Compositi Fibrorinforzati

Compositi: panoramica

Un materiale composito deriva della combinazione di due o più materiali. Questa combinazione determina proprietà materiali precise, quali durezza e rigidità in direzioni specifiche, contenendo comunque il peso e permettendo così di sviluppare sempre nuove applicazioni. 

I compositi sono utilizzati in molti nuovi prodotti. I velivoli come l'Airbus A380 e A350 o il Boeing 787 sono esempi attuali di aviazione civile in cui viene impiegata un'alta percentuale di compositi in fibra di carbonio. I telai delle automobili BMW I3 e I8 sono costituiti interamente da materiali GFRP. Essi hanno un peso talmente ridotto da poter essere facilmente trasportati da due sole persone. Anche nelle auto da corsa sono stati utilizzati per diverso tempo compositi rinforzati con fibre Le pale delle grandi turbine eoliche sono realizzate con diversi tipi di compositi: i compositi con fibre unidirezionali assorbono le forze centrifughe, le superfici esterne sono realizzate con compositi con fibre multidirezionali e la struttura generale ha un design a sandwich. I compositi sono utilizzati anche nell'ambito dell'ingegneria medica, ad esempio per le protesi, nel settore edilizio come materiali multiformi per i ponti e nell'ingegneria delle facciate.

Nei materiali compositi, le fibre sono incorporate in un componente del composito noto come matrice. Ciò crea un sistema fibra-matrice. Le fibre possono essere disposte in una o più direzioni definite e avere direzioni preferite.

I laminati sono costituiti da un diverso numero di strati, uno sull'altro. I materiali con tre strati, due dei quali sono strati esterni identici, sono conosciuti come compositi a sandwich. 

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

Un'ampia gamma di compositi è utilizzata per applicazioni tecniche, ad esempio

  • Plastica rinforzata con fibre di vetro (GFRP)
  • Plastica rinforzata con fibre di carbonio (CFRP)
  • Plastica rinforzata con fibre aramidiche (AFRP)
  • Plastica rinforzata con fibre naturali (NFRP)

I compositi fibrorinforzati sono costituiti da fibre in filamenti o a fiocco, ad esempio il roving, e da una matrice che assicura la forza di adesione.  

Le proprietà, insieme alla selezione della fibra e della matrice, sono essenzialmente determinate dall'orientamento delle fibre nel tessuto. Nelle tecnologie di prova si distingue tra laminati unidirezionali e multidirezionali. 

Le prove sui materiali riguardano solitamente scenari di carico individuali su provini standardizzati. Poiché le caratteristiche dipendono fortemente dalla direzione della fibra, i vari tipi di carico sono applicati utilizzando diversi provini, ad esempio in parallelo o perpendicolarmente rispetto a essa.  

Oltre alle normative internazionali (ISO), queste prove sono descritte in diverse norme regionali e nazionali (ASTM, EN e DIM) e negli standard aziendali (Airbus AITM, Boeing BSS). Il risultato è un insieme di oltre 170 norme che descrivono circa 20 metodi di prova generici.

Nelle prove su componenti, parti strutturali e strutture complete vengono utilizzati carichi che replicano quelli delle applicazioni reali. Il focus d'indagine sono la forza, il consumo di energia (crash), la resistenza a fatica, la vita utile.

A causa della sensibilità direzionale e dello snervamento delle fibre, i carichi di prova devono essere applicati esattamente nella direzione voluta. L'errore assiale viene descritto come disallineamento ed è soggetto a ristrette fasce di tolleranza. Per misurare il disallineamento, ZwickRoell utilizza dispositivi di misurazione speciali la cui forma e dimensione corrispondono a quelle del provino. Gli assi della macchina di prova sono orientati con supporti meccanici di allineamento.

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Sistemi di Prova Modulari per Compositi

I grandi laboratori con alti volumi di produzione utilizzano diverse macchine di prova per ciascun metodo, in modo da ridurre al minimo i tempi e i costi necessari per il riallestimento. I metodi di prova standard possono essere divisi nei seguenti range di prova: 

  • Forze sino a 1 kN: prove di flessione, tenacità a frattura, prove di trazione su filamenti singoli
  • Forze sino a 10kN: prove di taglio, ad esempio IPS, ILSS e V-notch, prove di trazione su sezioni di filamenti, prove di trazione a 90° su compositi unidirezionali, prove di trazione nella direzione dello spessore.
  • Forze fino a 100 kN: prove di trazione a 0° su compositi unidirezionali, prove di trazione MD per spessori laminati più piccoli, prove di compressione in accordo con le norme SO, ASTM ed EN, XXX
  • Forze oltre 100 kN: prove di trazione e compressione in accordo con gli standard Airbus con corrispondente spessore laminato, compressione dopo l'impatto
Se i volumi di produzione non sono alti o abbastanza consistenti da rendere opportuno un investimento in diverse macchine di prova, un'alternativa è allestire una singola macchina di prova in modo da poter eseguire più metodi di prova con il minor sforzo di riallestimento possibile. Per far fronte a tutte queste diverse necessità, ZwickRoell ha sviluppato macchine di prova elettromeccaniche e servoidrauliche con design modulare. I vantaggi dei sistemi modulari sono indiscutibili: tutti gli accessori e le attrezzature, gli estensimetri, il software, i pannelli di protezione e le camere climatiche sono modulari e progettati per lavorare in coordinamento. In più, in questo sistema anche tutti i componenti possono essere ammodernati.
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Prove di Trazione, Prove di Compressione, Prove di Flessione

ZwickRoell offre attrezzature speciali per prove di trazione, compressione e flessione che coprono un'ampia gamma di temperature secondo gli standard.

Prove di shear

Ci sono diversi metodi di prova usati per determinare le proprietà di taglio in piano in varie direzioni e piani.

Ulteriori Prove su Compositi

come il tasso di rilascio dell'energia, G per caratterizzare i compositi in termini di valori caratteristici della meccanica della frattura o il carico ciclico per determinare la durabilità di provini, elementi strutturali e componenti.
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