piccolissima fetta di quello che il grafene, se correttamente

Tab. 1: Esempio di poliuretano espanso rigido additivato Grafene, Graphene-XT

Fig. 2: Coda orizzontale Airbus A350 (fonte: Graphene Flagship)

S. Dell’Elce, C. Trevisanut, E. Gironi, S. Ligi, N. Mirotta – Graphene-XT Srl

15Compositi

Graphene in composite materials

tic in the bottle and consequently in a re-duction of the cost.Inside the field of increasing thermal transportation and mechanical perfor-mance graphene was the top player in the EU project “Graphene Flagship”, with a cooperation between Airbus-Grupo An-tolin-Ingenieria and Aernnova. Graphene was added in the horizontal tail of the Airbus A350. Normally this part of the plane is subject to a general increase of the temperature due to the friction of the air, the increase of the temperature could produce a damage in the mechan-ical performance of the composite, add-ing graphene the thermal dissipation is in-creased with the effect to have a low gen-eral temperature without perturbation of the mechanical performance.In conclusion what is shown in this arti-cle is a very small part of what graphene is able to do and in which application graphene can be used. An important fea-ture of this new technology will be the manipulation, which is the key step to ob-tain a perfect mixed product in order to in-crease the required performance. Key fac-tor will be joining the increase of perfor-mance, several orders of magnitude with an increase of the cost due to a changing in the production technology.

All the mentioned figures refer to the Italian version

Fig. 1: a) Number of patents and articles per country. b) Number of patents and articles per year (Source: ISI Web of Science, 2019)Tab. 1: Rigid polyurethane foam filled with Graphene, Graphene-XTFig. 2: Airbus A350 horizontal tail (Source: Graphene Flagship)Fig. 3: Raster of different graphene coating on polymers

n Business, a “Disruptive Innovation” is an innovation that will create a new market and new volume markets, but it will be a serious threat for the ex-

isting markets. The term was created in 1995 by two American Professor Clayton Christensen and Joseph Bower.A disruptive technology tends to be gen-erally created by entrepreneurs and start-ups rather than big companies. Initially the market doesn’t allow this new tech-nology, in particular because at the begin-ning they are not profitable as the mod-ern concept technologies joined with the high cost of development. In addition, a disruptive technology requires more time respect to the conventional technology in order to be developed and optimized but when it will be ready and accepted by the market it will achieve a high grade of pen-etration and it will change greatly our life.Graphene has all the potential to be a dis-ruptive technology, transparent, high ther-mal and electrical conduction, it is 100 times stronger than the best steel, ul-tra-thin and chemically stable. But trans-fer all those properties from the nano-world to the macro world is a real chal-lenge. The EU community with the pro-ject “Graphene Flagship”, funded with 1 billion of euro in 10 years help the com-panies and research institutions to reach the target, develop totally all the graphene potentials and market, in order to pro-duce high innovation in a wide range of applications.Graphene is the name given to a honey-comb structure of benzene rings with sp2 hybridization. Isolated in 2004 by two physicists at the University of Manchester (Prof. Geim and Prof. Novoselov) reward-ed with the Nobel Prize in 2010 in Physic. Graphene which is thick 0,35 nm, 3,5 Å, is the thickest material discovered ever. Graphene became famous for its out-standing performance: 100 times strong-er than the best steel, thermic transport better than diamond, the lowest electric resistivity, electron mobility 100 times more than silicon, transparent (absorb 2,3% of light for a monolayer) high sur-face area and impermeable.Since the Nobel prize in 2010, the number of publications in patent and articles is in-creased linearly as showed in the figure 1.The market today offer a wide variety of products from the single graphene layer with performance close to the theoreti-cal value, to few layer graphene produced in liquid exfoliation where the graphene has performance good but not compara-ble with the single layer but with a cheap price in order to be desirable for a large production point of view.The advantage of using graphene respect

to other nano fillers is its combination of divert properties difficult to have in gen-eral in only one material: mechanical, per-meation, electrical and thermal transport. For this reason and thanks to the low amount of material to be added in a pol-ymer matrix in order to have an increase in performance makes the graphene the perfect candidate as a nano filler in poly-mers and composites.One of the principal developments in the composite world is the increase of a fac-tor 4 of the modulus and strength respect to the plastic with a low amount of ma-terial < 1%, so that the filler provides re-inforcement without degrading any oth-er properties. One example is shown in the table where rigid foam polyurethane, developed in Graphene-XT, shows an in-crease in Young modulus with less that 1% of graphene filler.Another important example where graphene can guarantee an important contribution in performance is in the bev-erage world, also considering the contin-uous improving in the permeability prop-erties of PET respect to O2 and CO2, graphene can be a good opportunity. In-side the brewers’ company the problem of substitute the glass bottle with the PET bottle is more important. The prob-lem come from the lack in performance in impermeability respect to gases of the PET respect to the glass. The shell life of beer in a glass bottle is 30 weeks respect to 2 weeks in pet bottle. Adding graphene inside the polymer formulation, with an aspect ratio > 1000, bring the barrier ef-fect to be increased of factor 10, adding only less than 5% of graphene. The in-crease of the barrier effect in the PET bot-tle adding graphene can bring to a gener-al reduction of the thickness of the plas-

I

Fig. 3

Sara Coppola, Gennaro Gentile e Pietro Ferraro – CNR ISASI &IPCB

16 Compositi

Membrane sottilissime di polimero per avvolgere e sigillare istantaneamente le superfici liquide

loce, consente quindi di realizzare un in-volucro esterno (“packaging”) in grado di assumere la forma del volume, anche li-quido, rivestito (fig. 1).La recente scoperta ha come base scien-tifica lo studio della tensione superficia-le di soluzioni polimeriche. Il polimero im-piegato nello studio è stato l’acido poli(lat-tico-co-glicolico), PLGA, approvato dalla Food and Drug Administration (FDA) e già utilizzato in ambito biomedico. Il PLGA è un polimero biodegradabile e biocompa-tibile, che per il processo di packaging dell’acqua o degli idrogeli viene disciolto in dimetilcarbonato (DMC) a una concer-tazione specifica. Il DMC è un solvente organico usato per applicazioni biomedi-cali, dissolve facilmente il PLGA ed eva-pora lentamente. Quando la soluzione po-limerica (PLGA/DMC) entra in contatto con una sostanza ad alto contenuto d’ac-qua (o con una stessa goccia d’acqua), un film di PLGA si forma istantaneamen-te attorno a essa, adattandosi alla geome-tria del sistema acquoso, che quindi fun-ge da guida. Due sono i fenomeni princi-pali che caratterizzano il processo: la so-luzione polimerica si espande rapidamen-

el settore della ricerca e in quel-lo industriale, i processi di fab-bricazione sono in continua evoluzione verso procedure

semplici e immediate, che riescano con costi contenuti a ottenere un buon risul-tato finale. Infatti, sviluppare metodi per modellare e rendere facilmente fruibili ma-teriali di interesse ingegneristico adattan-doli a tridimensionali rappresenta ad oggi uno dei campi di ricerca di maggiore in-teresse. Si tratta di un settore di ricerca transdisciplinare che promette, infatti, a seconda delle proprietà del materiale og-getto di lavorazione, interessanti sboc-chi applicativi che spaziano dalla biome-dicina all’industria farmaceutica e agro-alimentare. Attualmente esistono diver-se possibilità di modellare materiali poli-merici in forme tridimensionali comples-se. Si tratta molto spesso di metodi lun-ghi e anche costosi, quali per esempio la polimerizzazione a due fotoni, le tecniche avanzate di litografia, l’utilizzo di polimeri a memoria di forma o i più semplici approc-ci basati sui processi di replica per contat-to. I limiti degli attuali metodi di fabbrica-zione sono molteplici, tra i quali la ridotta

flessibilità, l’elevato livello di specializza-zione richiesto per poterli utilizzare e infi-ne l’alto costo delle attrezzature necessa-rie nel processo.Semplicità e flessibilità sono ormai di-venuti parametri fondamentali in base ai quali valutare l’efficienza dei processi di lavorazione dei materiali avanzati. In que-sto ambito, di recente è stato presenta-to un nuovo metodo per la fabbricazione di sottili film polimerici che utilizza come guida del processo la principale sostan-za presente nel nostro pianeta e il mag-gior costituente di tutti gli organismi vi-venti, l’acqua.Si tratta di un processo semplice, che permette di rivestire con un sottile film di polimero volumi di acqua o idrogeli, i quali rimangono così racchiusi all’interno dello strato di polimero. Un modo, insom-ma, per creare un vero e proprio packa-ging intorno a sistemi acquosi, che con-sente in altre parole di controllare la “for-ma dell’acqua”. Il processo avviene istan-taneamente e in modo spontaneo, a par-tire da una piccola goccia di soluzione po-limerica messa in contatto con la superfi-ce da rivestire. Il metodo, semplice e ve-

N

Fig. 1: Membrana tridimensionale formata dispensando la soluzione polimerica su un ponte liquido lasciato evaporare Fig. 2: Pellicola trasparente formata su una matrice di microsfere immerse in acqua

te sul substrato acquoso, e il coating si forma nel momento in cui il DMC diffonde in acqua, creando un film trasparente e molto sottile. Lo spessore medio dei film realizzati con questo metodo è dell’ordine di pochi micrometri. Le membrane pro-dotte sono trasparenti, molto permeabili all’ossigeno e hanno un modulo elastico di circa 75 MPa. Ulteriori ricerche sono in corso, variando la concentrazione del polimero nella soluzione di DMC e la coppia polimero/solvente per modulare lo spes-sore e le proprietà del film.Le applicazioni di questa innovativa scoperta sono potenzial-mente molteplici. Nel presente studio, il metodo di packaging è stato utilizzato in ambito biologico per rivestire piastre di col-tura contenenti microorganismi viventi, i “Caenorhabditis ele-gans”. Una volta incapsulati i C. Elegans riducono la loro natu-rale attività di pumping pur restando vivi all’interno della mem-brana, dando prova della biocompatibilità del sistema. Per di-mostrare l’applicabilità della scoperta nel campo dell’ingegne-ria dei tessuti, sono state inoltre create membrane su idroge-li di diversa forma, ed è stata provata la crescita di cellule sta-minali umane direttamente sulle membrane.I risultati ottenuti rappresentano un progresso significativo ver-so lo sviluppo di tecnologie del tipo organ-on-chip e per i dispo-sitivi di drug delivery e di ingegneria dei tessuti.Le applicazioni biomediche non sono tuttavia le uniche ad aprire interessanti prospettive per questa recente scoperta, in quanto la possibilità di rivestire oggetti, sia su scala macro-scopica che microscopica, con membrane polimeriche robu-ste da un punto di vista meccanico, protettive da un punto di vista chimico e completamente trasparenti a elettroni e fo-toni, può rappresentare un punto di partenza per applicazio-ni in molti settori industriali, dalla sensoristica fino all’ambito agro-alimentare.Ottimizzando infatti la metodologia su altri sistemi polimerici, il processo consentirà di confezionare sistemi ad alto contenu-to di acqua con materiali dalle proprietà modulate (trasparenza, permeabilità o barriera ai gas, proprietà meccaniche, proprietà antimicrobiche) in funzione dell’applicazione finale. L’introdu-zione di opportuni additivi nella soluzione polimerica, quali na-noparticelle organiche o inorganiche, permetterà inoltre di re-alizzare con la metodologia sviluppata coating nanocompositi con opportune proprietà funzionali.Diversi tipi di micro-oggetti potranno essere rivestiti dalle membrane polimeriche: a titolo di esempio, microstruttu-re (pillar) in polimero e matrici di microstrutture e fibre otti-che sono già state rivestite (fig. 2). Nel caso del rivestimen-to delle fibre ottiche, il film polimerico potrebbe essere utiliz-zato come un sensore biochimico basato sull’assorbimento della luce e la variazione dell’indice di rifrazione in presenza di analiti di interesse. Con un approccio diverso, i film di po-limero possono essere ottenuti sul pelo libero dell’acqua in contenitori di dimensioni opportunamente selezionate e tra-sferiti direttamente su un dispositivo di interesse. La meto-dologia può essere inoltre utilizzata per applicare in-situ coa-ting su campioni biologici, per esperimenti nel settore delle biotecnologie, oppure per funzionalizzare sistemi impiantabi-li e materiali biomimetici.Il metodo proposto apre quindi la strada a molteplici impieghi. La possibilità di creare nuovi packaging biocompatibili, biode-gradabili e facilmente modellabili per sistemi a base di acqua potrà essere utilizzata per esperimenti di biotecnologia in micro-gravità e per studi di fluidodinamica di sistemi complessi. Ulte-riori sperimentazioni e l’upscale dei risultati ottenuti in scala di laboratorio potranno estendere il campo di applicazione verso lo sviluppo di nuovi sistemi di interesse industriale.

BIBLIOGRAFIA/REFERENCESCoppola S et al. Quick liquid packaging: Encasing water silhouettes by three-dimensional polymer membranes Science Advances Volume 5, Issue 5, 2019, Article number aat5189

C.B.S. Compositi srl

Via Vittorio Veneto, 77 - Bienate di Magnago (MI)Tel. 0039-(0)331883412 - Fax 0039-(0)331880463

PASSIONE E FLESSIBILITÀ

KNOW HOW E QUALITÀ

TECNOLOGIA E INNOVAZIONE

ECCELLENZA E COMPETENZA

Compositi Avanzati

C.B.S. Compositi srl

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Compositi Avanzati

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Compositi Avanzati

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18 Compositi

Thin polymeric films for immediate packaging and sealing of water surfaces

of engineering materials using a fast and simple method, including nanoparticles inside the polymer solution and guiding the formation of functionalized compos-ite material.Various micro-objects, matrix of micro and macro particles, polymeric micro-structures and optical fibres have been coated using the proposed approach (fig. 2). In case of optical fibre, the tech-nique of polymer packaging could be im-plemented for the design and the fabri-cation of a sensitive layer in close con-tact with the fibre surface. The polymer coating could provide an attractive solu-tion for sensing application revealing the change in refractive index. For example, fibre optic biochemical sensors based on evanescent field configurations relay on the use of sensing layers deposited on the sensitive surface that experiences a refractive index change in presence of an analyte. The method is also effective un-der dynamic conditions and against the gravity force, making the isolation and packaging of temporary and unstable liq-uid shapes possible. Once produced, the polymer film could be collected from the water as a free-standing membrane and transferred directly to the device of inter-est. Moreover, the self-adaptable poly-meric film wrapping could be used as a natural layer for in vitro lab-in-a-drop ex-periments and in vivo indwelling devices that could find application in a clinic as an injectable system or for the creation of bi-omimetic materials that can be integrat-ed into living organisms.Micropatterning of the film surface would be used to control cell behaviour, where-as, the addition of chemical components could add antimicrobial activity, making the film more resistant to bacterial attach-ment. Overall, the possibility of encasing and packaging water in microcontainers could open a new route for microgravi-ty experiments of biotechnology, mate-rials science, and fluid dynamics. Addi-tional experiments on macroscale could bring powerful and innovative tools for application in industrial and mechanized services.

All the mentioned figures refer to the Italian version

Fig. 1: Three-dimensional polymeric membrane created over a liquid bridgeFig. 2: Transparent polymeric membrane over a matrix of microspheres

ncapsulation of micro-objects with a polymeric membrane is desired in many applications such as pharmaceutics and microelec-

tronics. Considerable efforts have been spent through the years for controlling the material morphological properties a priori. This is currently achieved through three-dimensional (3D) printing, lithogra-phy, or microfluidics. These are demand-ing techniques. For example, microfluid-ics requires oil–water interfaces that may not be compatible with the chemistry of a drug. Different technological methods of microfabrication including two-photon polymerization, soft interference lithogra-phy, replica moulding and self-folding pol-ymers unfortunately, require often chem-ical-physical pre-treatments to gain the desired final properties and until now the self-assembling of polymers in thin film into complex 3D structures of polymeric film is still a problem. This notwithstand-ing, once realized, the micro engineered materials could represent a highly prom-ising tool for different field of technology as a function of the material properties such as optics, photovoltaic, nano-micro electronics devices and tissue engineer-ing applications. Actually, the fabrication approaches try to be as much simple and flexible as possible. Following these two principles and trying to propose an efficient and direct method for fabricat-ing polymeric film, an unusual and very simple alternative approach of polymeric packaging has been proposed. The “liquid packaging” approach uses one of the sub-stances that is more common and that could be easily found on our planet, water.In fact, it is a water-based bottom-up ap-proach in which a biopolymer self-assem-bles with unprecedented degree of free-dom over the water surface. Being a liq-uid, water can assume flexible shapes taking on the form of its container and, as a direct consequence, the polymer dis-pensed over the water could self-assem-ble into different geometries generating thin polymer films following the existent water profile in a very direct and simple way. The proposed water packaging ap-proach was innovatively used to prepare biocompatible coating over water surfac-es made of poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA). More specifically, we observed that a droplet of a biocompatible polymer-ic solution, PLGA, dissolved in dimethyl carbonate (DMC), placed on water sur-face forms a non-porous film instantane-ously (fig. 1).

PLGA is a common biocompatible pol-ymer, whereas DMC is an organic sol-vent widely used for biomedical applica-tions. DMC also easily dissolves PLGA and evaporates slowly. When a hydro-philic object, such as a droplet of water, is placed in the DMC-PLGA solution, a PLGA film forms around it, adopting its form. DMC then diffuses into the water, leaving behind a stiff and highly packed 3D PLGA membrane. PLGA was chosen owing to its tunable structure, drug re-lease efficiency, and high biosafety and biocompatibility. It is considered one of the most exploited, yet promising materi-als for application in biology and biomed-icine. The polymer film produced by the quick liquid packaging could be the exter-nal container of a liquid core or could be a free-standing membrane with various designs. The self-standing PLGA films produced present a thickness of some micron, hydrophilicity, transparency, and an elastic modulus of 75 MPa. The PLGA film is also permeable to oxygen and oth-er liquid exchanges.The application of the water packaging approaches is valuable in different field and especially in case of biomaterials. The biocompatibility of the process, es-sential for biology, was demonstrated by encapsulating a microdroplet containing the worm Caenorhabditis elegans. When encapsulated, the worms decreased their activity, but remained alive for the duration of the experiment, demonstrat-ing the biocompatibility of the process. Biocompatibility was further confirmed by the cultivation of human stem cells di-rectly onto the PLGA membrane. In order to furnish an additional proof for the use of the polymer packaging method in tis-sue engineering, polymeric films of var-ious shapes have been produced on hy-drogels substrates.The obtained results could represent an improvement for some biomedical tech-nologies such as drug delivery and organ-on-chip approaches.However biomedical applications are not the only way to use the water packaging method, creating polymeric coatings (on micro and macroscale) with good me-chanical and chemical properties, trans-parent to electron and photons, could be a significant improvement in various field of technology. In fact, controlling the pol-ymeric solution properties it could be tuned a priori the properties of the pol-ymeric film produced by liquid packag-ing. In particular, it could be a new way

E

Luca Carboni – ATENA, Associazione Italiana di Tecnica Navale

19Compositi

Utilizzo di polietilene interamente riciclabile nella nautica da diporto

OGO è un’imbarcazione elettri-ficata prodotta da GARDASO-LAR – pluripremiata startup di Rovereto – frutto di un proget-

to di Davide Tagliapietra, ingegnere aero-spaziale componente del team di Ame-rica’s Cup LUNA ROSSA CHALLENGE.GOGO è un trimarano di 3.85 m di lun-ghezza e 2 m di larghezza, avente la pos-sibilità di trasportare da quattro a sei pas-seggeri a seconda delle varianti ed ha la possibilità di ricaricare le batterie tramite pannelli fotovoltaici che svolgono anche la duplice funzione di protezione dall’ir-raggiamento solare dei passeggeri stes-si. GOGO è un’imbarcazione particolar-

mente indicata per l’utilizzo nelle acque interne e nelle aree marine protette, ga-rantendo la tutela dell’ambiente nel qua-le viene impiegata. È costruita in mate-riale termoplastico – polietilene multistra-to – interamente riciclabile, consenten-do risparmi energetici – e di costo mate-rie prime – in fase di costruzione (tab. 1).Il core è in PE, integrato da un additivo che ne determina un’espansione di 3 / 5 volte lo spessore iniziale. Durante la progettazione della GOGO si era rileva-to che – a parità di peso – il sandwich in triplo spessore di PE aveva caratteristi-che meccaniche assimilabili a quelle del-la vetroresina tipicamente impiegata della

GTab. 1

Fig. 1

Fig. 2

Fig. 3

20 Compositi

- Utilizzo di polietilene interamente riciclabile nella nautica da diporto -

La decisione di optare per un multiscafo ha consentito di assicurare stabilità ed ef-ficienza, minimizzando l’onda durante la navigazione; la cofigurazione living deck consente ampia visuale e coinvolgimento dei passeggeri. La struttura in polietilene multistrato riciclabile assicura robustezza allo scafo, che non necessita di manuten-zione. Inoltre, lo scafo è facilmente per-sonalizzabile (fig. 5).La console di controllo è innovativa e fa-cile da utilizzare, grazie ad un joystick che controlla direzione e velocità (fig. 6).GOGO può avere una motorizzazione da 1.000 o 2.000 W di potenza, che consen-te di raggiungere una velocità di 4 nodi / 7.4 km/h, con il minimo consumo di ener-gia e garantendo una quieta navigazione. GOGO può fare 3 chilometri di navigazio-ne con 100 W.GARDASOLAR è partner tecologico di GARDENERGY, fornitrice dei motori del-la GOGO.Questi motori sono del tipo “brushless” a magnete permanente, per assicurare massima efficienza e affidabilità nel tem-po. La scheda di potenza è integrata nel motore, massimizzando in tal modo la fa-cilità di installazione e le prestazioni du-rante il funzionamento. Nella GOGO non vengono utilizzati cambi trasmissione; in questo modo si ha un accoppiamento di-retto fra elica e motore elettrico. Questa soluzione consente una confortevole na-vigazione, massimizzando l’efficienza del-la trasmissione.Tutti i componenti del motore sono in lega di alluminio, lavorati mediante at-trezzature CNC per garantire perfetti ac-coppiamenti, durata nel tempo e resi-stenza agli impatti.Tutta l’elettronica è integrata nel vano motore, così da incrementare la dissipa-zione del calore anche in ambienti ad alta temperatura. I motori GARDAENERGY sono impregnati di una speciale resina e gel, che protegge motore e parti elettro-niche dall’acqua. 5 strati protettivi – uno dei quali in resina epossidica – proteggo-no il motore dalla corrosioneCirca le batterie, quelle delle GOGO han-no un tempo di ricarica connesso all’in-tervallo di tempo in cui sono state sca-

costruzione di imbarcazioni da diporto assimilabili alla stessa GOGO, con il du-plice vantaggio della riciclabilità del PE e della resistenza agli urti, quale ad esem-pio l’impatto con un martello. Nei tradi-zionali scafi in vetroresina questo tipo di urto determina ammaccature non rileva-bili sulla GOGO. La figura 1 mostra strut-tura dello scafo in PE.La Solar Roof Version di GOGO consen-te di svolgere molteplici funzioni:• incremento autonomia imbarcazione• ricarica batteria e funzione schermo

passeggeri• creazione di un possibile hub sede di

interscambio energetico fra differenti GOGO (fig. 2).

GOGO consente dunque l’accesso ad aree marine protette, consentendo la massima tutela ambientale; in particolare:• assenza di inquinamento ambientale• nessuna vibrazione connessa al moto

alternativo di organi meccanici• nessun utilizzo di combustibile e con-

seguenti emissioni in atmosfera e in acqua.

Fig. 5

Fig. 4

Fig. 6

noleggio; il sistema GPS consente inol-tre di tracciare i percorsi delle GOGO – come da immagine qui di sotto allegata – potendo inoltre essere attivato un siste-ma di allarme, rappresentando un plus in termini di sicurezza per l’utilizzo delle GOGO (fig. 7).In sintesi, GOGO è un’imbarcazione estremamente innovativa, ecofriendly, personalizzabile, realizzata con materia-le termoplastico interamente riciclabile, a beneficio dei costi di produzione

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riche; le Solar models con sistema foto-voltaico integrato, hanno un tempo di ri-carica ridotto ed un’aumentata autono-mia durante le giornate di sole. Nelle ta-belle 2 e 3 i dati afferenti all’autonomia

ed ai tempi di ricarica delle differenti va-rianti di batteria installabili.Le GOGO dispongono di un sistema GPS / GSM che consente la istantanea loca-lizzazione, fruibile in caso di flotte per

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“Ovunque ci sia necessità dimisurare o gestire la temperaturadi un corpo solido, liquido o gassosoesiste per noi la possibilità di offrire un servizio.”Pietro Cappelletti

Tab. 2

Tab. 3

Fig. 7

Luca Carboni – ATENA, Associazione Italiana di Tecnica Navale

22 Compositi

Use of fully recycable polyethylene in nautic sector

DAENERGY engines are covered with special gel and resin – 5 protective lay-ers, one of these made of epoxy resin – to protect engine and electronics from the water.The batteries are recharge time dipend-ing on the they were discharged; Solar Models have an integrated photovolta-ic system, so that the recharge time is short and the autonomy is increased in sunny days. In the tables 2 and 3 are at-tached data on autonomy and recharge time: they depend on battery kits.GOGOS have GPS / GSM system to al-low a istantaneous localization; this sys-tem is very useful in the case of rental fleet, and allows to track the routes, as showed by the attached image; GPS / GSM can be used also like an alarm sys-tem, a great value added for the securi-ty of the GOGO (fig. 9).In sumamry, GOGO is an extremly inno-vative boat, ecofriendly, customizable, made of fully recycable thermoplastic materials; a great benefit in term of cost production.

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OGO is an electrified boat produced by GARDASOLAR – an awarded startup located in Rovereto, in the North East

of Italy – designed by Davide TAGLIAPI-ETRA, an aerospace engineer member of America’s Cup Team LUNA ROSSA CHALLENGE.GOGO is a trimaran boat 3.85 meters long, and 2 meters width, which has the possibility to carry from 4 to 6 passen-gers and recharge its batteries by photo-voltaic panels which also have the func-tion to protect passengers from solar irra-diation. GOGO is a boat expecially suited for internal waters and protected marine areas, guaranteeing environmental pro-tection in the areas in which she is used.GOGO is built using thermoplastic ma-terial – multilayer polyethylene – fully re-cycable, allowing energy saving in man-ufacturing, cutting costs in raw materi-als (tab. 1).The is made of PE, integrated by an addi-tive which determines an expansion from 3 to 5 the original thickness. Designing the GOGO, it was noticed that – with the same weight – the sandwich made of three layers of PE had similar mechanic characteristics of the fiberglass used to built traditional boats with similar dimen-sions, with two great advantages:• possibility to recycle PE• strength to impacts (i.e. from hummer).As a matter of facts, traditional boats hit by a hummer shows dents not noticea-ble in GOG made by PE. The figure 1 shows the structure made of PE.GOGO Solar Roof Version allows multi-ple functions:• increasing autonomy of the boat• batteries recharge & passengers shelter• building of possible hub of energy ex-

changing between different GOGO (fig. 2).

GOGO allows the access to restricted marine areas, in the maximum environ-ment respect:• absence of enviromental pollution• no vibrations from mechanics in alter-

native motion• no use of gasoline and air & water pol-

lutions connected.The decision to use multihull body al-lowed efficiency and stability, minimizing waves during navigation; the living deck configuration is made to enjoy good view and passengers’ involvementThe multiplayer Recycable Polyethylene guarantees high level of strength to the

hull, which needs no maintenance. Then, the body is customizable (fig. 5).The cockpit’s design is innovative and easy to use, allowing to control direction and speed (fig. 6).GOGO can have engines of 1.000 or 2.000 W, so she can reach speed of 4 knots / 7 km/h with low energy consump-tion and confortable navigation. GOGO can do 3 km with 100 W.GARDASOLAR has a joint venture with GARDENERGY, which supplies the en-gines for the GOGOS.These engines are Brushless type, so they high level of efficiency and reliabili-ty. The power modules are integrated in the engine, to allow easy assembly and performances during operation. GOGO don’t use gearbox; so that she has direct connection between propeller and elec-trical engine. This solution allows con-fortable navigation, maximizing power-train efficiency.Every component is made of aluminium alloy, using CNC machines to maximize strength to impacts and duration.The electronics equipments are integrat-ed in the engine bay, to increase heat dis-sipation with high temperature too. GAR-

G

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Jose Uribe-Echevarria, Communications, ECOBULK

24 Compositi

Il progetto ECOBULK

in vari siti dimostrativi per creare costruzio-ni e arredamenti da esterno esteticamen-te attraenti, incluse varie strutture nel nuo-vo parco sportivo motoristico Kymiring che ospiterà il MotoGP 2020 in Finlandia. Que-sti materiali sono riciclabili al 100% nello stesso materiale una volta a fine vita, ren-dendoli così quasi perfettamente circola-ri. Tuttavia, con un’accurata progettazione e selezione dei sistemi di accoppiamento, le singole parti possono essere facilmen-te smontate e sostituite secondo neces-sità per aumentare la durata di servizio dei prodotti, così da rinviare il riciclo a fine vita quanto più a lungo possibile.

AUTOMOTIVENel settore automotive, MicroCab sta progettando una piattaforma modulare per le sue auto alimentate a idrogeno, che permette una sostituzione controlla-ta e tempestiva di componenti dell’auto mantenendo la qualità e modernizzando l’esperienza utente durante la vita di ser-vizio del veicolo. In questo modo si esten-de non solo la durata, ma anche il valore del prodotto.I partner FAT e MAIER sono alle prese con la sfida dell’incorporazione di plasti-che di recupero in componenti per inter-ni d’auto che usano materiali composi-ti. Uno dei principi chiave della circolari-tà è la semplificazione e separazione sia di parti che di materiali nella fase di pro-gettazione, così da permettere migliori possibilità di riutilizzo e riciclo allo stadio di fine vita. Tuttavia, i veicoli che giungo-no a fine vita tendono ad avere un’età tra i 10 e i 20 anni di utilizzo, ciò significa che le modifiche nel design inizierebbero a in-fluenzare la disponibilità di materiali rici-

l progetto ECOBULK è giunto a metà del suo percorso di quattro anni ver-so la formulazione di nuovi materiali e modelli progettuali per l’economia

circolare nei settori automotive, arreda-mento e costruzioni. Il progetto si focaliz-za su materiali compositi voluminosi, che ancora si trovano ad affrontare ostacoli si-gnificativi nell’adozione di modelli di eco-nomia circolare. Rispetto ad altri progetti di ricerca, ECOBULK è un progetto dimo-strativo su larga scala. L’obiettivo è mo-strare come nuovi prodotti si combinino con modelli di business e soluzioni logi-stiche appropriate per creare catene cir-colari economicamente sostenibili in sce-nari reali a livello europeo.

CIRCOLARITÀ GUIDATA DAL DESIGNRisolvere il rompicapo della circolarità nei compositi richiede più di un semplice ag-giustamento in termini di materiali e pro-cessi. Aumentare le possibilità di riciclo è sempre positivo, ma per il paradigma della circolarità è necessario considerare il riciclo come l’ultima risorsa, soprattut-to quando si tratta di materiali composi-ti, notoriamente difficili da riciclare. Mo-delli circolari economicamente sostenibi-li devono cercare di mantenere il più alto livello di valore in prodotti e materiali il più a lungo possibile. La filosofia di ECO-BULK prevede che i prodotti debbano es-sere riprogettati secondo questo criterio. Ciò richiede una maggior modularità, una separazione consapevole dei materiali e un’attenzione meticolosa alle conseguen-ze che le scelte di progettazione avranno sulle opzioni disponibili a fine vita. Un de-sign di prodotto che non considera la fase di fine vita non è completo.Il Quadro di Progettazione Circolare, svi-luppato dalla TUDelft per il progetto, for-nisce ai product designer una gamma di modelli e strumenti di progettazione per facilitare scelte utili all’incremento della circolarità dei prodotti. Il Quadro di Pro-gettazione è stato messo a frutto dai par-tner industriali di ECOBULK nei settori automotive, arredamento e costruzioni. Il progetto ha raccolto finora un totale di 31 partner per riuscire a fornire le soluzio-ni circolari necessarie a ogni stadio dell’in-tera catena di valore.

ARREDAMENTOIn Italia, il produttore di arredi Moretti of-frirà dimostrazioni d’uso di un concept di progetto di arredamento modulare a stu-denti e università. Il suo modello di busi-ness include la possibilità di fornire gli ar-redi in locazione agli utilizzatori e, dove possibile, ricondizionare e riutilizzare gli

arredamenti restituiti. Con una ricerca di KEAS, Akzo-Nobel e Cranfield University sulle soluzioni di incollaggio per pannelli truciolari, la percentuale di truciolato rici-clato utilizzato nella produzione può esse-re aumentata significativamente così da integrare nella linea di produzione la resti-tuzione degli arredi usati.

COSTRUZIONIIn Finlandia Conenor ha creato nuovi pro-dotti in multistrato estruso rinforzato con GFRP di scarto provenienti da diverse fonti come pale di turbine eoliche, arredamenti usati e tubi di plastica. Questi saranno usati

I

ne il miglior uso possibile e da mantenere il massimo livello nella catena del valore.Nel corso dei prossimi due anni il proget-to implementerà e collauderà i nuovi pro-dotti e soluzioni in applicazioni reali in vari siti europei. Le esperienze e i dati prove-nienti da questi siti test saranno utilizza-ti per ottimizzare le catene del valore e i cicli circolari.

www.ecobulk.eu

clati dopo almeno 10 anni dall’inizio della produzione. Per mantenere l’obiettivo di-mostrativo fondamentale per il progetto, queste aziende mostreranno come pos-sono attingere ad una vasta collezione di rifiuti plastici provenienti da auto vecchie di 10 anni e integrarla nella produzione di nuovi componenti. Sebbene progetta-re l’uso di plastiche miste possa suona-re decisamente anti-circolare, è forse l’u-nica dimostrazione pratica a considerare che il settore automobilistico dovrà sem-pre fare i conti con scelte di progettazione e di materiali datate almeno un decennio nella dismissione e riciclo di vecchie auto.

CATENE DEL VALORE E MODELLI DI BUSINESS CIRCOLARINon è sufficiente progettare un prodotto circolare e sperare che torni al produttore come un boomerang così che lo si possa riutilizzare o riciclare. Esistono molti servi-zi di supporto che permettono un’efficien-te raccolta e un efficace riutilizzo di pro-dotti dismessi. Può essere molto difficile prevedere quali usi potranno esserci per prodotti e materiali a fine vita. Questo è il motivo per cui uno degli altri punti chiave di ECOBULK è la creazione di una piatta-forma atta ad analizzare una gamma di op-

zioni possibili per ogni materiale o prodot-to. Questa piattaforma fa uso di un este-so database di materiali, così come di in-formazioni di processo e di un algoritmo di apprendimento intelligente in grado di suggerire come riutilizzare un dato mate-riale al momento della dismissione. Tut-te le parti interessate saranno integrate in questa piattaforma per sviluppare un mer-cato centrale dove materiali e componenti potranno essere scambiati in modo da far-IROP 23-02-2009 8:59 Pagina 31

I.R.O.P. di F.lli Zanacca srlVia Martiri della Liberazione, 107/A – 43126 Vicofertile (PR) – ITALY

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Nata nel 1956, da molti anni IROP progetta e realizza

AUTOCLAVI PER MATERIALI COMPOSITILe autoclavi a chiusura rapida IROP sono progettate e costruite secondola Direttiva 97/23/CE “PED”e riportano la marcatura “CE”. Esse vengonorealizzate in svariate dimensioni secondo le “specifiche” del cliente e tro-vano largo impiego in diversi settori industriali da quello aeronautico espaziale a quello automobilistico e sportivo in generale.Nella costruzione IROP si avvale dei più moderni criteri tecnologici. IROPha inoltre recentemente ottenuto anche la Licenza di Costruzione Cineseper l’esportazione diretta in detto paese.

Le autoclavi a chiusura rapida IROP, progettate e costruite secondo la Diretti-va PED 2014/68/UE e con marcatura CE, sono costruite in svariate dimensioni secondo le “specifiche” del cliente.Utilizzate nel processo di polimerizzazione dei materiali compositi, trovano largo impiego nei settori Automotive, Aero-nautico-Aerospaziale, Nautico, Sportivo, Ricerca. IROP ha inoltre sviluppato una nuova linea di autoclavi a risparmio energetico EcoEnergy ottenendo una riduzione del consumo energetico per ogni ciclo di polimerizzazione di circa il 20%. Il Sistema Operativo IROP permette alle nostre autoclavi di soddisfare la corrispondenza alla legge “Industria 4.0”.

The ECOBULK projectalso the value of the product.Meanwhile partners FIAT and MAIER, as well as developing new materials and de-signs, are getting to grips with the chal-lenge of incorporating salvaged plastics into internal car parts using composite materials. One of the core circular princi-ples is to simplify and separate both parts and materials at the design stage to en-able better re-use and re-cycling options at the end of life stage. However, vehi-cles reaching the end-of-life stage tend to be between 10 and 20 years old, which means that changes in design would only start affecting the availability of recycled materials at least 10 years from the start of production. To maintain the core practi-cal demonstration purpose of the project, they will prove that they can take a large mix of plastic waste from 10-year-old cars and integrate it into the production of new parts. While designing to use mixed plas-tics might sound decidedly un-circular, it is perhaps the only practical demonstra-tion that takes into account the fact that the automotive industry will always have to deal with design and material choices from at least a decade ago as it decom-missions and recycles old cars.

CIRCULAR VALUE CHAINS AND BUSINESS MODELSIt is not enough to design a circular prod-uct and hope that like a boomerang it will return to you so that it can be re-used or recycled. There are many supporting ser-vices that enable the efficient collection and effective re-use of discarded prod-ucts. It can be very difficult to predict what the uses could be for products and materials at the end of life stage, which is why another one of the focus points for ECOBULK is to create a platform that can diagnose a range of possible options for any materials or products. This platform uses an extensive materials database, as well as process information and an intelli-gent learning algorithm to give advice on what can be done with any materials be-ing discarded. All the different stakehold-ers will be integrated into this platform to develop a central marketplace where materials and components can be trad-ed making the best possible use of them and maintaining the highest value for the next loop in the value chain.Over the next 2 years the project will be implementing and testing the new prod-ucts and solutions in real life applications at several locations across Europe. The experiences and data coming from these test locations will be used to optimize the value chains and circular loops.

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he ECOBULK project is halfway through its four-year journey to-wards formulating new materials and design models for the circu-

lar economy. Spanning three industries – automotive, furniture and construction – the project is focused on bulky composite materials, which still face significant ob-stacles in the adoption of circular econo-my models. What sets this project apart from many other circular models research projects is that ECOBULK is above all a large scale demonstration project. The goal is to show how new products com-bine with business models and appropri-ate logistics solutions to create econom-ically viable circular chains in real life set-tings across Europe.

DESIGN LED CIRCULARITYSolving the puzzle of circular composites requires more than an adjustment in ma-terials and processes. Increasing the re-cycling possibilities is always better, but within the circular paradigm we must learn to consider recycling as the last re-sort. Particularly when dealing with com-posite materials that are notoriously dif-ficult to recycle. Economically viable cir-cular models must try to maintain the highest level of value in the products and materials for as long as possible. ECOB-ULK believes that products must be re-designed with this ideal in mind. This re-quires greater modularity, conscious sep-aration of materials, and meticulous at-tention to the consequences that design choices will have for the options availa-ble at the end-of-life stage. A product de-sign that does not consider the end-of-life stage is not complete.The Circular Design Framework, devel-oped by TUDelft for the project, gives product designers a range of design pat-terns and tools to facilitate choices that can be used to increase the circularity of products. This Design Framework has been put to good use by ECOBULK in-dustrial partners in the automotive, fur-niture and construction sectors. The pro-ject has gathered so far a total of 31 dif-ferent partners to be able to provide the necessary circular solutions at each step of the entire value chain.

FURNITUREIn Italy, furniture maker Moretti will be demonstrating the use of a modular furni-ture design concept for students and uni-versities. Their business model includes the option to lease the furniture to their users, and where possible, recondition and re-use the returned furniture. With research from KEAS, Akzo-Nobel and Cranfield University into new binder solu-

tions for particle boards, the percentage of re-cycled particle board used in produc-tion can be significantly increased to ac-commodate the return of used furniture into the production lines.

CONSTRUCTIONMeanwhile in Finland, Conenor has cre-ated new GFRP-waste reinforced extru-ded multilayer products using “waste” materials from diverse sources such as wind turbine blades, discarded furniture, and plastic pipes. These will be used in several demonstration sites to create ap-pealing light outdoor constructions and furniture, including several structures in the new motorsport park Kymiring that will host the MotoGP 2020 in Finland. These materials are 100% recyclable into the same material at the end of life, mak-ing it an almost perfectly circular materi-al. However, with careful design and se-lection of fasteners, the individual compo-nents can also be easily taken apart and replaced when necessary to increase the lifespan of the products to delay end-of-life recycling for as long as possible.

AUTOMOTIVEIn the automotive sector, MicroCab is de-signing a modular platform for their hydro-gen powered cars that allows the con-trolled and timely replacement of auto parts that not only maintain the quality but also modernise the user experience during the lifetime of the vehicle. In this way they extend not only the lifespan, but

T

Jose Uribe-Echevarria, Communications, ECOBULK

26 Compositi

OFFICINE TL COMPOSITI

ha ingegnerizzato le modifiche sul Ramphos Advance (prototipo, modelli, stampi) e consegnato al cliente venti imbarcazioni volanti.Officine TL Compositi è attiva anche in ambito consulenziale e di project management, per la prototipazione e la serializzazione della produzione, come già avviene per NMG EUROPE e AEP Polymers. L’azienda è certificata ISO 9001:2015 (settori EA 14, 15) ed è Centro Antiosmosi certificato JOTUN, con emissione garanzia di 5 anni.

Dal 2008 Officine TL Compositi, con sede produttiva a Monfal-cone, opera nel campo della realizzazione di manufatti in materia-li compositi avanzati (carbonio, Kevlar, fibre ibride, fibre naturali, matrici epossidiche e ad alto contenuto bio) rivolti alla piccola se-rie, alla prototipazione e alla customizzazione. Svolge un servizio di consulenza sui processi produttivi dedicati e collabora con alcu-ni studi di ingegneria per l’applicazione di soluzioni tecniche all’a-vanguardia. L’azienda garantisce servizi quali refitting, termocame-ra con data logging delle temperature raggiunte durante le varie fasi della lavorazione con relativo report finale al cliente. In ambito nautico Officine TL Compositi ha collaborato con diversi cantieri:• per Solaris Yacht srl ha realizzato parti strutturali, componen-

ti staccate e modifiche custom su imbarcazioni da 37, 44, 58, 68, 80 piedi

• per Adler Yacht Gmbh ha prodotto gli stampi e la stampata di un’imbarcazione full carbon da 70 piedi, di componenti sepa-rate e l’esecuzione degli assemblaggi necessari

• per Cantiere Alto Adriatico 1977 ha eseguito modifiche e ri-pristini in composito su varie imbarcazioni e la stampata sca-fo in carbonio su uno scafo Vismara 40’

• per Cantiere Tagliapietra di Venezia ha costruito uno scafo e le strutture in materiale composito con matrice epoxy, intera-mente realizzato con tecnica dell’infusione one-shot

• per Sapphire Yacht ha realizzato l’estensione di poppa e la nuo-va coperta di un ex Farr 80, inclusi i rinforzi interni full carbon, sempre con la tecnica di infusione epoxy one-shot.

In ambito aeronautico l’azienda ha ingegnerizzato e realizzato per Aetos d.o.o. il prototipo della barca volante Ramphos Sea Spider,

Manufatti ad alta tecnologia

MSC SOFTWARE

La piattaforma per ridurre i tempi di sviluppoper quanto riguarda i materiali, in quanto unico punto di acces-so per tutte le attività legate ai materiali, garantisce che gli inge-gneri utilizzino una fonte coerente di materiali approvati derivati da processi integrati tracciabili, con conseguente miglioramento della fedeltà delle simulazioni, riduzione della perdita di dati ed eliminazione di attività manuali di gestione dei dati.MaterialCenter è altamente scalabile e adatto a supportare l’alto numero di utenti e il grande ammontare di dati generati da Airbus per la progettazione di sistemi in materiali metallici o compositi.“Siamo molto orgogliosi che MaterialCenter sia stato seleziona-to da Airbus come piattaforma per la gestione dei materiali del Gruppo. Ci aspettiamo una solida partnership a lungo termine con Airbus mentre implementiamo e distribuiamo MaterialCen-ter all’ interno del gruppo. Ciò consentirà un uso efficace ed ef-ficiente dei materiali e dei relativi dati per guidare lo sviluppo di prodotti innovativi e di alta qualità” – ha dichiarato Roger A. As-saker, CEO di e-Xstream engineering and Chief Materials Stra-tegist di MSC Software.MaterialCenter fa parte di una completa 10x Materials Solution™ che copre lo sviluppo virtuale dei materiali, il relativo testing, mo-dellazione standard e avanzata (multi-scala) adatta a tutti i princi-pali software di analisi a elementi finiti, lo studio degli effetti del processo produttivo (ad esempio Additive Manufacturing, Posi-zionamento automatico delle fibre...), effetti delle imperfezioni, Continuità digitale e Digital Twin, intelligenza artificiale, confor-mità e sostenibilità incentrate sui materiali.

MaterialCenter è la piattaforma per la gestione dei materiali, se-lezionata da Airbus per guidare lo sviluppo prodotto verso l’ in-novazione e l’alta qualità

MSC Software, azienda specializzata nel settore delle tecnolo-gie informatiche, è stata selezionata da Airbus Group, importan-te azienda aerospaziale, come parte del proprio processo di tra-sformazione digitale, per ridurre i tempi di sviluppo implemen-tando una piattaforma end-to-end di gestione dei materiali, Ma-terialCenter. Airbus intende fornire l’accesso ad un unico databa-se dei materiali per Airbus Group e attraverso tutte le divisioni.MaterialCenter è una soluzione completa per le necessità attuali e future di gestione dei dati dei materiali e dei processi in ambito aerospaziale. Progettato per gestire il flusso di lavoro completo

27Compositi

Nasi Elettronici dell’ENEA per la certificazione aeronautica degli incollaggi di pannelli CFRP

maggiori stakeholder dell’industria aeronautica sono impegnati da anni in una rivoluzione verde volta a limita-re emissioni in atmosfera e costi am-

bientali complessivi. I materiali plastici rin-forzati in fibra di carbonio sono un abilitan-te tecnologico fondamentale per la produ-zione aeronautica ecofriendly. L’utilizzo di questi materiali permette la riduzione si-gnificativa del peso dell’aeromobile e, di conseguenza, del consumo di carburan-te e dell’impatto ambientale.Il ricorso a tecniche di incollaggio permet-te, inoltre, un’ulteriore riduzione di peso evitando l’utilizzo dei rivetti. Per il pieno sfruttamento dei CFRP bisognerebbe au-mentare gli sforzi per il loro utilizzo con assemblaggi adesivi anche nelle struttu-re critiche primarie. Il raggiungimento di questa milestone permetterebbe riduzio-ni del costo per miglia per passeggero sti-mati fino al 15%. Ad oggi non è ancora possibile raggiungere pienamente questo obiettivo a causa della mancanza di tec-nologie utili a testare in linea e garantire la qualità e la sicurezza dei bond adesivi e ad abilitarne la certificazione.L’ispezione preincollaggio dei componen-ti interessati è una fase fondamentale di tale procedura, in particolare per garanti-re l’assenza di contaminazione delle su-perfici impegnate nell’assemblaggio ade-sivo. Infatti, la contaminazione superficia-le dei componenti è una delle preoccupa-zioni maggiori di chi realizza tali assem-blaggi. Quantità anche minime di conta-minanti superficiali possono inficiare con effetti potenzialmente catastrofici le qua-lità meccaniche dell’incollaggio risultan-te. La contaminazione, inoltre, può avve-nire in diverse fasi della vita preoperati-va (ed operativa, in caso di interventi ma-nutentivi) del pannello. Agenti distaccan-ti possono lasciare tracce minime ma de-cisive nell’impedire lo sviluppo di un cor-retto legame adesivo tra le parti coinvol-te per effetti di screening. Nel caso ma-nutentivo le contaminazioni da parte di umidità, liquidi idraulici e fluidi antighiac-cio possono generare aggressioni chimi-che alle superfici, impedendo il ripristi-no delle proprietà del materiale tramite incollaggio della patch. Per questi moti-vi la commissione europea contribuisce

I

Saverio De Vito e Fabrizio Formisano – ENEA, Laboratorio Sistemi ed Applicazioni Fotovoltaiche e Sensoristiche

28 Compositi

attivamente attraverso diversi programmi, come H2020 e la JTI CleanSky (2).In particolare, progetti come COMBONDT “Quality assu-rance concepts for adhesive bonding of aircraft composi-te structures by extended non-destructive testing)”, in cui ha partecipato l’ENEA, mirano alla definizione di un insie-me di tecnologie atte a verificare e supportare il processo di certificazione del bond adesivo, operando con tecniche NDT prima e dopo l’incollaggio stesso.L’ENEA contribuisce a questo sforzo impegnando le tec-nologie dell’olfatto artificiale sviluppate per un decennio al Centro Ricerche di Portici in provincia di Napoli. I ricercato-ri ENEA hanno sviluppato un naso elettronico specializza-to per l’utilizzo come NDT nell’analisi per-bond di pannelli in composito per applicazioni aeronautiche.Un naso elettronico è un sistema multisensoriale chimico basato su insiemi di sensori a stato solido in grado di rea-lizzare un’istantanea olfattiva (fingerprint) di un campione analizzato (in questo caso una superfice in CFRP).Nello specifico, il sistema di aspirazione del naso viene av-vicinato alla superficie da analizzare, mentre un sistema ot-tico riscalda la superficie per favorire il rilascio delle compo-nenti volatili presenti nelle tracce di contaminanti sulla su-perficie stessa. Questa miscela viene aspirata e portata in una camera dove solleciterà la risposta dei sensori in ter-mini di cambiamento della loro resistenza basale. Infatti, “il naso ENEA, denominato SNIFFI, è caratterizzato da un ar-ray di sensori ad ossido metallico ed è dotato di una testa di rilevazione mobile per potersi adattare a superfici con di-versa curvatura, correntemente in uso. Potrebbe poi esse-re montato su una testa robotizzata per velocizzare le ope-razioni di analisi di superfici di dimensioni ampie”, spiega Fabrizio Formisano, ricercatore ENEA.La risposta dei sensori viene processata estraendo le carat-teristiche salienti e realizzando così una vera e propria im-pronta olfattiva della superficie analizzata. Parte fondamen-tale di SNIFFI è l’intelligenza artificiale a bordo del sistema. Sfruttando tecniche di machine learning, infatti, è possibile dotare il sistema di componenti software in grado di analiz-zare l’impronta olfattiva di una superfice. Queste compo-nenti software, opportunamente addestrate con campio-ni reali, hanno mostrato di essere in grado di determinare la presenza di contaminanti rilevanti per l’applicazione, di identificarli e, in casi particolari, di quantificarne la presen-za in termini di peso per unità di superfice.Negli ultimi anni il team ENEA, che ha curato tutti gli aspet-ti di studio, dall’interazione chimica di specie contaminan-ti con i pannelli CFRP alla loro rilevazione con tecniche di intelligenza artificiale, si è focalizzato sull’aumento del Te-chnology Readiness Level (TRL) della soluzione sviluppa-ta per analizzare parti reali provenienti da linee di assem-blaggio e da aeromobili in servizio che hanno subito dan-neggiamenti.Per il successo dello sviluppo del naso elettronico SNIFFI si sono rivelate fondamentali le collaborazioni con AIRBUS e con l’Istituto tedesco Fraunhofer IFAM, che ha coordina-to il progetto COMBONDT.Il naso elettronico ENEA è risultato tra i migliori strumen-ti per rilevare agenti distaccanti e oli idraulici durante i test tenutisi a Brema nella sede IFAM. Grazie a questi risulta-ti, SNIFFI ha destato l’interesse di piccole e medie impre-se europee specializzate nella manutenzione di aeromobili e di Istituti internazionali di ricerca applicata al settore ae-rospaziale, con l’obiettivo di sviluppare una versione com-mercializzabile del dispositivo.“Siamo ora impegnati in ulteriori implementazioni con l’azio-ne COST CERTBOND” spiega Saverio De Vito, responsa-bile scientifico del progetto e membro del comitato di ma-nagement di CERTBOND.

ENEA’s electronic noses for the aeronautical certification of adhesive bonding of CFRP panels

ing techniques it is possible to integrate software tools in the system that can analyze the olfactory fingerprint of a sur-face. Once they are properly trained on real samples, these software tools have proved to be able to determine the pres-ence of contaminants of specific impor-tance to the application, to identify them and, in some cases, to quantify their pres-ence in terms of weight per unit surface.In the recent years the ENEA team, who took care of all of the scientific aspects of the analysis, from the chemical interac-tion of the contaminants with the CFRP panels to the detection by means of ar-tificial intelligence techniques, has fo-cused its attention on the increase of the Technology Readiness Level (TRL) of the method developed to analyze real parts coming from assembly lines and aircrafts damaged in their service life.Crucial in the successful development of the SNIFFI electronic nose were the col-laborations with AIRBUS and the German Fraunhofer Institute IFAM, who coordi-nated the COMBONDT project.ENEA’s electronic nose came out as one of the best tools to detect release agents and hydraulic oils during the tests per-formed at IFAM in Bremen. Thanks to these results, SNIFFI aroused the inter-est of small and medium European enter-prises specializing in the maintenance of aircrafts and of international research in-stitutes dedicated to the aerospace field, with the aim of developing a commercial version of the device.“We are currently busy with further im-plementations within the context of the COST action CERTBOND”, explains Saverio De Vito, scientific manager of the project and member of the CERTBOND management board.

he main stakeholders in the aero-nautical industry have been com-mitted for years to a ‘green’ revo-lution aimed at limiting the emis-

sions into the atmosphere and the overall environmental costs. Carbon fiber-rein-forced plastics represent a technological keystone to support an eco-friendly aer-onautical manufacture. The use of these materials provides a significant weight reduction of aircrafts and, in turn, of fuel consumption and environmental impact.Exploiting adhesive bonding techniques also offers further weight reduction by skipping the use of rivets. In order to ful-ly exploit CFRPs we should increase our efforts and also use them in adhesive-ly-bonded assemblies of critical prima-ry structures. Achieving such milestone would result in the reduction of the cost per passenger-mile up to 15%. To date this goal is not fully attainable yet due to the lack of technologies suitable to on-line testing of adhesive bonds, as well as to guarantee their quality and safety and thus issue a certification.The preliminary inspection of the compo-nents involved in the bonding operation is a fundamental step of the process, espe-cially concerning the absence of contam-inations on the surfaces being bonded. Indeed, surface contamination of com-ponents is among the main sources of concern for the manufacturers who car-ry out the bonding process. The slight-est amount of surface contaminants can affect the mechanical properties of the bond with potentially catastrophic results. Furthermore, contamination can occur in different steps of the pre-service life of the panel (and also during the service life, in case of maintenance events). Release agents can leave minimal and yet deci-sive traces that prevent the development of a correct adhesive bond between the parts by means of screening effects. In the case of maintenance, contaminations from moisture, hydraulic and antifreeze fluids can give rise to chemical aggression of surfaces, preventing the recovery of the material’s properties by glueing of the patch. Due to these motivations, the Eu-ropean commission actively contributes to the issue via several programs such as H2020 and JTI CleanSky (2).Specifically, projects like COMBONDT (“Quality assurance concepts for adhe-sive bonding of aircraft composite struc-

tures by extended non-destructive test-ing” ), which saw the participation of ENEA, aim at defining a set of technol-ogies suitable to verify and support the certification of the adhesive bonding pro-cess, by means of NDT methods before and after the process itself.ENEA contributes to this effort with the artificial olfactory technologies devel-oped over the course of a decade in the Research Center of Portici, Naples. ENEA scientists have developed an electronic nose tailored to the use as NDT tool in the pre-bond analysis of composite pan-els for aeronautical applications.An electronic nose is a multisensor chem-ical system based on arrays of solid-state sensors that can produce an olfactory fin-gerprint of the sample under analysis (in our case, a CFRP surface).Specifically, the suction system of the nose is drawn near to the surface to be analyzed, while an optical system heats the surface to promote the release of the volatile components present in the con-taminant traces laying on the surface. This mixture is extracted and conveyed to a chamber where it triggers the sensors’ response in terms of variation of their re-sistance. Indeed “ENEA’s electronic nose, called SNIFFI, is characterized by an array of metal-oxide sensors and is equipped with a motorized detection head in order to adapt to curved surfaces. It could be envisaged to install it on a robotic head to speed up the analysis operations on large surface areas”, explains Fabrizio Formisa-no, ENEA research scientist.The sensors’ response is processed so to extract the key features of the sample in such a way to produce a fully-fledged olfactory fingerprint of the analyzed sur-face. Indeed, thanks to machine learn-

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Saverio De Vito e Fabrizio Formisano – ENEA, Laboratorio Sistemi ed Applicazioni Fotovoltaiche e Sensoristiche

30 Compositi

ORMAMACCHINE S.p.A.VIALE LOMBARDIA, 47 - 24020 TORRE BOLDONE (BG) - ITALY Tel. +39 035 364011 - www.ormamacchine.it

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Da TEC Eurolab la tomografia computerizzata non ha più limitiIl Centro tomografico dell’azienda si arricchisce di un acceleratore lineare di grande potenza che amplia il range di scansioni effettuabili in termini di dimensioni e materiali. Una scelta che risponde al crescente interesse verso una tecnica di indagine non distruttiva sempre più utilizzata per lo sviluppo di componenti per l’aeronautica e l’automotive

quest’anno abbiamo arricchito la struttu-ra con il nuovo acceleratore lineare Dion-do 6 MEV. Tre soluzioni dalle caratteristi-che differenti che ci consentono di copri-re la quasi totalità delle richieste del mon-do industriale, dall’automotive all’aerospa-ziale al biomedicale».Il primo sistema ha infatti una potenza in-feriore agli altri due, ma garantisce risolu-zioni di dettaglio molto più elevate, nell’or-dine dei 5-10 micron. Perfetto per scan-sionare componenti realizzati in materiali compositi, per i quali non occorrono gran-dissime potenze, lo è meno per l’analisi di materiali ad alta densità e per grandi spes-sori (può scansionare componenti in ac-ciaio con spessore massimo delle pareti di 1 cm), assicurando però su determina-te applicazioni una risoluzione di acquisi-zione molto più performante. Per via del-la piccola camera, inoltre, risultano conte-nute anche le dimensioni massime scan-sionabili, pari a 70 cm di larghezza per 1 m di altezza.Limiti superati con il tomografo NSI X7500, grazie al quale le dimensioni scan-sionabili arrivano fino a 1,2 m di larghez-za e a 3 m di altezza. La macchina con-sente anche di analizzare componenti con

combinazioni di spessori maggiori, ovve-ro, avendo come riferimento l’acciaio, fino a 7-8 cm, ma senza raggiungere le riso-luzioni e il dettaglio garantiti dal primo si-stema, in quanto la risoluzione non scen-de sotto i 70 micron.Se le dimensioni scansionabili, in termi-ni di larghezza e altezza, restano sostan-zialmente uguali, gli spessori ispezionabi-li crescono esponenzialmente con il nuo-vo acceleratore lineare Diondo 6 MEV. Sebbene un limite massimo raggiungibi-le non sia stato ancora definito, si parla di spessori di pareti in acciaio di circa 30-40 cm, mentre la risoluzione si aggira in-torno a 130 micron. L’ultimo entrato nel-la dotazione tecnologica dell’azienda è in-fatti un sistema tomografico caratterizza-to da grande potenza, nell’ordine di 10 vol-te superiore rispetto agli altri due sistemi.

PIÙ POTENZA PER NUOVE APPLICAZIONIIl suo principio di funzionamento è so-stanzialmente simile a quello delle mac-chine precedenti. L’acceleratore lineare è composto da una fonte di raggi X, da una tavola rotante sulla quale viene posiziona-to il componente e, come il NSI X7500,

La capacità di riunire in un’unica analisi non distruttiva la verifica dimensionale e il controllo difettologico completo ha fat-to della tomografia industriale compute-rizzata una metodologia diagnostica sem-pre più apprezzata per l’analisi dei materia-li compositi, in particolare per lo sviluppo e validazione di componenti per i settori automotive e aeronautico. Inoltre, la pos-sibilità di analizzare prodotti complessi e multimateriale, senza distruggerli o smon-tarli, l’hanno resa uno strumento ormai ir-rinunciabile per la riduzione dei rischi e la failure analysis.L’esecuzione di indagini tomografiche co-stituisce uno dei punti di forza dell’offer-ta di TEC Eurolab, società specializzata in servizi di testing a 360° per l’industria manifatturiera, che comprendono tutte le prove e indagini distruttive e non distrut-tive, nella certificazione di processi, ma-teriali, prodotti e personale, nel supporto tecnico per le attività di progettazione e ricerca e sviluppo e nella formazione. Tra i fiori all’occhiello dell’azienda vi è, infat-ti, il Centro tomografico industriale, situa-to nella sede operativa aperta nel 2016 a Campogalliano, in provincia di Modena, che ospita anche i laboratori per i controlli non distruttivi, i controlli dimensionali, gli uffici di certificazione e le aule per i corsi di formazione. Sede che si è aggiunta a quella storica, che sorge nello stesso co-mune, dove invece si trovano i reparti del Centro analisi materiali, con il laboratorio chimico, di metallografia e quello per le prove meccaniche.

UN RANGE DI ANALISI UNICOIl Centro tomografico, già dotato di stru-mentazioni all’avanguardia, di recente è stato potenziato con un nuovo accelera-tore lineare, che la società ha acquisito per ampliare l’offerta di servizi ai clienti, sia in termini di dimensioni sia di tipolo-gie di materiali ispezionabili.«Abbiamo inserito il primo sistema di to-mografia industriale, un NSI X5000 con tubo microfocus da 240 kV, nel nostro Centro nel 2013 – spiega Martina Vin-cetti, responsabile del centro tomogra-fico di TEC Eurolab –. Nel 2016 è stato introdotto un secondo sistema, un NSI X7500, con tubo minifocus da 450 kV, e

32 Compositi

Nuovo stabilimento dedicato al centro tomografico

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tosità sia alle caratteristiche dimensiona-li. Altro notevole vantaggio è di ottenere una mappa totale e completa dei difetti, lineari e volumetrici, all’interno del com-ponente: stabilita la risoluzione di acquisi-zione, si possono individuare tutti i difet-ti e, sovrapponendo il volume tomografi-co al modello CAD del particolare, otte-nerne la localizzazione precisa e puntua-le di ognuno. Una tale quantità di dati è a sua volta disponibile per ulteriori e suc-cessive analisi e simulazioni di strutturali tipo FEM (metodo a elementi finiti), per verificare il comportamento del particola-re se sottoposto a cicli di sollecitazione di diverso tipo, o la sua resistenza se sotto-posto a cicli a fatica.Nel caso di test distruttivi, inoltre, la to-mografia eseguita prima e dopo il test consente di documentare il cambio di stato del particolare, quindi di verificare, per esempio, la propagazione di eventuali

da due diversi detector, ovvero due rile-vatori che lavorano in modo differente: un flat panel, che acquisisce un’immagi-ne a 4096 per 4096 pixel, e un detector lineare, che acquisisce invece l’immagi-ne del componente slide per slide, quin-di una fetta molto piccola dell’immagine, ma molto più pulita e priva di rumore. «Si differenzia dagli altri due sistemi per la fi-sica con la quale vengono generati i rag-gi X, per il fatto che non si tratta di un fa-scio continuo, ma a pulsazione e, soprat-tutto, per la sua potenza – prosegue Vin-cetti –. Potenza che permette analisi affi-dabili di oggetti difficili da penetrare, am-pliando così le possibilità di indagine a componenti dai grandi spessori e a ma-teriali e a leghe ad altissima densità, che includono anche i materiali per l’additive manufacturing».Ma l’acceleratore lineare arricchisce e po-tenzia anche l’offerta dedicata al mondo dei compositi, permettendo di perfeziona-re ulteriormente l’analisi e identificazione di tutte le grandi classi di difetti dei manu-fatti, dalla verifica dei mancati incollaggi alla presenza di addensamenti di resina, dal controllo della corretta distribuzione delle fibre alla definizione delle proprietà meccaniche. Altra fondamentale applica-zione è l’indagine e l’analisi di componen-ti che vedono la compresenza di materia-li compositi saldati o assemblati a metalli, grazie al ridotto rumore di scansione ga-rantito dall’acceleratore lineare, che con-sente di ben identificare le due interfac-ce, risultato quasi impossibile con gli altri due sistemi. Una combinazione di mate-riali molto diffusa nel comparto racing e nel settore aeronautico, basti pensare alle pale per elicotteri e alla varia componenti-stica leggera montata sui velivoli.

UNO STRUMENTO DI INDAGINE PREZIOSOL’installazione dell’acceleratore si inseri-sce in un percorso di evoluzione intrapre-so dal Centro tomografico di TEC Euro-lab per assecondare il crescente interes-se di diversi comparti manifatturieri verso questa tecnica di indagine non distruttiva avanzata, consentendo all’azienda di offri-re un range di applicazioni unico nel pano-rama europeo. Un interesse dovuto alla fondamentale peculiarità della tomogra-fia industriale, ovvero la capacità di for-nire una mappa completa e precisa dello stato del componente, con una qualità e quantità di informazioni non ottenibile con gli altri metodi di indagine non distruttivi.«Per quanto riguarda il mondo dei com-positi, tale capacità è sempre più sfrutta-ta soprattutto nelle attività di ricerca e svi-luppo di progetti e nella fase di prototipa-zione dei manufatti, in particolare nel set-tore aeronautico e racing, ma non solo – spiega la responsabile del Centro –. Più limitato invece l’impiego per l’accredita-mento e la certificazione, in particolare per l’autorizzazione al volo nell’aeronauti-

co, a causa della mancanza di una norma-tiva internazionale per tali applicazioni, per le quali sono oggi disponibili solo delle li-nee guida, a differenza degli altri sistemi di prova non distruttivi». Un gap dovuto alla storia piuttosto recente della stessa tecni-ca e che ora si vuole superare proprio alla luce dei grandi benefici che questa offre.

UN’INDAGINE DALLE GRANDI POTENZIALITÀE davvero importanti sono i vantaggi e le potenzialità della tomografia industriale. Il primo è di consentire il completo seziona-mento del componente, senza che que-sto venga minimamente alterato durante il controllo. Il volume 3D del componen-te, ottenuto dal suo scansionamento con un fascio di raggi X, può essere seziona-to virtualmente in tutti e 3 i piani, per na-vigare qualsiasi sezione e analizzare i par-ticolari interni in riferimento sia alle difet-

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Nuovo acceleratore lineare – Diondo Linac 6 MEV

delaminazioni durante cicli di fatica su pro-fili a carichi differenti, determinare il limi-te di fatica e, di conseguenza, il criterio di accettabilità delle difettosità.Attraverso la sovrapposizione del volu-me tomografico al modello CAD si pos-sono effettuare anche controlli dimensio-nali e analisi degli spessori, per misurare eventuali deviazioni del pezzo finito rispet-to al suo modello di progetto. Una possi-bilità quest’ultima molto utilizzata anche

industriale è fondamentale per i proces-si di reverse engineering, dove, parten-do dal particolare finito si va a costruire il suo modello matematico. Una volta rico-struito il volume 3D si può segmentare la superficie del componente estraendone la matematica completa in formato STL e poi completare il processo di ingegne-ria inversa fino a ottenere i modelli CAD parametrici o in formato STEP (Standard for the exchange of product model data).

per la verifica degli stampi, quindi per la messa a punto della stessa attrezzatura di produzione.Nei componenti CFRP è poi possibile stu-diare l’orientamento delle fibre, verifican-done la conformità al progetto. Inoltre, i componenti stampati con rinforzi a fi-bra corta si possono analizzare per indivi-duare le sezioni di congiunzione dei flus-si plastici e per validare le eventuali simu-lazioni di processo. Infine, la tomografia

- Da TEC Eurolab la tomografia computerizzata non ha più limiti -

Sono trascorsi 40 anni da quel Sabato 29 Settembre 1979, giorno in cui si svolse il “Primo Congresso Nazionale dell’Associazione Italiana Prove non Distruttive”. Sono trascorsi 40 anni, siamo giunti oggi alla 18° edizione della Conferenza e torniamo ancora una volta a Milano, fondamentale crocevia dell’attività produttiva italiana: l’innegabile successo dell’edizione 2017 della manifestazione, che ha visto la presenza di oltre 1.000 partecipanti iscritti, ha infatti riconfermato la scelta del capoluogo lombardo come punto di forza per la riuscita della Conferenza. Siamo dunque pronti per aggiungere un nuovo capitolo alla storia delle PnD in Italia, siamo impazienti di accoglierVi a Milano2019!

TAKE NOTE!

M e r c o l e d ì 2 3 Ot t o b r e O P E NI NG C E R E MONY

G i o ve d ì 2 4 Ot t o b r e A SSE MBLEA O R DI NARI A

S O C I A I P nD

V e n e r d ì 2 5 Ot t o b r e P L AYGR OUND C I V I LE

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Associazione Italiana Prove non Distruttive Monitoraggio Diagnostica

Via Arnaldo Foresti, 5 - 25127 Brescia Phone +39.030.3739173

Fax +39.030.3739176 biennale@aipnd.it - www.aipnd.it

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Bimas Engineering costruisce macchinari e/o linee di produzione nel settore dell’incollaggio, lavora in vari mercati nei quali spic-cano il navale, l’aereospaziale, l’automotive, il legno, il cartotec-nico, la calzatura, il tessuto e l’alimentare.In particolare è costruttore di tecnologie come spalmatrici a rullo freddo e Hot Melt, assi cartesiani abbinati a teste di spalmatura

lometrie per soddisfare il grado di finitura desiderato; possono essere utilizzati con successo in operazioni manuali, con mac-chine portatili o su centri di lavoro.Gli utensili complessi, al termine della loro vita, possono essere rigenerati e riportati alle specifiche originarie.

Il diamante è carbonio puro in una struttura cristallina cubica. È il più duro di tutti i materiali noti. Molte applicazioni traggono be-neficio dall’uso di diamante industriale per taglio, foratura, pro-filatura, levigatura, lucidatura e altri processi, perché garantisce lavorazioni più veloci, maggiore durata della vita dell’utensile, e permette tolleranze precise di forma e dimensioni.Nella lavorazione dei materiali compositi, non duri ma forte-mente abrasivi, il diamante offre prestazioni elevate e capacità di taglio superiori in una vasta gamma di processi, in primis nei settori aerospaziale, au-tomobilistico e nautico.LEOMA DIAMANT ha sviluppato una gamma di utensili specifici per la lavorazione di qualsia-si tipo di materiale com-posito.L’azienda offre, fra i suoi prodotti, utensili stan-dard in pronta conse-gna per fresatura, taglio, scontornatura, foratura, spianatura, rettifica e la-vorazioni in genere dei materiali compositi, e realizza utensili speciali su esigenza del cliente.Gli utensili diamantati sono disponibili in una gamma di diverse granu-

Soluzioni tecniche per l’incollaggio

Produzione utensili diamantati

a grammatura costante e/o variabile, teste di spalmatura multi riga e spruzzo; è integratore di robot antropomorfi per applicare adesivo su varie geometrie di superfici.I punti di forza dell’azienda sono la semplicità d’installazione e di impiego dei macchinari, e l’estrema flessibilità produttiva. Que-sti macchinari garantiscono alte precisioni e uniformità di distri-buzione dell’adesivo, di cui è possibile variarne le geometrie di applicazione. L’adesivo viene applicato su qualsiasi tipo di ma-teriale, sia su pannello rigido che bobina (tessuto, TNT, vera e finta pelle, carta siliconata, etc). L’innovazione tecnologica, l’in-gegnerizzazione e il costante sviluppo mirati all’aumento di pro-duttività e al consolidamento di requisiti, come affidabilità e si-curezza, sono i principi cardine che rendono i macchinari per-formanti ed efficienti. La dinamicità produttiva ha radici ormai consolidate che rendono personalizzabili le varie tecnologie pro-poste, sia in termini di macchinari singoli che intere linee di pro-duzione. La visione globale di “engineering di processo” offre al cliente la possibilità di poter acquisire, sulla base di valutazioni di parametri come asservimenti, posizionamenti, tempi ciclo, ma-nipolazione ed ergonomia, il macchinario, i macchinari o la linea di produzione più indicata per soddisfare la propria produzione. Bimas Engineering si dedica costantemente ai propri clienti con una politica “Customer Oriented” che sfrutti le conoscenze del passato mettendole a servizio dello sviluppo futuro.

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Tutta la modularità delle cleanroom a servizio della laminazione

zate le performance di riscaldamento, l’uniformità di tempera-tura, i consumi e i controlli del vuoto. Per i modelli 2020, inoltre, il carrello porta materiali è ulteriormente alleggerito, aumentan-do nello stesso tempo la rigidità e la portata. Anche per queste macchine è prevista una consegna veloce.Per la produzione dei macchinari Magnabosco sceglie materiali e componenti di primissima qualità, ma non esclusivi, in modo che il cliente possa reperirli facilmente ovunque. Il servizio as-sistenza garantisce le spedizioni dei ricambi solitamente entro le 24-72 ore dall’ordine.Le dimensioni standard prodotte dall’azienda vanno da un dia-metro di 300 mm a 5000 mm e una lunghezza che va da 300 mm a 88 metri; sono state realizzate autoclavi con temperatu-re fino a 480°C e con pressioni fino a 300 bar.Magnabosco costruisce le autoclavi in tre diverse versioni: oriz-zontali, verticali e mobili. È possibile prenotare autoclavi d’oc-casione rimesse in perfetta efficienza nel rispetto delle ultime normative e con garanzia full di un anno.

Affidabilità, robustezza, bassi consumi, ottimo rapporto quali-tà prezzo e semplicità nell’utilizzo. Queste le caratteristiche che hanno permesso all’azienda Magnabosco di installare nel setto-re fibra di carbonio più di 360 autoclavi nuove, 70 autoclavi re-visionate e 40 autoclavi “for rent”. Quest’ultimo è l’innovativo servizio che la Magnabosco autoclavi ha lanciato nel 2015 e che ha riscontrato un immediato successo, anche per la possibili-tà di acquistare l’autoclave al termine del periodo di noleggio.Di recente l’azienda ha consegnato la quarantunesima macchina in Ungheria: un’autoclave di diametro 2000 mm, lunghezza 4000 mm a 10 bar di pressio-ne e 200 C°. Sempre con questa formula, a set-tembre, ha consegna-to un’autoclave da labo-ratorio di diametro 800 mm per 1000 mm di lun-ghezza, 350 C° a 10 bar di pressione e una 1900 mm per 4000 mm, 6 bar e 180°C.Nello stesso mese ha in-trodotto le autoclavi mo-dello 2020, con ottimiz-

con facilità anche da personale diverso da quello del costruttore.Il sistema è concepito con concetto di modularità per garantire al cliente flessibilità, espandibilità di layout, capacità frigorifera e classe di contaminazione, oltre al riutilizzo della grande par-te dei componenti in caso di spostamenti o cambi di progetto.Il sistema Hardwalls Cleanroom prevede l’utilizzo di una serie di unità filtro-ventilanti MTF AUT per la sola filtrazione di processo, sopra il controsoffitto dei locali trattati; l’aria è mandata dall’al-to a flusso laminare dagli MTF AUT e ripresa da stazioni MRF poste su colonne realizzate con pannello parete o doppie pareti continue, se necessario.La portata d’aria di ripresa e prefiltrata è divisa in 2 quote la cui percentuale varia in funzione di parametri termodinamici.La manutenzione ordinaria delle sezioni filtranti è fattibile com-pletamente dall’interno della cleanroom, senza necessità di or-gani meccanici smontabili o di rendere comunicante l’interno della cleanroom stessa con l’ambiente esterno.

MITEC produce apparecchiature e realizza sistemi di climatizza-zione e filtrazione dell’aria per i processi industriali. Sempre più conosciuta nel settore dei compositi, vede tra i prodotti di spic-co la Hardwall Cleanroom in kit di montaggio: sistema a conta-minazione controllata con struttura di confinamento rigida, ido-nea per configurazione e qualità dei componenti a molteplici im-pieghi sino alla classe ISO4 secondo ISO 14644-1.Importanti realtà nel settore dei compositi scelgono questo si-stema perché realizzato con materiali dal miglior rapporto qualità/prezzo del mercato e perché offre prestazioni idonee alla fase di laminazione sia in termini di controllo della contaminazione par-ticellare sia delle condizioni microclimatiche costanti in tutte le stagioni dell’anno.Superato il concetto di impianto, anche se resta la possibilità entro i limiti di prodotto di realizzazioni su misura, esso prende forma di un kit-macchina molto più vantaggioso a livello economico, dove tutti i componenti sono integrati e frazionati in moduli, assemblabili

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SECO TOOLS ITALIA

cati grazie alla geometria “due in uno” dell’innovativa fresa inte-grale Seco JC899 per finitura di materiali stratificati ibridi; pro-gettata soprattutto per le operazioni nelle combinazioni di ma-teriali avanzati utilizzate nell’industria aerospaziale, in particola-re il CFRP e titanio o il CFRP e alluminio.L’avanzato design brevettato del materiale e della geometria di questo straordinario finitore genera una finitura superficiale pri-va di difetti e graffi.Perfette per combinazioni di materiali complessi con necessità di elevata precisione come quelle utilizzate nei piloni dei motori ae-rospaziali, la fresa integrale per finitura JC899 insieme alla fresa per sgrossatura JC898 di Seco Tools sono in grado di aumentare l’efficienza dei processi fino al 200% e di garantire una durata de-gli utensili di gran lunga maggiore rispetto agli utensili tradizionali.

Grazie alla loro leggerezza e resi-stenza, le industrie aerospaziali più avanzate stanno ricorrendo sempre più spesso all’impiego di materiali stratificati ibridi come i polimeri rin-forzati in fibra di carbonio (CFRP) e titanio o in CFRP e alluminio.La lavorazione di questi materia-li è un’operazione difficile e delica-ta perché richiede il rispetto di tol-leranze strette ed è facile compro-mettere e/o scartare i componenti per via della delaminazione o della lacerazione delle fibre.La lavorazione, inoltre, è rallentata dall’inquinamento da trucioli per via dell’evacuazione difficoltosa; i tem-pi di produzione si allungano per-ché è necessario periodicamente fermare le operazioni per separa-re, pulire e poi riassemblare a mano gli strati di materiale, rallentando i cicli anche a causa delle operazio-ni separate.Oggi è possibile eliminare la lun-ghissima attività di disassemblaggio dei singoli strati di materiali stratifi-

La fresa “due in uno” per la lavorazione dei materiali stratificati

ZÜND

This makes Zünd’s modular cutting systems ideal for use in indus-trial environments. At the show in Düsseldorf, Zünd is exhibiting a G3 cutter, which is equally well suited as a stand-alone solution for semi-automated production of smaller quantities and as a fully integrated system in industrial production lines. With its open in-terface, the Zünd G3 can be quickly and easily integrated into any existing production environment. Zünd cutting systems are con-sistently geared towards automated digital production and gen-erating more throughput in less time. They also play a significant role in shortening time to market and maximizing material yield.Advanced digital workflows demand a seamless flow of data. With the software solutions Zünd offers, users are perfectly equipped to handle the vast and varied demands of challenging markets. The software automatically optimizes contours and ad-justs cut paths for the type of material and specific tool being used. With the integrated nesting module, parts are automati-cally nested for optimal yield. Especially in view of rising material costs, maximizing material utilization without sacrificing quality is essential for making digital cutting productive and profitable.

Exhibiting at K 2019 (Hall 3, Booth F21) in Düsseldorf for the first time, Zünd will be presenting its modular digital cutting solutions to the plastics industry. Zünd, together with Zünd partner Euro-laser, is providing industry experts with an opportunity to expe-rience and discuss the possibilities of mechanical cutting – re-lying on blade and bit-based technologies – as well as those of non-contact laser cutting, thus giving attendees a chance to com-pare the two processing methods in terms of their suitability for their own specific cutting needs.

Cut mechanically or cut with laser? Fabricators in the plastics and composites industry are often confronted with this question. De-pending on specific requirements, the advantages of one cutting method over the other may set them apart; however, in certain scenarios, the two processes do not compete at all, but actually complement one another. Digital cutting systems from Zünd and Eurolaser do have quite a few things in common: both systems are highly versatile and, if production requirements demand it, each can be equipped for both types of processing capabilities.The focus of Zünd’s exhibit is on high-performance cutting and on processing a diverse range of plastics and composites. As much as types of plastics and composites may differ, maximum produc-tivity and reliability, along with easy integration in automated work-flows, are critical competitive advantages in all production scenari-os. And perfectly coordinated components are the key to success.

Performance and productivity with digital cutting technology

Ultra-fast Consolidator MachineDeposizione di nastro laser-assistita per la produzione personalizzata in serie di semilavorati termoplastici fibrorinforzati su misura

Il consolidamento in situ con l’uso di sor-genti di calore ad alta intensità, quali riscal-datori a infrarossi o laser, riduce i passaggi post-processing, poiché non devono es-sere effettuate azioni post-consolidamen-to. Tra gli ulteriori vantaggi vi sono la pos-sibilità di variazioni flessibili di spessore nei laminati e un riscaldamento energeti-camente efficiente, specialmente quando sono usati laser [8-10]. La figura 1 mostra schematicamente il processo di deposi-zione del nastro consolidato in situ per la realizzazione di un modello esemplare di laminato ottimizzato in carico.

PRINCIPIO E COMPONENTI DELLA MACCHINASistema di produzione di tipopiece-flowIl sistema qui presentato è basato sul prin-cipio del piece-flow. Un sistema traspor-tatore porta i vettori a basso peso e bas-so costo per i laminati, facendoli passare per stazioni di applicazione dove il nastro è depositato da una o più teste di deposi-zione fisse (applicatori). Prima dell’appli-cazione del nastro, i laminati possono es-sere orientati rispetto all’angolo di orien-tazione della fibra.La figura 2 offre una panoramica del princi-pio piece-flow. La configurazione dell’ap-plicatore in ognuna delle stazioni può es-

uso di materiali compositi fibro-rinforzati si è dimostrato in gra-do di rafforzare significativamen-te la stabilità e la resistenza dei

prodotti con essi realizzati, e al contempo di ridurre peso, uso di materiale e com-plessità geometrica del componente pro-dotto. I materiali termoplastici fibrorinfor-zati offrono anche altre possibilità, gra-zie alla loro eccellente resistenza a fatica e rottura, alla riciclabilità e al loro poten-ziale in termini di rapidità del ciclo di pro-cesso [1,2]. Semilavorati termoplastici su misura sono stati adottati come opzione ad alta produttività e basso scarto per la produzione di parti ottimizzate per il cari-co, riducendo sostanzialmente il costo per componente [3, 4].AZL ha sviluppato un progetto di macchi-na ad alta produttività e scalabile modu-larmente per la produzione di semilavora-ti termoplastici su misura. L’idea del siste-ma produttivo integra un consolidamento in situ laser-assistito, riducendo i passaggi del processo di produzione. I brevi tempi di ciclo permettono l’inserimento diretto della produzione del laminato nelle cate-ne di processo per stampaggio a iniezio-ne, riducendo il costo del componente, lo spessore e l’uso di materiale, per esem-pio eliminando le nervature di irrigidimen-to nelle parti stampate a iniezione [2, 5].

CONTESTOGli attuali sistemi di deposizione dei na-stri sono dominati da macchine basate su manipolatori che usano teste di depo-sizione movimentabili su di una superfi-cie di deposizione fissa. La superficie può essere piatta o curva, dipendentemente dall’applicazione [6]. Tipicamente questi sistemi sfruttano bracci o robot multi-as-se, e offrono un’alta flessibilità geometri-ca, ma sono limitati in termini di capaci-tà produttiva, a causa della deposizione sequenziale e ai consistenti tempi impro-duttivi richiesti per il riposizionamento [7].I sistemi con una maggiore capacità pro-duttiva impiegano una superficie di depo-sizione mobile, solitamente nella forma di una tavola rotante, a volte con gradi di li-bertà addizionali. Questa suddivide i mo-vimenti richiesti su sottosistemi multipli, accelerando il processo.Questa evoluzione tecnologica in termini di capacità e produttività si può anche tro-vare in altri settori odierni ad alto rendimen-to, come l’industria della stampa e dell’eti-chettatura. Questi comparti hanno attual-mente raggiunto tempi di processo ben al di sotto del secondo, attraverso l’imple-mentazione di una produzione basata sul concetto di piece-flow. Ciò minimizza la movimentazione di masse a causa della leggerezza intrinseca delle parti prodotte.

L’

M. Emonts, K. Fischer, A. Peitz – Aachen Center for Integrative Lightweight Production (AZL), RWTH Aachen University, Aachen, Germany

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Fig. 1: Consolidamento in situ laser-assistito per la produzione di semilavorati termoplastici su misura

39Compositi

Il tempo del ciclo di produzione in questo approccio modulare di tipo piece-flow di-pende direttamente dalla velocità del na-stro trasportatore, perché viene fatto ci-clare un singolo vettore alla volta attra-verso la stazione di applicazione. Il tem-po di ciclo viene minimizzato in uno sce-nario di produzione “aperta” senza linea chiusa con feedback, ed è pari al minimo tempo di alimentazione di una stazione che si può ottenere per il singolo vettore. Attualmente esso ammonta a 4 secondi o meno. La linea di produzione e la confi-gurazione delle stazioni sono adattate alla

sere adattata alla sequenza di laminazio-ne. La larghezza dell’applicatore è di 50 mm e ogni applicatore depone nastri lar-ghi 25 mm. Quindi una configurazione in doppia cascata garantisce la deposizione di strati di nastro completi e senza spazi.Per la generazione del calore sono sta-te provate e utilizzate con successo due sorgenti laser: il laser direct-diode ad alta potenza LDMDirect2500 della Laserline GmbH, con una potenza emessa di 2.5 kW e una lunghezza d’onda di 980 nm, e il VCSEL PPM417 di Trumpf GmbH & Co. KG (già Philips Photonics), un laser a cavi-

tà verticale a emissione superficiale nello spettro infrarosso a 980 nm, con una po-tenza emessa di 2 kW.Grazie alla modularità della macchina e delle stazioni, la produzione può essere riscalata aggiungendo altre stazioni alla li-nea. Opzionalmente, si può integrare un sistema di feedback a ciclo chiuso dei vet-tori per riportare questi alla prima stazio-ne, rendendo così possibile la deposizione di più strati per strazione ma aumentando il tempo di ciclo per laminato. La figura 3 mostra il concetto di applicatore modulare e la configurazione di macchina scalabile.

Fig. 2: Principio di produzione piece-flow

Fig. 3: Modularità di stazione e applicatore, che permette la scalabilità della capacità produttiva

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41Compositi

pi di ciclo, pari a 4 secondi o meno. Teste di applicazione fisse collocano i nastri su vettori circolanti a basso peso e basso co-sto, su una linea di produzione aperta o a ciclo chiuso, dipendentemente dal nume-ro di parti e dalla flessibilità produttiva ri-chiesta. La macchina è progettata come un sistema modulare e configurabile, che permette una facile scalabilità. La movi-mentazione dei vettori permette una ve-locità di deposizione fino a 1 m/s, che rappresenta la finestra tecnologica attual-mente dimostrata per la velocità di con-solidamento in situ. Il riscaldamento è ot-tenuto usando due diverse sorgenti laser strette da 2 kW e 2.5 kW di potenza. Si è riusciti a produrre due laminati dimostra-tivi realizzati coi materiali PC/CF e PP/CF. Lavori attualmente in corso su upgrade di sistema e test su materiali permetteran-no ulteriori ottimizzazioni della macchina.

sequenza di laminazione del semilavorato, così che ogni stazione depone uno strato completo di nastro.Per ridurre l’investimento sulla macchina, cioè in caso di produzione di volumi mi-nori, si può integrare una linea di produ-zione chiusa che riporti i vettori alla prima stazione. Il tempo di ciclo scala in questo caso con il numero di cicli di ritorno dei vettori, ma il processo produttivo richie-de meno stazioni.

Concept di macchina e progettodelle stazioniIl concept produttivo presentato è stato validato costruendo una stazione di appli-cazione contenente un applicatore (fig. 4). Da design, la velocità di movimentazione dei vettori e quindi la velocità di deposizio-ne è 1 m/s. Ogni singola stazione può al-lestire fino a 28 applicatori, incluse le sor-genti laser in una configurazione in casca-ta doppia di 14 applicatori per fila, così da produrre laminati di 700 mm di larghezza con nastri larghi 25 mm.Concept produttivo e prototipo della mac-china sono stati premiati con l’Internatio-nal JEC Innovation Award 2019 a Parigi nel marzo 2019.L’ingombro della macchina è stato ridotto al minimo attraverso lo sviluppo di un al-loggiamento di sicurezza del laser su mi-sura. La zona di applicazione fissa del la-ser permette un design della stazione di applicazione molto contenuto, con dimen-sioni di 4.6 m x 1.1 mx 2.8 m (lunghezza x larghezza x altezza). I vettori possono cir-colare liberamente in entrata e uscita dal-le stazioni anche durante l’emissione del laser mentre la macchina opera in condi-zioni di sicurezza laser di classe 1.

RisultatiIl setup complessivo della macchina ha dimostrato di soddisfare la richiesta di un tempo di ciclo non superiore a 4 secondi. Per la valutazione del processo di deposi-zione sono stati prodotti due laminati di-mostrativi (fig. 5). Il primo è realizzato con un nastro CF-PP di spessore 0.17 mm. Il secondo laminato è fatto con un nastro PC-CF di spessore 0.17 mm. Entrambi i laminati consistono di 6 strati e sono stati prodotti con una velocità di deposizione di 500 mm/s. Il completo consolidamento in situ è stato validato per entrambi i laminati.Si sono osservate deviazioni laterali sulla deposizione di ±1.5 mm su una lunghez-za di deposizione di 340 mm. Ciò si tra-duce in una deviazione angolare di circa 0.5°. Deviazioni in lunghezza nella direzio-ne di deposizione ammontano a un mas-simo di 6 mm.Sono stati eseguiti studi preliminari per il pieno consolidamento con velocità di pro-cesso più alte. Si sono potuti consolidare completamente nastri in PP-CF con velo-cità di processo fino a 850 mm/s usando entrambi i sistemi laser investigati. I fatto-

ri di influenza e i limiti per il processo con diversi materiali sono attualmente ogget-to di uno studio più approfondito.Sono state preparate microsezioni di lami-nati ed è stato valutato visivamente il con-tenuto di vuoti (fig. 6), che si è riscontrato essere sufficientemente basso. Sono in corso lavori mirati a studi dettagliati sulle interdipendenze tra materiali, processi e proprietà dei prodotti.

CONCLUSIONIIl concept per la Ultra-fast Consolidator Machine (macchina per il consolidamen-to ultra-veloce) segue un approccio pro-duttivo di tipo piece-flow, che riduce si-gnificativamente le masse in movimento e quindi aumenta l’efficienza del sistema in termini di tempo di processo, riducen-do i passaggi improduttivi come il riposi-zionamento e traducendosi in brevi tem-

- Ultra-fast Consolidator Machine -

Fig. 4: Prototipo di macchina per il consolidamento ultra-veloce con una stazione di applicazione presso AZL

Fig. 5: I laminati dimostrativi prodotti con la precisione di deposizione raggiunta

Fig. 6: Contenuto di vuoti entro i laminati dimostrativi prodotti

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Ultra-fast Consolidator MachineLaser-assisted Tape Placement for individualized mass production of fibre-reinforced thermoplastic tailored blanks

able feed time of one carrier through one station. This currently amounts to 4 sec-onds or less. The production line and sta-tion configuration are adapted to the blank ply-book, so that each station places one complete layer of tapes.For reducing machine investment cost, e.g. when manufacturing lower-volume parts, a carrier feedback carousel can be integrated, transporting carriers back to the first station. Cycle time then scales with the number of carrier feed loops, but less stations are required for production.

Machine Concept and Station DesignThe presented production concept was validated by building up one applicator station, containing one applicator (fig. 4). Carrier movement speed and therefore placement speed is designed to be 1 m/s. Each individual station can be equipped with up to 28 applicators including laser sources in a dual-cascade of 14 applica-tors per row, producing laminates of 700 mm width with 25mm wide tapes.This production concept and machine prototype was awarded the internation-al JEC Innovation Award 2019 in Paris, March 2019. Machine footprint was kept to a minimum through development of a custom laser-safe housing. The static laser zone permits a narrow station de-sign with dimensions of 4.6 m x 1.1 m x 2.8 m (l x w x h). Carriers can circulate freely in and out of stations even during laser application while the machine op-erates in laser safety class 1.

ResultsThe overall machine setup was found to fulfil cycle time requirements of maxi-mum 4 seconds. For evaluation of the placement process, two demonstrator laminates were manufactured (fig. 5). The first one is made out of CF-PP tape with 0.17 mm thickness. The second laminate is made from PC-CF tape with 0.17 mm thickness. Both laminates consist of 6 lay-ers and were produced at a placement speed of 500 mm/s. Full in-situ consol-idation was validated for both laminates.Lateral placement deviations of ±1.5 mm at a placement length of 340 mm could be observed. This results in an angular deviation of about 0.5°. Length deviations in placement direction amount to a maxi-mum of 6 mm.First investigations regarding higher pro-cess speeds for full consolidation were applied. PP-CF tapes could be fully con-

he use of fibre-reinforced com-posite materials has proven to en-hance part stability and strength substantially, while simultaneously

reducing weight, material usage and ge-ometric complexity of produced parts. Fi-bre-reinforced thermoplastic materials of-fer further potential due to their excellent fatigue and fracture resistance, recyclabil-ity and their potential for fast process cy-cles [1, 2]. Thermoplastic tailored blanks have been adopted as a highly productive, low scrap rate mechanism for load-opti-mized part production, substantially re-ducing part cost [3, 4].AZL developed a highly productive and modularly scalable machine concept for thermoplastic tailored blank production. The production system concept inte-grates laser-assisted in-situ consolidation, reducing production process steps. Low cycle times allow for direct insertion of laminate production into injection mould-ing process chains, reducing part cost, thickness and material usage by e.g. elim-inating stiffening ribs in injection-mould-ed parts [2, 5].

RELATED WORKCurrent tape placement systems are dominated by manipulator-based ma-chines which use movable placement heads over a fixed placement surface. This surface can either be flat or curved, depending on the application [6]. Usual-ly, these systems employ gantries or mul-ti-axis robots. They possess high geomet-ric flexibility but are limited in through-put, due to sequential tape application and high shares of unproductive reposi-tioning time [7].Systems with higher throughput employ a moveable placement surface, usually in form of a rotary table with sometimes additional degrees of freedom. This one splits required movements onto multiple subsystems, accelerating the process.This technological evolution in productiv-ity and throughput can also be found in different, highly productive today’s indus-tries, such as the printing or the labelling industry. These industries have, as of to-day, achieved cycle times well under 1 second through the implementation of a piece-flow based production. This mini-mizes moving masses due to the inherent lightness of the produced parts.In-situ consolidation using high-intensi-ty heat sources such as infrared heaters or lasers reduces post-processing steps,

since no post-consolidation steps have to be effectuated. Further advantages in-clude the possibility for flexible and var-iable thickness variations in laminates and the energy-efficient heating, espe-cially when employing lasers [8-10]. Fig-ure 1 schematically shows the process of in-situ consolidated tape placement for realizing an exemplary, load-optimized laminate.

MACHINE PRINCIPLE AND COMPONENTSPiece-flow based Production SystemThe presented system builds on a piece-flow principle. A central conveying sys-tem transports low-mass and low-cost laminate carriers, feeding these through application stations where tape is laid down by one or multiple, fixed tape place-ment heads (applicators). Previously to tape application, laminates can be orient-ed in respect to fibre angle orientation.Figure 2 gives an overview of the piece-flow principle. Each station’s applica-tor configuration can be adapted to the placed ply-book. Applicator width is 50 mm and each applicator places 25 mm wide tapes. Therefore, a dual cascade configuration enables placement of com-plete, gapless tape layers.For heat generation, two narrow laser sources were tested and used success-fully: the high power direct diode laser LDMDirect2500 from Laserline GmbH, with an output power of 2.5 kW and a wavelength of 980 nm, and the Trumpf GmbH & Co. KG VCSEL PPM417 (for-merly Philips Photonics), a vertical cavi-ty surface emitting laser in the short in-frared wavelength spectrum at 980 nm, with an output power of 2 kW.Due to machine and station modularity, production can be scaled up as needed by adding further stations to the line. Op-tionally, a carrier feedback carousel can be integrated for returning carriers to the first station, enabling placement of multiple layers per station but increasing laminate cycle times. Figure 3 shows the modular applicator concept and scalable machine configuration.Laminate production cycle time in this modular, piece-flow manufacturing ap-proach is directly dependant on carrier transport speed, since one carrier is cy-cled through the application station at a time. Cycle time is minimized in an open production street scenario without feed-back carousel, being equal to the achiev-

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M. Emonts, K. Fischer, A. Peitz – Aachen Center for Integrative Lightweight Production (AZL) of RWTH Aachen University, Aachen, Germany

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solidated with process speeds up to 850 mm/s using both investigated laser sys-tems. The process influences and limits for various materials are currently being investigated in more detail.Micro sections of laminates were pre-pared, and void content was visually evalu-ated (fig. 6). Void content was found to be acceptably low. Current work is address-ing detailed studies on material, process and part property interdependencies.

CONCLUSIONThe Ultra-fast Consolidator Machine con-cept follows a piece-flow manufacturing approach, significantly reducing moving masses and hence increasing the system time efficiency by diminishing unproduc-tive process steps such as repositioning, resulting in low cycle times of 4 seconds or less. Fixed tape application heads place the tapes onto circulating low-mass and low-cost carriers, either in an open pro-duction street or in a closed process loop, depending on part numbers and required production flexibility. The machine is de-signed as a modular, configurable system, permitting easy scaling. Carrier conveying permits placement speeds of up to 1 m/s, representing the currently established technological window for in-situ consoli-dation speeds. Heating is achieved using two different, narrow laser sources of 2 kW and 2.5 kW power. Two demonstra-tor laminates made from PC/CF and PP/CF materials could be successfully pro-

Light and darkness are close together in the composites industry right now. This overall economic climate left its marks on COMPOSITES EUROPE, too – posi-tively and negatively. The trade fair suf-fered from lower demand from both ex-hibitors and visitors this year: 310 exhib-itors (prior year: 354) and 7,581 visitors (prior year: 8,148) from 64 countries, a decrease of seven per cent. Two indus-tries – both key buyers of glass-fibre re-inforced plastics (GFRP) – created most of the trade fair’s challenges: the auto-motive industry, which suffers massively from declining sales and fears trade bar-riers, and the plant and mechanical engi-neering sector, where the current econo-my has similarly depressed the numbers and the mood. Positive signals are com-ing from aerospace and increasing de-mand in the booming construction sec-tor. The same conclusion is reflected in the market report presented in Stuttgart by AVK – Federation of Reinforced Plas-tics e.V. After years of growth, the mar-

duced. In actual work, system upgrades and material testing will result in further machine optimizations.

REFERENCES[1] Ghori, S.W.; Siakeng, R.; Rasheed, M.; Saba, N.; Jawaid, M.: The role of advanced polymer materials in aerospace. In: Jawaid, M. (ed); Thariq, M. (ed). Sustainable Com-posites for Aerospace Applications. Duxford Woodhead: Elsevier Science, 2018, pp. 19-34[2] Brecher, C.; Kermer-Meyer, A.; Janssen, H.; Werner, D.; Emonts, M.: Economic production of load-optimized thermoplastic composites. In: JEC Composites Magazine. 50. Jg., 2013.[3] Pallett, R.J.; Lark, R.J.: The use of tailored blanks in the manufacture of construction com-ponents. In: Journal of Materials Processing Technology. 117. Jg., 2001, 1-2, pp. 249-254.[4] Janssen, H.; Peters, T.; Brecher, C.: Effi-cient production of tailored structural thermo-plastic composite parts by combining tape placement and 3d printing. In: Procedia CIRP. 66. Jg., 2017, pp. 91-95.[5] Brecher, C.; Schmitt, R.; Lindner, F.; Peters, T.; Emonts, M.; Böckmann, M. G.: Increasing cost and eco efficiency for selective tape place-ment and forming by adaptive process design. In: Procedia CIRP. 57. Jg., 2016, pp. 769-774.[6] Szcesny, M.; Heieck, F.; Carosella, S.; Mid-dendorf, P.; Sehrschön, H.; Schneiderbauer, M.: The advanced ply placement process – an innovative direct 3D placement technology for plies and tapes. In: Advanced Manufacturing: Polymer & Composites Science. 3. Jg., 2017, Nr. 1, pp. 2-9.[7] Brecher, C; Emonts, M.; Werner, D.: "Mul-ti-Material-Head". One tool for 3 technologies: Laser-assisted thermoplastic tape placement,

ket for glass-fibre reinforced plastics in Europe has stagnated in 2019. Total pro-duction volume in 2019 is on track to re-main flat compared to the prior year, at 1.141 million metric tonnes.Construction/infrastructure and the trans-port sector still are the two main appli-cation areas for GFRP. The current sales crisis in the automotive sector, which re-sponds more quickly than the construc-tion industry, shows up directly in the market developments expected by the GFRP industry. A special focus of this

COMPOSITES EUROPE generates momentumin a difficult market environment

thermoset prepreg placement and dry-fiber placement. In: Proceedings of the 20th ICCM Conference. Kopenhagen, Dänemark, 19-24.07.2015, 8 S.[8] Kukla, C.; Peters, T.; Janssen, H.; Brecher, C.: Joining of thermoplastic tapes with metal al-loys utilizing novel laser sources and enhanced process control in a tape placement process. In: Procedia CIRP. 66. Jg., 2017, pp. 85-90.[9] Weiler, T.; Striet, P.; Janssen, H.; Emonts, M.: Optical modelling of vcsel-assisted ther-moplastic tape placement. In: Proceedings of the 17th European Conference on Composite Materials. ECCM17 – 17th European Confer-ence on Composite Materials, 26-30th June 2016, Munich, Germany. Augsburg: MAI Car-bon Cluster Management GmbH, 2016.[10] Henne, F.; Ehard, S.; Kollmannsberger, A.; Hoeck, B.; Sause, M. G. R.; Obermeier, G.; Drechsler, K.: Thermoplastic in-situ fiber placement for future solid rocket motor cas-ings manufacturing. In: Sampe Setec, 2014.

All the mentioed figures refer to the Italian version

Fig. 1: Laser-assisted in-situ Consolidation for thermo-plastic TailoredBlank ProductionFig. 2: Piece-flow Manufacturing PrincipleFig. 3: Station and Applicator modularity, enabling throughput-adapted ScalingFig. 4: Ultra-Fast Consolidator Machine Prototype at AZL with one Applicator StationFig. 5: Produced Laminate Demonstrators with achieved Placement PrecisionFig. 6: Void Content inside produced Demonstrators

year’s COMPOSITES EUROPE was on the digital process chain. Joining forc-es in group exhibits in the “Process live” area, mechanical and plant engineering companies showed how their technolo-gies interact – and they did so while op-erations were ongoing in order to demon-strate the individual processes in a larger context. Three exhibitors had participat-ed in the debut of the area last year – this year there already were 16 companies.One of the overarching emerging themes that’s captured the attention of the en-tire composites industry and virtually all user industries is multi-material solutions. Once again this year, the Lightweight Technologies Forum at COMPOSITES EUROPE showed how lightweight mul-ti-material engineering can be implement-ed in an economic and resource-efficient way – in the automotive industry, aero-space and mechanical engineering.Organized by AVK on behalf of Compos-ites Germany, the International Compos-ites Conference (ICC) took place concur-rently with COMPOSITES EUROPE for the first time. Up next, the 15th COMPOSITES EUROPE will take place in Stuttgart from 10 to 12 November 2020.www.composites-europe.com

43Compositi

Saldatura a induzione ibrida di metalli e compositi polimerici termoplastici fibrorinforzati (TP-FRPC)

per tetti di automobili prodotte in serie (fig. 3). Il progetto è coordinato da IVW e consiste in un consorzio internazionale di 10 partner provenienti da industria e ri-cerca. Oltre alla saldatura a induzione, nel progetto viene validata come processo di giunzione per la produzione in serie anche la saldatura laser.Nell’area di contatto con il FRPC, nell’u-nità di produzione le lamine metalliche sono innanzitutto pre-strutturate da un laser con uno tracciato di linee paralle-le, che ha per risultato una sagoma com-baciante con il TP-FRPC dopo la giunzio-ne termica. Nella saldatura a induzione, il componente metallico è prima di tutto ri-scaldato dall’iniezione di energia indutti-va. Poi il componente polimerico termo-plastico del FRPC è sciolto a causa del ca-lore generato nell’area di contatto con il metallo e scorre nel pattern inciso dal la-ser. Dopo che la saldatura si è raffredda-ta, si realizza un incastro macroscopico tra i componenti soggetti ad accoppiamento. I valori di resistenza della giunzione otte-nibili sono confrontabili con quelli di ade-sivi consolidati.Un’altra variante del processo di giunzio-ne ibrida è la saldatura a induzione con-tinua. In questo processo, grazie a un

compositi polimerici fibrorinforzati (fibre-reinforced polymer composi-tes, FRPC) stanno diventando sem-pre più popolari in settori quali auto-

motive, aerospazio e sport. I FRPC sono attualmente usati principalmente come materiali sostitutivi. Ciò significa che ele-menti di un design già esistente, come il telaio di un’auto, sono parzialmente sosti-tuiti con FRPC. In questo modo è possi-bile minimizzare lo sforzo richiesto per le modifiche progettuali e tuttavia sfruttare i vantaggi specifici che sono caratteristi-ci dei materiali.La scelta di adeguati processi di saldatura è una sfida costruttiva per lo sviluppo di strutture ibride. Oltre all’incollaggio, che aggiunge un peso extra alla struttura, una scelta allo stato dell’arte è l’uso di proces-si di giunzione meccanica come rivettatu-ra o punzonatura. Tuttavia, quest’ultima tecnologia ha lo svantaggio che la strut-tura fibrosa del FRPC è danneggiata dai fori e quindi la capacità di sostenere i ca-richi da parte del FRPC è ridotta dall’effet-to di intaccamento dei fermagli.Grazie alla loro quasi illimitata capacità di rifusione e alla proprietà di saldabilità a essa associata, i FRPC termoplastici of-frono nuove possibilità per la produzione

e la progettazione di componenti. Un ap-proccio innovativo alla giunzione di mate-riali diversi è la saldatura a induzione di FRPC con metalli sviluppata all’Istituto di materiali compositi IVW GmbH. Al con-trario dei processi di giunzione tradizio-nali, la saldatura a induzione non richiede additivi o elementi di connessione. Nel caso di saldatura ibrida, è richiesto solo un pre-trattamento superficiale dei me-talli per mezzo di processi meccanici, fi-sici o chimici (fig. 1).La saldatura a induzione di strutture ibri-de è classificata in due varianti di proces-so. Da una parte, gli elementi struttura-li possono essere saldati tramite un pro-cesso di saldatura a pressione quasi sta-tico, ovvero una saldatura a induzione di-scontinua. In questo processo, compo-nenti piatti da unire sono saldati insieme in un solo stadio e perciò sono possibili tempi di processo brevi (fig. 2).Al momento attuale la saldatura a indu-zione quasi-statica sta facendo il gran-de salto verso applicazioni su scala in-dustriale adatte alla produzione in serie. Ciò risulta evidente nel progetto euro-peo “FlexHyJoin”, in cui viene sviluppata un’unità di produzione per saldare lamie-re metalliche con un rinforzo in TP-FRPC

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Stefan Weidmann – IVW

44 Compositi

Fig. 1: Micrografia della zona di connessione di una giuntura ibrida con una superficie metallica pre-trattata fisicamente (strutturazione laser) e scansione superficiale corrispondente

45Compositi

dispositivo di movimentazione, vengo-no create strutture complesse tramite il moto relativo tra i componenti e la testa di saldatura. Possono perciò essere re-alizzate saldature continue anche molto lunghe, con le quali, per esempio, un tet-to per auto in FRPC può essere saldato a un telaio per mezzo di una saldatura su tutto il bordo (fig. 2).Questo progetto ha ricevuti finanziamen-ti dal programma di ricerca e innovazio-ne dell’Unione Europea “Horizon 2020” (GA n° 677625).

Consorzio del progettoInstitut für Verbundwerkstoffe GmbH (coordinatore), GermaniaCentro Ricerche Fiat S.c.p.A., ItaliaEDAG Engineering GmbH, GermaniaFILL Gesellschaft m.b.H., AustriaFraunhofer ILT, GermaniaFundación Tecnalia Research & In-novation, SpagnaGubesch Thermoforming GmbH, GermaniaKGR S.p.A., ItaliaLeister Technologies AG, SvizzeraNew Infrared Technologies, S.L., Spagna.Fig. 2: Illustrazione schematica di saldatura a induzione discontinua e continua

Fig. 3: Unità di produzione FlexHyJoin per saldatura completamente automatizzata di metalli con TP-FRPC

Hybrid induction welding of metals with thermoplastic fibre reinforced polymer composites (TP-FRPC)

European Union’s research and innova-tion program “Horizon 2020” (GA no. 677625).

Project consortiumInstitut für Verbundwerkstoffe GmbH (project coordinator), GermanyCentro Ricerche Fiat S.c.p.A., ItalyEDAG Engineering GmbH, GermanyFILL Gesellschaft m.b.H., AustriaFraunhofer ILT, GermanyFundación Tecnalia Research & In-novation, SpainGubesch Thermoforming GmbH, GermanyKGR S.p.A., ItalyLeister Technologies AG, SwitzerlandNew Infrared Technologies, S.L., Spain.

All the mentioned figures refer to the Italian version

Fig. 1: Micrograph of the joining zone of a hybrid joint with a physically pre-treated metal surface (laser-struc-tured) and corresponding surface scanFig. 2: Schematic illustration of discontinuous and contin-uous induction joiningFig. 3: FlexHyJoin production cell for fully automatic joining of metals with TP-FRPCFig. 4: Original Fiat Panda roof cut-out with implement-ed hybrid roof stiffener

ibre reinforced polymer compos-ites (FRPC) are becoming more and more popular in the automo-tive, aerospace and sports indus-

tries. FRPC are currently used primarily as substitution materials. This means that elements of an existing design, such as a vehicle chassis, are partially replaced by FRPC. In this manner it is possible to min-imize the effort required for design modi-fications and still exploit the material-spe-cific advantages of the materials.The choice of suitable joining process-es is a constructive challenge for the de-velopment of hybrid structures. In ad-dition to adhesive bonding, which adds extra weight to the structure, it is state of the art to join hybrid structures using mechanical joining processes like rivet-ing or clinching. However, the latter tech-nology has the disadvantage that the fi-bre structure of the FRPC is damaged by holes and thus the load-bearing capacity of the FRPC is reduced by notch effect of the fasteners.Due to their almost unlimited remeltabil-ity and associated weldability, thermo-plastic FRPC provide new options for part production and design. An innovative ap-proach for joining different materials is the induction welding of FRPC with metals de-veloped at the Institute of composite ma-terials (IVW GmbH). In contrast to conven-tional joining processes, induction welding does not require any additives or connect-ing elements. In the case of hybrid weld-ing, only a surface pre-treatment of the metals by mechanical, physical or chemi-cal processes is required (fig. 1).Induction welding of hybrid structures is classified into two process variants. On the one hand, structural elements can be welded by a quasi-static pressure weld-ing process, the discontinuous induc-tion welding. In this process, flat adher-ends are welded together in one process step and thus short cycle times are pos-sible (fig. 2).Quasi-static induction welding is currently making the leap towards industrial-scale applications suitable for mass production. This is shown in the EU project “FlexHy-Join”, where a fully automated produc-tion cell for welding metal sheets with a TP-FRPC roof stiffener of a serial car is

developed (fig. 3). The project is coordi-nated by IVW and consists of an interna-tional consortium of 10 partners from in-dustry and research. In addition to induc-tion welding, laser welding is also validat-ed as a joining process for mass produc-tion in the project.At the area of contact with the FRPC, the metal sheets in the production cell are first pre-structured by a laser in par-allel line pattern, which results in a form fit with the TP-FRPC after thermal join-ing. In induction welding, the metal com-ponent is first heated by the inductive en-ergy input. Then the thermoplastic poly-mer component of the FRPC melts by the generated heat at the contact area to the metal and flows into the laser structuring. After the weld has cooled, a macroscopic interlocking (form fit) is created between the joining partners. The achievable bond strengths are comparable with those of established adhesives.Another process variant of hybrid joining is continuous induction welding. In this process, complex structures are creat-ed by a relative movement between the component and the induction welding head by a feed motion. Long, continuous welding seams can thus be produced, with which, for example, an FRPC car roof can be welded to the vehicle chassis by means of a circumferential seam (fig. 2).This project received funding from the

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Stefan Weidmann – IVW

46 Compositi

4th International Composites Raw Materials, Semi-Finished, Final Products and Technologies Exhibition

28. - 30. November 2019 Istanbul Expo Center

Collocate with

THIS FAIR IS ORGANIZED WITH THE PERMISSION OF TOBB (THE UNION OF CHAMBERS AND COMMODITY EXCHANGES OF TURKEY) IN ACCORDANCE WITH THE LAW NO.5174

eurasiancomposites.comSupporter: Organizer: Media Partner:

Fig. 4

4th International Composites Raw Materials, Semi-Finished, Final Products and Technologies Exhibition

28. - 30. November 2019 Istanbul Expo Center

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49Compositi

HUFSCHMIED ZERSPANUNGSSYSTEME

Process elimination “Reworking of composites” thanks to One-Shot Process

quality in detail. The described milling process can be viewed in the video of Biesse’s YouTube channel.By combining all the described processes, high-quality CF-FMC components can be produced cost-effectively in se-ries production without costly manual rework. By reducing the machining time by at least 50%, machine-utilisation can be increased enormously. From 3rd to 5th of October 2019, the doors of Biesse in Pesaro will unlock for an open-house and the opportunity to experience the unique milling pro-cess first-hand.

No more manual finishing of composites – this is achieved with an optimal combination of cutting tool, CNC milling machine and high-quality composite materials. A shining practical ex-ample is the cooperation between precision tool manufactur-er HUFSCHMIED, the machine manufacturer BIESSE and the material supplier MITSUBISHI CHEMICAL CARBON FIBER AND COMPOSITES.Hufschmied has been developing and manufacturing cutting tools for more than 25 years and is regarded as a leader in mill-ing of composites in Europe for the automotive industry.Thanks to their special cutting geometry, Hufschmied tools ensure that composites can be machined without delamina-tion, overhanging fibres and fibre-pull-outs. Roughing and finishing is done without tool change in one operation. The test was performed using MATERIA CL, a Biesse 5-axis CNC mill, which is very effective for machining structural compo-nents (fig. 1).The Biesse CNCs product portfolio meets the automotive in-dustry’s high requirements for high-precision 3D elements. At Biesse’s upcoming open-house event in October 2019, a prac-tical example will be shown where an automotive component will be machined which places high demands on the mechan-ical properties and tight geometric tolerances. Ideally suited is the CF-FMC (Carbon Fibre Forged Molding Compound) in-termediate material from Mitsubishi. Munich-based compa-ny BLACKWAVE provides these components (fig. 2) with its advanced molding process for the tailgate assembly, which is supplied by Porsche Tier1 supplier c2i s.r.o.These frames form part of a German high-end sportscar. The ge-ometrical design possibilities of CF-FMC are many times great-er than conventional composite manufacturing due to its opti-mised manufacturing process, where 25 mm long fibres are im-pregnated with a quick cure resin system. Fibres are specifical-ly positioned and achieve positive material properties. Milling is the last step in the process chain. The jig is made using RAKU® TOOL WB-1258 board material from RAMPF, Germany (fig. 3). All machining operations are carried out with a single tool – the 066SMC from Hufschmied (fig. 4).The 066SMC can also dip in the z direction and make holes in finished quality by circular milling. Figure 5 shows the finished

Fig. 1: Materia CL from BIESSE

Fig. 2: Finished CF-FMC parts (frames)

Fig. 3: Milling process

Fig. 5: Surface quality after milling in One-Shot Process

Fig. 4: 066SMC End Mill from HUFSCHMIED

Il processo “DED”, verso l’auto volante

be a una maggior domanda sul mercato.Di seguito vengono descritti un nuovo processo DED applicato all’AM e alle ter-moplastiche, e i recenti lavori di prova e validazione atti a confrontarlo con l’AM applicata a materiali metallici e con altri processi. Vengono fatti confronti specifici con il processo in autoclave, oneroso sia per tempo che costi richiesti, e presenta-te proprietà come resistenza e moduli a tensione e compressione, resistenza alla frattura e compressione dopo un impatto.Il progresso ottenuto in questo campo sarà di aiuto nel fare dei veicoli volanti e di altri miglioramenti nelle strutture auto-motive una realtà.I risultati dei test a trazione e compressio-ne di campioni unidirezionali (UD) e qua-si-isotropi (QI) sono riassunti in tabella 1. Essi sono comparati alle migliori pre-stazioni standard di componenti in CF/PEEK realizzati in autoclave, con lo stes-so contenuto in fibra, mostrate in figura 1. Si vede che i moduli sia del campione UD 90° e di quello QI sono confrontabi-li con quelli dei campioni da autoclave, e che le resistenze sono uguali o mag-giori del 70% rispetto alle parti realizza-te in autoclave, risultato davvero difficile da raggiungere con qualsiasi altro tipo di consolidamento in-situ o processo fuori autoclave per materiali compositi termo-plastici. Gli sforzi di rottura a trazione per i laminati UD e QI sono rispettivamente 1.22 ± 0.06 % e 1.18 ± 0.09%. Entram-bi sono molto superiori rispetto a un ma-

produttori di automobili utilizzano una varietà di materiali per creare i loro nuovi modelli – ferro, alluminio, accia-io, vetro, gomma, ecc. – e questi ma-

teriali sono stati migliorati in maniera rile-vante, specialmente negli ultimi 20 o 30 anni, al fine di incrementare le prestazio-ni, l’efficienza dei consumi e la sicurezza. Nel contesto di questa tendenza, i mate-riali compositi ad alta resistenza si stanno aggiungendo oggi a questi “ingredienti” tradizionali, così come nuove tecnologie produttive, come la manifattura additiva (AM, additive manufacturing) o “stampa 3D”. I materiali compositi e l’AM sono gli sviluppi più recenti nella continua ricerca volta a ridurre il peso del veicolo, aumen-tare la durevolezza e l’integrità strutturale e migliorare l’efficienza del carburante. In sostanza, il processo di “alleggerimento” sta portando i materiali innovativi a quella che è l’avanguardia del design.L’uso di nuovi materiali per il miglioramen-to strutturale va a braccetto con nuove tecnologie di propulsione, per esempio l’elettrico, l’ibrido e persino l’idrogeno. E l’idea che più recentemente ha catturato l’immaginazione dell’industria automobili-stica è quella dell’auto volante. Infatti, flot-te di “taxi volanti” o aeroveicoli passeg-geri elettrici a decollo e atterraggio verti-cale (eVTOL, electrical take-off and lan-ding) sono viste da alcuni come una so-luzione sempre più praticabile per una se-rie di problemi di mobilità urbana o ingor-ghi stradali e sono più vicine alla realtà di quanto si possa pensare, tanto che azien-de leader come Airbus, Bell, Boeing e Ho-neywell stanno intensificando l’impegno

nelle attività di sviluppo e presentando concept design di nuovi veicoli (nota 1).Non è una sorpresa che ben note aziende del settore aerospaziale siano coinvolte in questa sfida, e l’uso di materiali compositi e dell’AM è cresciuto stabilmente in que-sto settore nel corso degli ultimi 10 anni. Tuttavia, le auto volanti sarebbero prodot-te in quantità molto maggiori che non gli aerei e l’attuale tecnologia produttiva ae-ronautica non sarebbe adeguatamente riscalabile. Perciò avrebbe senso usare solo materiali termoplastici (e, a confron-to dei termoindurenti, i primi sono meno fragili, sono riciclabili e più rapidamente trasformabili). Inoltre, l’uso di termopla-stici e l’emergere del processo di stam-pa 3D detto “Direct Energy Deposition” (DED) porterebbe all’idea di “auto come soggiorno”, sulla base della possibilità di personalizzare gli interni secondo desideri e gusti dell’individuo. Questa idea è già at-tualmente dimostrata nella produzione in stampa 3D di telai di biciclette allestiti su misura, basati su dati individuali del clien-te come altezza, peso, stile di guida, ecc. Questo tipo di personalizzazione portereb-

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Natalie Rudolph – AREVO

50 Compositi

Tab. 1: Risultati delle prove a trazione e compressione

Fig. 1: Confronto delle proprietà a trazione e compressione di compositi carbonio/PEEK ottenuti con processo DED in AREVO e in autoclave, con contenuto in fibra del 50%

51Compositi

ta, l’energia totale assorbita e la resisten-za CAI sono elencate in tabella 3. La resi-stenza CAI si riduce al 45% della resisten-za massima del materiale non impattato, che è confrontabile con quella di compo-siti AS4/APC2 stampati a caldo. È stato mostrato che anche dopo impatti ad alta energia (36 J), la resistenza a compressio-ne residua è ancora maggiore di quella di molti materiali polimerici realizzati trami-te stampaggio a iniezione. A confronto di componenti da stampa 3D con solo poli-mero o polimero fibrorinforzato, i compo-siti rinforzati con fibra di carbonio continua prodotti col processo DED hanno un’alta resistenza all’impatto e grande tolleranza al danneggiamento.

CONCLUSIONII dati presentati mostrano che il proces-so DED permette di ottenere componenti confrontabili a compositi ad alte prestazio-ni realizzati in autoclave o in altri processi ad alta qualità, piuttosto che ad altre tec-nologie di AM. Tuttavia, il processo per-mette allo stesso tempo caratteristiche complesse che non sono possibili nei tra-dizionali processi di produzione con com-positi. I dati sono stati utilizzati per pro-gettare la prima bicicletta al mondo rea-lizzata in fibra di carbonio stampata 3D e il processo DED è utilizzato per costruire queste biciclette. Altre applicazioni per il settore trasporti sono all’orizzonte, e que-sta potrebbe proprio essere una tecnolo-gia chiave per produrre veicoli eVOTL su larga scala in un futuro non così lontano.

Nota 1: https://cleantechnica.com/2019/ 02/09/evtol-aircraft-are-getting-closer-to-flying-near-you-than-you-can-imagine/

tamento non lineare durante il ciclo di ca-rico e scarico del test ENF mostra il be-neficio della resina PEEK duttile. A con-fronto coi materiali compositi termoindu-renti, la resistenza a frattura del composi-to CF/PEEK AREVO è significativamen-te maggiore.

RESISTENZA ALL’IMPATTO E ALLA COMPRESSIONE DOPO L’IMPATTOIl comportamento all’impatto è molto im-portante per la progettazione di compo-nenti strutturali, specialmente nel settore trasporti. Un test ampiamente usato nel settore aerospaziale è quello della com-pressione dopo l’impatto (CAI, compres-sion after impact). In questa prova il cam-pione è soggetto a un impatto e succes-sivamente si misura la resistenza a com-pressione residua. Prima e dopo i test di

caduta di un peso sul campione, i provini QI sono stati sottoposti a scansione ultrasonica, come mostrato in figu-ra 2. Si vede che la de-laminazione ha avuto luogo a partire dal cen-tro del campione, dove il proiettile è venuto in contatto col provino, e le fratture si sono pro-pagate in tutte e quat-tro le direzioni a forma-re una struttura radia-le di danneggiamento, che è tipica per i ma-teriali compositi QI. La profondità di indenta-zione, l’area danneggia-

teriale composito termoindurente con fi-bra di carbonio ad alte prestazioni.Le alte prestazioni di materiale e proces-so permettono la produzione di un’ampia gamma di applicazioni ingegneristiche strutturali, che altri processi di manifat-tura additiva basati su materiali polimeri-ci raramente consentono.La resistenza alla frattura interlaminare è una misura che offre una valutazione della qualità dell’incollaggio tra le lami-ne. I risultati dei test di tipo Double Can-tilever Beam (DCB) e End Notch Fractu-re (ENF) sono riassunti nei risultati GIc e GIIc in tabella 3 e confrontati con dati di letteratura su altri materiali compositi. Ap-pare chiaro che la resistenza a frattura del materiale AREVO è molto vicina a quella di compositi CF/PEEK ottenuti con pro-cessi tradizionali come autoclave, stam-paggio a compressione, ecc. Il compor-

Tab. 2: Resistenza alla frattura del CF/PEEK 50% vol. AREVO e di altri materiali compositi Tab. 3: Risultati delle prove di impatto e CAI su campioni QI in CF/PEEK 50% vol. AREVO

Fig. 2: Immagini da C-scan ultrasonico di campioni QI prima (a) e dopo (b) l’impatto

The “DED” Process, towards the Flying Carsidual compressive strength is measured. Before and after the falling weight impact tests, the QI coupons were ultrasonically C-scanned as shown in figure 2. It is seen that delamination occurred from the cou-pon centre where the projectile was in contact with the coupon, and cracks prop-agated in all four directions to form the radial damage shape, which is typical for QI composite materials. The dent depth, damage area, the total energy absorbed and the CAI strength are listed in table 3. The CAI strength reduced to 45% of the ultimate strength of the material without impact, which is comparable to that of hot pressed AS4/APC2 composites. All fail-ures were acceptable failure modes listed in ASTM D7137. It was shown that even when impacted with the high energy of 36 J, the compressive residual strength is still higher than those from many injec-tion moulded filled and unfilled polymer materials. Compared to 3D printed parts from neat polymer and short fibre rein-forced polymer, the continuous carbon fibre reinforced composites produced in DED process is highly impact resistant and damage tolerant.

CONCLUSIONSThe presented data shows that the DED process results in parts comparable to high performance composites manufac-tured in an autoclave or similar high-qual-ity processes rather than other AM tech-nologies. However, at the same time, the process enables complex features not possible in conventional composite manufacturing processes. The data was used to design the world first 3D printed carbon fibre bike and the DED process is used to produce these bikes. Other trans-portation applications are on the horizon and it might just be a key technology to produce eVOTLs in high volume in the not so distant future.

Nota 1: https://cleantechnica.com/2019/ 02/09/evtol-aircraft-are-getting-closer-to-flying-near-you-than-you-can-imagine/

All the mentioned figures refer to the Italian version

Tab. 1: Results from the tensile and compressive testsFig. 1: Comparison of the tensile and compressive prop-erties of carbon/PEEK composites from AREVO DED pro-cess and autoclave with fiber content of 50%Tab. 2: Fracture toughness of AREVO CF/PEEK 50 vol.% and other composite materialsFig. 2: C-scan images of the QI coupons (a) before and (b) after the impactTab. 3: Impact and CAI test results of AREVO CF/PEEK 50 vol.% QI coupons

utomobile manufacturers use many materials to create their latest models – iron, aluminum, steel, glass, rubber, etc. – and

these materials have improved signifi-cantly, especially over the last 20 to 30 years, in order to increase performance, fuel efficiency and safety. As part of this trend, high-strength composite materials are now joining these traditional “ingre-dients,” along with new manufacturing technologies, such as additive manufac-turing (AM), or “3D printing.” Composite materials and AM are the latest develop-ments in the ongoing quest to decrease vehicle weight, increase structural dura-bility and integrity and improve fuel effi-ciency. Essentially, the “light weighting” process is bringing innovative materials to the forefront of design.Using new materials for structural im-provements goes hand in hand with new propulsion techniques, e.g., electric, hy-brid and even hydrogen. And the latest concept to capture the imagination of the auto industry is that of the flying car. In-deed, fleets of “flying taxis,” or electric vertical take-off and landing (eVTOL) pas-senger air vehicles, are seen by some as an increasingly viable solution to a host of urban mobility or traffic congestion issues and are closer to reality than one might think, with leading companies such as Air-bus, Bell, Boeing and Honeywell ramping up development efforts and introducing concept vehicles (nota 1).It is no surprise the well-known aero-space companies are involved in this ef-fort and the use of composite materi-als and AM has been growing steadily in that industry over the last 10 years. How-ever, flying cars would be manufactured in much higher volumes than airplanes and the current manufacturing technolo-gy for airplanes will not scale adequately. Therefore, using only thermoplastic mate-rials would make sense (and, compared to thermosets, they are less brittle, recy-clable and can be processed faster). Fur-ther, using thermoplastics and the emer-gence of the “DED” 3D-printing process, described below, would lead to the con-cept of “cars as living rooms,” based on the ability to customize interiors accord-ing to an individual’s desires and tastes. This concept is already being demonstrat-ed today in the manufacture of “custom fitted” 3D-printed bike frames, based on an individual’s height, weight, riding style, etc. This type of customization would lead to higher demand.The following describes a new DED pro-cess as applied to AM and thermoplas-tics and recent testing and validation ef-forts comparing it to AM using metals

and other processes. Specific compar-isons are made to the time-consuming and capital-intensive autoclave method and properties such as tensile and com-pression strength and moduli, fracture toughness and compression after impact will be presented.The progress made in this area will help make flying vehicles and other vehicular structure improvements a reality. The results of the tensile and compression tests of UD and QI coupons are sum-marized in table 1. They are compared with the gold standard performance of CF/PEEK parts produced in an autoclave with the same fibre content, shown in figure 1. It is seen that the modulus of both the UD 0⁰ and QI are comparable to those from autoclave parts, and the strength are equal or higher than 70% of the strength of autoclave parts, which is really difficult to achieve with other in-situ consolidation or out-of-autoclave (OOA) processes for thermoplastic com-posite materials. Tensile failure strain for the UD and QI laminate are 1.22 ± 0.06 % and 1.18 ± 0.09%, respectively. Both are much higher than a typical high-per-formance carbon fibre thermosetting composite material.The high performance of the material and process allows the manufacturing of a wide range of engineering structural ap-plications, which other additive manufac-turing processes using polymeric materi-als can rarely do.Interlaminar fracture toughness is a met-ric to assess the bonding quality within and between layers or plies. The results of Double Cantilever Beam (DCB) and End Notch Fracture (ENF) tests are sum-marized in the GIc and GIIc results in ta-ble 3 and compared with other composite material data from literature. It becomes clear that the fracture toughness of ARE-VO material is very close to the CF/PEEK composites produced with traditional pro-cesses such as autoclave, compression moulding, etc. The non-linear behaviour during the load and unload cycle in the ENF test show the benefit of the ductile PEEK resin. Compared to thermosetting composite materials, the fracture tough-ness of AREVO CF/PEEK composite is significantly higher.

IMPACT RESISTANCE AND COMPRESSION STRENGTH AFTER IMPACTImpact behaviour is very important for the design of structural parts, especial-ly in transportation. A widely used test in the aerospace industry is the compres-sion after impact (CAI) test. Here a sam-ple is subjected to an impact and the re-

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Natalie Rudolph – AREVO

52 Compositi

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Il ruolo della simulazione agli elementi finiti nella progettazione in compositoCase study: Dallara Stradale

allara Stradale è la prima vettura omologata per uso stradale com-mercializzata con il nome Dalla-ra e rappresenta una sintesi delle

principali competenze aziendali, maturate in anni di progettazione di vetture da com-petizione e di attività di consulenza per al-cune tra le più importanti case automobi-listiche, sia in ambito stradale che racing.

AERODINAMICACon questa vettura si è cercato di creare una macchina con differenti livelli di aero-dinamica: una configurazione è pensata principalmente per l’uso normale su stra-da, nonostante abbia carichi verticali co-munque importanti, mentre una seconda è maggiormente orientata per l’uso in pi-sta, con carichi aerodinamici e performan-ce vicine a quelle di una vera macchina da corsa. Nello studio dello stile che defini-sce le forme della macchina le necessi-tà dell’estetica sono state combinate con quelle dell’aerodinamica. Lo studio dell’a-erodinamica della vettura, così come quel-lo di diversi altri aspetti, si è ampiamente avvalso della simulazione.

DINAMICA DEL VEICOLOBuona parte della progettazione di questa vettura è iniziato al simulatore. All’atto prati-co infatti le sospensioni, ma anche le gom-me, sono state provate e modificate prima che il veicolo fosse costruito, così come le molle e gli ammortizzatori. Attraverso la si-mulazione si è quindi limitata la necessità di iterazioni tra sperimentazione e proget-tazione nelle fasi successive del proget-to. È stata una grande esperienza che ha confermato le potenzialità del simulatore come strumento di sviluppo, per adattare la macchina alle necessità della strada. An-che per la definizione della geometria del-le sospensioni, così come per le rigidez-ze e gli smorzamenti, i progettisti Dallara si sono appoggiati all’esperienza acquisita sulle piste di tutto il mondo. Siccome uno degli obiettivi di progetto era realizzare una vettura che potesse anche essere guida-ta per il gusto di guidare non solo in pista, si è cercato il miglior compromesso tra le necessità di comfort e le performance.

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no più conveniente l’utilizzo per la produ-zione su larga scala.Dallara, che da sempre ha sposato l’utiliz-zo di questa tipologia di materiali, sull’on-da di questa richiesta del mercato ha de-ciso di investire ulteriormente sulla cresci-ta delle competenze interne, inaugurando nel 2016 il nuovo centro di ricerca sui ma-teriali compositi DARC (Dallara Advanced Research centre for Composites).

DALLARA STRADALE E SIMULAZIONE AGLI ELEMENTI FINITILe attività di simulazione nei diversi ambi-ti hanno ricoperto un ruolo fondamentale: dalla CFD al simulatore di guida, passan-do per la simulazione agli elementi finiti.In particolare, quest’ultima ha accompa-gnato la progettazione e l’ottimizzazione dei componenti strutturali in tutte le fasi del progetto, svolgendo una funzione vi-tale soprattutto laddove è stato richiesto l’utilizzo dei materiali compositi, che dal punto di vista progettuale rappresenta-no una sfida ed una complicazione altri-menti difficilmente superabili. Da questo punto di vista le competenze accumula-te dall’azienda negli anni di attività in am-bito racing sono state fondamentali sia per il raggiungimento dell’obiettivo finale che nel contenimento dei costi legati alla progettazione.Come è prassi nella progettazione di un veicolo, il primo utilizzo di questo stru-mento si è reso necessario durante la va-lutazione di differenti soluzioni a livello di concept. Un esempio è stata la definizio-ne della forma e degli ingombri della pa-rete laterale in funzione delle prestazioni a crash frontale: in una fase in cui la strut-tura della vettura era ancora embrionale è stata scelta la forma del profilo della pa-rete e si è valutata l’influenza di un even-tuale core. Anticipando queste scelte si sono risparmiate successivamente diver-se iterazioni in una fase in cui la modifi-ca di un modello estremamente più com-plesso avrebbe avuto un forte impatto in termini di tempo.Durante le varie fasi evolutive del proget-to la simulazione attraverso il metodo agli elementi finiti ha poi rappresentato uno strumento indispensabile per il monito-raggio di alcuni parametri legati alle pre-stazioni della vettura, come ad esempio la rigidezza torsionale della scocca o la rigi-dezza dei punti di fissaggio della sospen-sione, al fine di assicurarsi che il compo-nente fosse ottimizzato per rispettare gli standard di progetto (peso, costo, perfor-mance, ecc.).Una delle attività più corpose che ha coin-volto l’utilizzo dell’analisi agli elementi fi-niti è stata la verifica ed ottimizzazione di tutti i componenti che svolgono funzione strutturale. In fase di progettazione i vari sotto-assiemi che costituiscono il veico-lo sono stati modellati in modo da repli-

PROGETTAZIONE CON I MATERIALI COMPOSITIIn un’era in cui nel settore automobilistico (sia racing che stradale) la ricerca dell’ef-ficienza viene perseguita in modo sem-pre più maniacale e sotto ogni punto di vi-sta, l’idea dietro questa vettura era quel-la di presentare un veicolo al di sotto dei 900 kg di peso complessivo: per farlo è stato necessario scegliere un motore leg-gero, riducendo di conseguenza l’impat-to di trasmissione, ruote e cerchi. Que-sta scelta è sembrata la migliore per po-ter coniugare performance elevate con agilità e piacere di guida, nell’accezio-ne, come spesso ama dire l’Ing. Dalla-ra, che può avere il piacere di un giro in moto al sabato mattina sulle strade de-gli Appennini. Per queste stesse ragioni, si è scelto di fare un largo uso di mate-riali compositi: ormai da 30 anni nell’am-bito della progettazione delle automobi-li da competizione i vantaggi in termini di

rapporto tra rigidezza e peso, resistenza e peso, nonché l’ottimo comportamen-to in termini di assorbimento energeti-co, ne hanno reso indispensabile l’utiliz-zo nonostante una tecnologia ancora in pieno sviluppo, i costi elevati sia del ma-teriale stesso che del processo di manu-facturing, oltre a una complessità di pro-gettazione superiore rispetto a materiali da costruzione tradizionali, come acciaio e alluminio. Inizialmente l’utilizzo dei com-positi nel mondo delle auto stradali e del-la produzione in grande scala si è affer-mato per gli stessi motivi che ne hanno consentito la diffusione in ambito racing, nella nicchia delle supercar di lusso. Negli ultimi anni, anche sotto la spinta di rego-lamenti relativi alla riduzione delle emis-sioni, i compositi si sono sempre più dif-fusi con la finalità di alleggerire i veicoli e si investe sempre di più nello sviluppo di tecnologie (come ad esempio compres-sion moulding, RTM, ecc.) che ne rendo-

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zioni della validazione sperimentale, che nel caso del crash full scale risulta molto onerosa in termini di tempi e costi, ma si è anche ottenuta un’ottima correlazione tra risultato della simulazione e prova re-ale, confermando la bontà della metodo-logia di analisi; questo aspetto è molto importante in quanto la simulazione con materiali compositi è molto più comples-sa rispetto a quella adottata per strutture metalliche, a causa del comportamento ortotropo del materiale e delle numerose e differenti modalità di rottura. La simu-lazione agli elementi finiti ha inoltre per-messo di studiare più casistiche rispetto a quelle strettamente richieste dall’omo-logazione, aumentando la sicurezza fina-le del prodotto.Un altro dei temi affrontati durante la pro-gettazione della Dallara Stradale è sta-ta la produzione con tecnologie alternati-ve alla laminazione manuale con cura in autoclave dei componenti in composito. Ad esempio, alcuni componenti sono sta-ti studiati per essere realizzati attraverso la tecnologia del compression moulding. La simulazione in questo caso ha consen-tito di supportare anche lo sviluppo del processo produttivo, non limitandosi al dimensionamento del componente, ma definendo forme degli stampi e modalità di posizionamento delle pelli sullo stesso, al fine di ridurre la distorsione delle fibre e gli accumuli di resina.La simulazione di questa ampia gamma di casistiche ha richiesto di mettere in cam-po tutte le conoscenze dell’azienda sul-la modellazione, sul comportamento dei materiali e sulle tecnologie: sono stati in-fatti realizzati modelli di veicolo comple-to full-scale per analisi esplicite di crash test, modelli di sotto-assiemi per analisi implicite non-lineari, nvh, fino ai modelli lineari dei singoli componenti.

CONCLUSIONILa simulazione è stata fondamentale nel-lo sviluppo di Dallara Stradale ed in parti-colare ha permesso di:• raggiungere con successo tutti i tar-

get di sicurezza e performance (peso e rigidezze) dei componenti richiesti dal progetto

• ridurre i tempi di progettazione, indiriz-zando le scelte chiave quando il proget-to era ancora in fase di concept

• capitalizzare i vantaggi legati all’utiliz-zo dei materiali compositi, attraverso una rappresentazione completa e so-fisticata delle proprietà dei materiali e la creazione di modelli rappresentati-vi della complessità di tutti i fenome-ni in gioco

• superare con successo senza la neces-sità di successive iterazioni tutti i test omologativi

• supportare la progettazione del proces-so produttivo, minimizzandone i proble-mi e gli scarti.

della sicurezza, sono state svolte due ti-pologie di attività: la prima, richiesta dal-la procedura di omologazione, ha previ-sto la simulazione del crash test di veico-lo completo, da validare con prova speri-mentale; la seconda invece è stata svol-ta come verifica interna, in cui sono sta-ti realizzati sotto-modelli di strutture poi testate sperimentalmente. In entrambi i casi, non solo attraverso la simulazione si è evitata la necessità di svolgere più itera-

carne fedelmente il comportamento e ve-rificati mediante l’applicazione dei carichi di esercizio. Una parte rilevante di queste verifiche ha inoltre richiesto iterazioni con il reparto CFD per la valutazione degli ef-fetti reciproci di carichi aerodinamici e ela-sticità, ottimizzando così il comportamen-to del componente sia dal punto di vista strutturale che aerodinamico.Per quanto riguarda la progettazione del-le strutture direttamente legate al tema

The role of finite element analysis in composite designCase study: Dallara Stradale

DALLARA STRADALE AND FINITE ELEMENT ANALYSISSimulations played a key role in several as-pects: From CFD to the driving simulator through finite element analysis.More specifically, the latter followed the design and optimization of structural com-ponents along all stages of the project, in particular playing a vital role where com-posite materials were required, which rep-resents a challenge and a complication otherwise difficult to overcome in terms of design. In this respect the expertise ac-cumulated by the company in the years of activity in the racing industry was es-sential both to achieve the final goal and to keep design costs down.As customary in the design of a vehicle, the first use of this tool became neces-sary during the evaluation of different con-cept solutions. An example is the defini-tion of shape and dimensions of the side wall as a function of the frontal crash per-formance: In a stage where the car struc-ture was still at an embryonic stage, a choice was made about the shape of the part profile and the influence of a possible core was evaluated. By advancing these choices the designers could avoid sever-al successive iterations at a stage where modifications of a much more complex model would have had a dramatic impact in terms of time.During the several steps of the project’s evolution, simulations exploiting the fi-nite element method were an indispen-sable tool to monitor specific parameters related to the car performance, such as the torsional rigidity of the chassis or the stiffness of the suspension’s anchoring points, in order to guarantee the com-ponent’s optimization in terms of com-pliance to the project standards (weight, cost, performance, etc.).

allara Stradale is the first car with a homologation for road use to be marketed by Dallara and rep-resents a synthesis of the com-

pany’s expertise, built up along many years of design of racing cars and con-sulting activities for the leading automo-tive companies both in the road and rac-ing car industries.

AERODYNAMICSThe design aim for this car was the crea-tion of a vehicle with a range of levels in terms of aerodynamics: A configuration is meant essentially for the use on the road, although its vertical loads achieve remarkable values, while a second config-uration is more oriented towards the use on a racetrack, with aerodynamic loads and performances getting close to those of a real racing car. During the formula-tion of the style defining the shape of the car, the aesthetic needs have been com-bined with the aerodynamic ones. The study of the car aerodynamics, as well as several other aspects, relied heavily on simulations.

VEHICLE DYNAMICSA large part of the car design started in the simulator. Indeed in practice, suspen-sions as well as tyres have been tested and modified before the vehicle was man-ufactured, and springs and dampers fol-lowed the same route. By means of sim-ulations the need for iterated looping of experimentation and design steps in the following stages could be reduced. It has been a great experience, which has con-firmed the potential of the simulator as a development tool suitable to tune the car to the needs of the road. Dallara design-ers could rely on the experience acquired on racetracks worldwide during the defi-nition of suspension kinematics, springs and dampers, too. Since one of the pro-ject aims was creating a car that could be driven for the sake of driving on the road and not only on the racetrack, the best compromise was sought between com-fort and performance.

DESIGNING WITH COMPOSITE MATERIALSIn an age where the automotive industry (both in the racing and road sectors) franti-cally aims for the efficiency in all aspects, the concept behind this car was releas-

ing a vehicle with an overall weight below 900 kg: In order to do so, the choice of a light engine – with the consequent reduc-tion of the impact of powertrain, wheels and rims – was a must. This seemed the best choice to combine high performance with driving ease and pleasure, meant as the pleasure one can get from a Saturday morning motorbike ride on the Appennini mountains, as Engineer Dallara loves to say. The same reasons are behind the am-ple choice of composite materials: The advantages in terms of rigidity-to-weight and strength-to-weight ratio, as well as the excellent behaviour in terms of energy absorption, have made their use essential for 30 years now, even if their technology is still evolving, the material and the man-ufacturing process are expensive, and the design complexity is higher than that of conventional materials such as steel and aluminium. The initial success of compos-ites in the industry of road vehicles and mass production was due to the same reasons that ensured their propagation within the racing sector, as a niche of luxury supercars. In recent years, partly due to the pressure of the rules concern-ing the reduction of emissions, compos-ites have been spreading with the aim of weight reduction and there have been ever growing investments in the devel-opment of technologies (such as com-pression moulding, RTM, etc.) making their adoption more economically viable in large-scale production.Spurred by this urge of the market Dal-lara, who has always embraced the use of this class of materials, has decided to invest further in the growth of internal ex-pertise in this field, opening in 2016 the new research center for composite ma-terials DARC (Dallara Advanced Research centre for Composites).

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tire know-how of the company concern-ing modelling, material behaviour and technologies: Indeed an array of models was built such as full-scale, full-vehicle models for explicit crash test analyses, models of sub-systems for non-linear im-plicit analyses, nvh models, down to line-ar models of single components.

CONCLUSIONSSimulation was of primary importance in the development of Dallara Stradale and specifically allowed Dallata to:• successfully achieve all safety and per-

formance targets (weight and rigidities) of components required by the project;

• reduce design times, guiding key choic-es when the project was still in a con-ceptual stage

• capitalize on the advantages of the use of composite materials, by means of a complete and sophisticated modelling of material properties and the creation of models accounting for the complex-ity of all phenomena involved

• successfully pass all homologation tests without the request for succes-sive iterations

• support the design of the manufac-turing process, minimizing issues and waste.

One the most labour-intensive tasks in-volving the use of the finite element anal-ysis was the verification and optimization of all components performing a structural function. During the design stage the dif-ferent sub-systems making up the vehi-cle were modelled in such a way to faith-fully reproduce their behaviour and were tested by applying their working loads. A significant portion of such tests also required iterations with the CFD to eval-uate the mutual effects of aerodynam-ic loads and elasticity, in order to opti-mize the component’s behaviour both from a structural and an aerodynamic standpoint.Concerning the design of structures di-rectly related to the topic of safety, two classes of activities were performed: The first, required by the homologation procedure, consisted in the crash test simulation of the full vehicle, to be vali-dated in an experimental test; The sec-ond was performed as an internal check, where sub-models of structures were manufactured and then subjected to ex-perimental test. In both cases, simulation not only eliminated the need for multiple iterations in the experimental validation, which is very time and cost consuming in the case of the full-scale crash test,

but also yielded an excellent correlation between the simulation and real-test re-sults, confirming the validity of the anal-ysis method; this aspect is very impor-tant since the simulation with compos-ite materials is much more complex than that adopted for metal structures, due to the orthotropic behaviour of the materi-al and to the large number and variety of failure modes. Finite element simulation also allowed the study of a larger num-ber of case studies than those required for homologation, increasing the safety of the final product.Another issue faced during the design of Dallara Stradale was the production with alternative technologies beyond manual lamination with autoclave curing of com-posite components. For instance, some components were studied in view of a production by means of compression moulding technology. In this case, simu-lations also guaranteed a support to the development of the manufacturing pro-cess, not only in terms of component di-mensioning, but even in the definition of mould shapes and positioning of skins in the mould, in order to reduce fiber distor-tion and resin deposits.The simulation of this vast array of case studies required the application of the en-

UBM Evoluta: il progetto 2019 UniBo MotorsportRiccardo Ferrari – UniBo Motorsport, University of Bologna Racing Team

Riccardo Ferrari – UniBo Motorsport, University of Bologna Racing Team

quest’ultima competizione. La partecipa-zione ai vari eventi di oltre 120 team pro-venienti da ogni continente denota l’im-portanza di queste gare, che hanno or-mai raggiunto un livello di tecnica eleva-to. Nel corso degli anni, c’è stato un co-stante aumento nella ricerca dei migliori materiali e nell’utilizzo estensivo di leghe metalliche leggere e materiali composi-

last competition. Over 120 teams from all over the world participated to the various events, proving the importance of these races, which have now reached an aston-ishing technical level. The search for the best materials and the extensive use of light metal alloys and composite materi-als has steadily increased over the years,

ti, essendo alla base dello sviluppo delle performance di un veicolo da corsa vin-cente. Ogni singola fase di progettazione e produzione si sviluppa internamente al team, il continuo miglioramento dei pro-cessi produttivi e l’ottimizzazione dei co-sti è altresì una priorità.Questo è il primo anno in cui sono stati im-piegati rinforzi in fibra di carbonio ad alto

being the basis for the development of the performance of a winning racing vehicle. Every single design and production phase is developed within the team, the continu-ous improvement of production process-es and cost optimization is also a priority.For the first year the monocoque saw the use of carbon fibre reinforcements with high elasticity modulus and Zylon, the structure is a sandwich with variable thick-nesses, the core is mixed aluminium hon-eycomb and Nomex, geometrically com-plex areas use a Rohacell core. The use of high-end HMCF fibres (tensile modu-lus of the fibres around 440 [GPa]) has al-lowed us to maximize the vehicle weight to rigidity ratio, essential for a light vehicle, with good driveability and sensitive to dif-

UBM Evoluta rappresenta il veicolo del decimo anniversario dalla fondazione del team nel 2009, in particolare il quarto modello a essere sviluppato con un tela-io monoscocca in composito. La stagio-ne appena conclusa ha visto la partecipa-zione del team agli eventi di Formula Stu-dent 2019 in Italia, Germania e Repubblica Ceca, culminando con un quarto posto in

UBM Evoluta represents the vehicle of the tenth anniversary of the team found-ing in 2009, the fourth to be developed with a composite monocoque frame. The nearly ended season had the team involved in the Formula Student 2019 events in Italy, Germany and the Czech Republic, ending with a fourth place in this

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UBM Evoluta: 2019 UniBo Motorsport project

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zo e matrice dei compositi, sono la con-seguenza di uno sviluppo innovativo e re-sponsabile del progetto dettati dalla pas-sione di ogni membro del team. Il proces-so di ricerca e sviluppo in collaborazione con l’Università di Bologna e le aziende partner sono un’ulteriore spinta verso la prossima stagione.

duction of moulds of different and opti-mized geometries perfectly combine the concept of rapid prototyping, necessary for the extreme development of the ve-hicle necessary nowadays.Wide different technologies and materials used by the team, with a focus on typical properties of each type of reinforcement and matrix of the composites, are the con-sequence of an innovative and responsi-ble development of the project dictated by the immense passion of each mem-ber of the team. Research and develop-ment process in partnership with Univer-sity of Bologna and sponsor companies is a further push towards the next season as we have already started to work for the future vehicles.

modulo elastico e Zylon per il monoscoc-ca, la struttura è a sandwich con spessori variabili, il core è un misto di honeycomb in alluminio e Nomex, nelle zone a geome-tria più complessa è stato usato il Roha-cell. L’uso di fibre HMCF (modulo elasti-co a trazione nell’intorno dei 440 [GPa]) ha permesso di massimizzare il rapporto rigidezza-peso, essenziale per un veicolo leggero, con una buona guidabilità e sen-sibile alle variazioni di setup necessarie in ogni circuito. I laminati nelle zone a prote-zione dei piloti in caso di urti frontali o la-terali contengono Zylon: ciò ha consenti-to sin dai primi test di laboratorio di osser-vare un aumento considerevole dell’ener-gia assorbita, garantendo anche in questo caso il perfetto trade-off fra leggerezza e sicurezza dell’abitacolo. Infine, la collabo-razione con i main partner ha dato acces-so a tecnologie avanzate di cura in autocla-ve, con una particolare attenzione ai tem-pi e alle temperature ottimali.Più del 90% in peso dei componenti ae-rodinamici sono sviluppati in fibra di car-bonio e da quest’anno anche i serbatoi di etanolo e olio motore sono realizzati in fi-bra con rinforzi a stratificazione mista di Kevlar e carbonio. Una scelta accurata del-le resine ha consentito inoltre di ottenere elevate resistenze alla degradazione chi-mica e alle alte temperature tipiche dell’e-tanolo e dell’olio di lubrificazione in eserci-zio. Gli stampi di questi ultimi rappresen-tano un grosso passo avanti nello svilup-po di componenti a geometria comples-sa grazie all’adozione di stampi a perde-re realizzati mediante additive manufactu-ring con stampanti 3D FDM, soggette a un basso costo di installazione e utilizzo. Il filamento impiegato è l’HIPS (High im-pact polystyrene), successivamente di-sciolto mediante l’uso di solventi concen-trati di Limonene. La varietà di componen-ti realizzabili, il basso costo di produzione,

ferent setup required in each circuit. The laminates in the areas protecting the driv-ers in case of frontal or side impacts con-tain Zylon, this has allowed us since the first laboratory tests to observe a consid-erable increase of absorbed energy, guar-anteeing also in here the perfect trade-off between lightness and cockpit safety. Fi-nally, during the production phases, the partnership with our main sponsors al-lowed us to have access to advanced au-toclave technologies, with special care to optimal times and temperatures settings.More than 90% by weight of the aero-dynamic components are developed in carbon fibre, from this year also the eth-anol and engine oil tanks are made of composite materials with mixed strati-

l’efficienza nella produzione di stampi di geometrie diverse e ottimizzate coniuga-no perfettamente il concetto di prototipa-zione rapida necessario per uno sviluppo sempre più estremo del veicolo.La varietà di tecnologie e materiali impie-gati, con un occhio di riguardo alle pro-prietà tipiche in ogni singolo tipo di rinfor-

fied Kevlar and carbon reinforcements; a careful choice of resins has also allowed us to obtain high resistance to chemical degradation and to the typical high tem-peratures of ethanol and lubricating oil while engine is running. The moulds of these parts represent a big step forward in the development of complex geome-try components thanks to the use of dis-posable moulds made by additive man-ufacturing with FDM 3D printers, these machines are subject to a low installa-tion and usage cost. The filament used is HIPS (High impact polystyrene), sub-sequently dissolved by using concen-trated Limonene solvents. The variety of achievable components, the low pro-duction cost, the efficiency in the pro-

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COVESTRO

NANO-TECH

Project manager del nuovo concetto. “Ci concentriamo in par-ticolare sull’interior design, che può essere sia spazio abitativo che lavorativo in un veicolo autonomo, offrendo esperienze per-sonalizzate per l’utente. I futuri concetti di veicoli per l’elettromo-bilità offrono alle case automobilistiche la possibilità di concepi-re ambienti del tutto nuovi e aprono un nuovo terreno per la dif-ferenziazione del marchio”.Gli interni devono rispondere a criteri di funzionalità, comfort e design, ma anche di efficienza. Al centro dell’attenzione ci sono le superfici dal design ottico e tattile, l’integrazione dell’illumi-nazione ambientale, i più recenti sistemi di infotainment e i nuo-vi concetti di seduta. I materiali high-tech di Covestro aprono un ventaglio di nuove possibilità per molti componenti diversi. Per esempio, i policarbonati Makrolon® e le loro miscele avranno un ruolo importante negli interni del futuro grazie alle loro eccezio-nali proprietà: si distinguono per la massima libertà di progetta-zione, la stabilità meccanica e il peso ridotto; inoltre, offrono un buon isolamento termico ed elettrico.Makrolon® consente di ottenere una gamma di superfici simili al vetro, con diversi colori funzionali. Questo è importante per l’integrazione di display, sensori, telecamere e sistemi di illumi-nazione ambientale innovativi.I compositi termoplastici continui fibrorinforzati Maezio™ di Co-vestro costituiscono una classe speciale di compositi. Sono a base di policarbonato, ma più robusti e leggeri, grazie al rinfor-zo con fibre di carbonio, e sono adatti a una produzione efficien-te di parti molto sottili.

L’auto del futuro sarà uno spazio abitativo e lavorativo multifun-zionale e mobile. Questo è il principio guida di un nuovo con-cetto di interni per la mobilità futura, che Covestro presenterà alla Fiera delle materie plastiche K 2019. L’auto del futuro sarà completamente collegata in rete e perfettamente integrata nel-la vita quotidiana.“Il nostro piano globale comprende sviluppi che in pochi anni possono diventare realtà, ma anche idee visionarie per il futuro”, spiega Jochen Hardt, Global marketing mobility di Covestro e

C-preg® 400 è una famiglia di pre-impregnati con un nuovo si-stema di resine termoindurenti studiato per applicazioni ad alta temperatura. Frutto di tre anni di ricerca e sviluppo congiunto tra Nano-Tech SpA e Petroceramics SpA, il C-preg® 400 può opera-re a una temperatura di servizio di 400°C. Data la sua bassa den-sità e le ottime proprietà meccaniche e termiche il C-preg® 400 può essere utilizzato come metal replacement in applicazioni ad alta temperatura. Ulteriori proprietà chiave del prodotto sono la non infiammabililità e la resistenza al calore che ne impediscono la degradazione anche quando sottoposto a forti stress termici. Il prodotto infatti non mostra perdite di massa significative sotto l’azione di stress termomeccanici combinati e la matrice mantie-ne la sua elevata trasparenza. C-preg® 400 mostra anche un’ot-tima resistenza ai raggi UV che gli permette di difendersi mol-to a lungo dall’ingiallimento. Quando sottoposto a un opportuno processo di pirolisi, C-preg® 400 viene convertito in un manufat-to carbo-ceramico capace di sopportare temperature nell’ordi-ne di 800°C. Lavorabile come un normale prepreg epossidico, il C-preg® 400 richiede un processo di cura, eseguibile dentro o fuo-ri autoclave o mediante tecnologia press moulding, e un processo di post-cura a temperature comprese fra 240 e 350°C in comu-ni forni industriali. Non è tossico e non possiede alcuna etichet-tatura di pericolo per cui può essere lavorato in assoluta sicurez-za durante i processi di trasformazione. Il materiale è disponibile con diversi tipi di tessuti e fibre ed è realizzabile sulla base delle esigenze del cliente. I suoi settori di applicazione sono moltepli-ci: automotive, marine, aerospace, railways, renewable energy.

Materiali intelligenti negli interni delle auto del futuro

Composito in prepreg per alte temperature

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POLYNT GROUP

Sheet moulding compound for the e-mobility

shorter cycle times than other similar materials or techniques. Among the versatile features of SMC, the possibility of formu-lating products with high fireproof characteristics should not be forgotten. This prevents the product from being subjected to subsequent treatments that make it fireproof, reducing the pro-cessing steps and contributing to cost optimization.Polynt Group, with its Composites operating unit, supports the automotive OEM market for the electric mobility solution with glass fibre reinforced products (SMC HUP grades) and carbon fi-bre reinforced products (Polynt-SMCarbon® grades). These ma-terials are called flame retardants with different UL confirmation levels. Some products are already approved and partially used e.g. two of the largest German OEMs.This portfolio offers lightweight, structural support and flame-re-tardant solutions for one of the biggest changes in the automo-tive industry.

Sheet moulding compounds (SMC) are a building material con-sisting of unsaturated resin, fillers and glass fibres. Produced in a consolidated and well-known process, its originality and versatility come from the wise combination of the ingredients. The SMC semi-finished product is used by the moulding work-shops to construct, through a heat and pressure-based mould-ing process, highly innovative parts in such markets, e.g. build-ing, health, medicine, aircraft but also in the automotive sector. Over the past 50 years SMC parts are mainly used in outdoor ap-plications such as blankets, frames, etc. But with the increasing challenges in the automotive sector such as lightness, emission and multi-functional capacity of the parts used, SMC acquires more and greater importance and attractiveness also for use in the internal areas and structural parts of cars.The most common element in the automotive sector in the last 5 years is the development of electric cars and the growth of electric mobility in general. The versatility of SMC offers the au-tomotive industry the freedom of new design options in the fu-ture. In fact, parts with functions integrated with preformed al-uminium film, such as EMV shielding (electric magnetic pro-tection), can be combined with SMC in a single shot moulding phase. From a dimensional point of view, with SMC it is possi-ble to make pieces with surfaces even of 4 square meters. Re-ducing the production cycle time, which is another element re-quired by the automotive OEM, makes SMC attractive, ensuring

REFITECH

lightweight properties, comfortable when handled, easy and im-mediate to use.Commissioned by the Royal Dutch Association of guide dogs (KNGF) Refitech focused on a project that could combine the needs of blind people with the large-scale marketing and low costs of an innovative system, with the potential to change and improve the life of millions of people. The item is adjustable ac-cording to the individual needs and height of the owner and dog. Sales prices are kept low: a reasoned choice from Refitech, whose aim was proposing a product to the social and medical audience, in order to spread the understanding of the existing potential of composite materials in all application fields.The project was developed in the Netherlands together with KNGF and NPK Design. First deliveries are done in the Neth-erlands and Australia, and will soon see the light in the rest of the world.

Refitech is a Dutch company specializing in the industrial pro-duction of components made out of composite materials. Deal-ing with composites from carbon to glass fibers, Refitech is con-stantly in search of innovation relevant to a range of products and markets, from aerospace to medical equipment, through au-tomation and robotical arms for production machinery. At JEC 2019 Refitech brought an innovative project relevant to blind peo-ple: the Dutch company has manufactured a handle completely made out of composite materials, with very high strength and

Innovation for visually impaired people

ROBOZE

Stampa 3D per droni e aeromodelli

ze aiuta a sviluppare prototipi e parti funzionali in breve tempo e con un minimo impegno di personale e attrezzature; permette variazioni di design rapide e il passaggio diretto dal disegno CAD alla realizzazione”, ha dichiarato Vincenzo Binante. “Le parti che vengono stampate sono principalmente housing per il montag-gio su droni di schede elettroniche quali autopilota, sistemi radar, stereocamere, moduli di elaborazione Jetson o Arduino e batte-rie LiPo in Carbon PA”.

La scelta della Carbon PALa Carbon PA è una poliammide caricata con fibre di carbonio che offre proprietà tra le più elevate sul mercato della stampa 3D a filamento. Con i suoi 138 MPa in trazione – il più forte ma-teriale a filamento al mondo – è usato per la produzione di par-ti finite per applicazioni di Metal Replacement. La stampante è stata utilizzata anche per creare alcune parti di modelli concept statici in STRONG-ABS, dove le tecniche di modellismo classi-co non riuscivano a riprodurre fedelmente la forma, soprattut-to a causa della scala ridotta. Un esempio di problema risolto con la stampante 3D Roboze è la realizzazione di un sistema di damper per isolare l’autopilota di un drone da vibrazioni ad alta frequenza causate dai motori. In questo caso è stato possibile creare un housing provvisto di damper con un risparmio di peso pari al 25% e modificando l’attacco dell’housing in tempi relati-vamente brevi, soluzione che non sarebbe stata possibile realiz-zando le parti in alluminio con macchine utensili.

SkyBox Engineering s.r.l., è una PMI italiana fondata nel 2009, azienda Spin-Off dell’Università di Pisa, che si occupa del-lo sviluppo di progetti aeronautici basati sulla configurazione “boxwing” in collaborazione con partner tecnico-scientifici na-zionali e internazionali. SkyBox si è rivolta alla stampa 3D per re-alizzare parti funzionali per aeromodelli e droni in tempi relativa-mente brevi e costi contenuti. Questa necessità scaturisce dalla natura R&S dei progetti seguiti, per cui è spesso necessario ap-portare modifiche oppure effettuare redesign delle parti in que-stione. Nel caso della realizzazione di concept e modelli statici, la stampa 3D permette di realizzare forme complesse con un impegno minimo dell’operatore. “L’obiettivo principale è il con-tenimento di pesi e ingombri delle parti imbarcate su droni e ae-romodelli, sfruttando la capacità di costruire parti di forme an-che complesse difficili da realizzare con metodi tradizionali. Al-tre caratteristiche importanti che ricerchiamo in un’attrezzatura di produzione sono versatilità dei materiali, semplicità di impie-go anche da parte di personale non specializzato e la possibilità di operare in spazi non appositamente attrezzati”, ha affermato l’ingegnere Vincenzo Binante di SkyBox. Dopo un’attenta ana-lisi fatta dal team di progettazione SkyBox, la scelta è ricaduta sulla stampante Roboze. “Roboze è stata la prima soluzione di stampa 3D da noi impiegata direttamente; prima ci affidavamo a terzi per realizzare parti stampate con questa tecnologia. Ab-biamo scelto Roboze per la qualità del materiale e la possibilità di sperimentare diversi processi di stampa”, ha proseguito l’in-gegnere Vincenzo Binante. “Inoltre, questa soluzione permette di avere un’area di lavoro protetta e controllata con buona preci-sione e un tempo di familiarizzazione con la stampante breve”.

Dal concept alla prototipazione funzionale fino alla produ-zione di parti finiteLe soluzioni Roboze sono state progettate per poter coprire più fasi di lead-time di un prodotto. La versatilità dei materiali e la garanzia di ripetibilità data dal Beltless System – sistema brevet-tato dall’azienda che affida la movimentazione degli assi x e y a cremagliera e pignone a contatto diretto con tolleranze mecca-troniche di 25 micron – permettono di realizzare concept, proto-tipi funzionali e parti finite da assemblare. “La tecnologia Robo-

Sistema di damper per l’autopilota di un drone

Housing per Antenna Radar

Antenna Radar

Carbon PA

Concept statisticoin STRONG ABS

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