Appunti Lavorazione Materiali Aereonautici (LMA)

Indice

Sviluppo del design degli aerei ...................................................................5

• 1.1 Evoluzione degli aerei di linea e degli aerei privati ...................................................................... 5
• 1.2 Concept Finding .......................................................................................................................... 6
• 1.2.1 Advanced Design .................................................................................................................. 6
• 1.2.2 Pre-conceptual Studies......................................................................................................... 6
• 1.3 Sviluppo del progetto .................................................................................................................. 7
• 1.3.1 Concept Definition ............................................................................................................... 7
• 1.3.2 Preliminary Design ............................................................................................................... 8
• 1.3.3 Detail Design ........................................................................................................................ 8
• 1.4 Baseline Design ........................................................................................................................... 8
• 1.4.1 Power Plant ........................................................................................................................... 9
• 1.4.2 Peso e bilanciamento ........................................................................................................... 9
• 1.4.3 Analisi delle performance ..................................................................................................... 9

Alluminio ................................................................................................. 10

• 2.1 Caratteristiche e proprietà dell’alluminio .................................................................................. 10
• 2.2 Leghe di alluminio ..................................................................................................................... 11
• 2.2.1 Leghe da fonderia .............................................................................................................. 11
• 2.2.2 Leghe da deformazione plastica da incrudimento .............................................................. 12
• 2.2.3 Leghe da deformazione plastica trattabili termicamente .................................................... 12
• 2.3 Produzione di alluminio ............................................................................................................ 14
• 2.4 Laminazione di piastre e fogli .................................................................................................... 15
• 2.5 Forgiatura ................................................................................................................................. 15
• 2.6 Formatura ................................................................................................................................. 16
• 2.7 Tranciatura e foratura ............................................................................................................... 16
• 2.8 Piegatura .................................................................................................................................. 17
• 2.9 Imbutitura................................................................................................................................. 17
• 2.10 Formatura per stiramento ....................................................................................................... 17
• 2.11 Formatura a stampo in gomma ............................................................................................... 17
• 2.12 Formatura superplastica alluminio .......................................................................................... 18

Titanio ..................................................................................................... 19

• 3.1 Caratteristiche e proprietà del titanio ....................................................................................... 19
• 3.1.1 Leghe CP ............................................................................................................................ 19
• 3.1.2 Leghe α e near-α ................................................................................................................ 19
• 3.1.3 Leghe α-β ........................................................................................................................... 20
• 3.1.4 Leghe β .............................................................................................................................. 21
• 3.2 Produzione del titanio ............................................................................................................... 21
• 3.3 Forgiatura ................................................................................................................................. 23
• 3.4 Deposizione laser di metallo ..................................................................................................... 24
• 3.5 Formatura superplastica titanio ................................................................................................ 25
• 3.6 Microfusione ............................................................................................................................. 25
• 3.7 Machining ................................................................................................................................. 26

Superleghe ............................................................................................... 27

• 4.1 Caratteristiche e proprietà delle superleghe ............................................................................. 27
• 4.1.1 Superleghe a base Ni .......................................................................................................... 29
• 4.1.2 Superleghe Fe-Ni ................................................................................................................ 29
• 4.1.3 Superleghe a base Co ......................................................................................................... 29
• 4.2 Produzione delle superleghe ..................................................................................................... 30
• 4.2.1 Metallurgia dei lingotti ....................................................................................................... 30
• 4.2.2 Metallurgia delle polveri .................................................................................................... 30
• 4.3 Forgiatura ed estrusione ........................................................................................................... 31
• 4.4 Alligazione meccanica ............................................................................................................... 32

Compositi................................................................................................. 33

• 5.1 Caratteristiche e proprietà dei compositi .................................................................................. 33
• 5.1.2 Matrice dei compositi ........................................................................................................ 34
• 5.1.3 Fibre dei composti .............................................................................................................. 35
• 5.2 Composti a matrice polimerica.................................................................................................. 36
• 5.3 Attrezzatura .............................................................................................................................. 38
• 5.4 Stampaggio materiali compositi ................................................................................................ 39
• 5.4.1 Hand Lay-Up e Spray Lay-UP .............................................................................................. 40
• 5.4.2 Vacuum Bag Forming e Pressure Bag Forming .................................................................... 40
• 5.5 Automated Tape Laying (ATL) .................................................................................................... 42
• 5.6 Formatura per avvolgimento .................................................................................................... 43
• 5.7 Posizionamento delle fibre avanzato ......................................................................................... 44
• 5.8 Curing ....................................................................................................................................... 45
• 5.9 Problema della formazione dei vuoti ......................................................................................... 46

Sviluppo del design degli aerei

1.1 Evoluzione degli aerei di linea e degli aerei privati

Nella seconda metà del XX secolo c’è stato un considerevole sviluppo in campo aeronautico principalmente per lo sviluppo di due nuovi sistemi di propulsione: i motori turboelica (turboprop), costituiti da un’elica azionata da una turbina, e i motori a reazione (o a getto) che trasformano l’energia chimica del combustibile in energia cinetica sfruttando il principio di azione e reazione. Mentre nei turboprop la propulsione avviene principalmente per mezzo dell’aria messa in movimento dalla rotazione di un’elica e in minor misura mediante la spinta dei gas di scarico, nei turbogetto la spinta generata dal motore è data dalla variazione della quantità di moto del fluido (aria) nell’unità di tempo in accordo con il secondo principio della dinamica.

Gli aerei civili, tuttavia, non possono viaggiare a velocità sonica (Mach 1) a causa delle sollecitazioni strutturali del velivolo oltre al fatto che i passeggeri non reggerebbero tali velocità. Pertanto, nell’evoluzione degli aerei si è cercato di migliorare la stabilità e le prestazioni del velivolo piuttosto che aumentare la velocità massima sostenibile che è stata fissata a 850-900 km/h (velocità subsonica). L’evoluzione dei velivoli si deve anche ai materiali della struttura e dei motori ma anche ai nuovi sistemi di controllo.

La prima evoluzione si ha dal bombardiere B-47, di costruzione statunitense appartenente alla Boeing, che è stato il primo bombardiere con motore a reazione, importante perché ha introdotto la forma delle ali a freccia e il montaggio dei motori sotto le ali piuttosto che attaccati alla fusoliera permettendo un miglior flusso di carburante stoccato all’interno delle ali per via della migliore alimentazione dei motori. Questo concept quindi è stato adottato in tutti gli aerei di linea che, a parte qualche piccola variazione, non hanno mutato il loro aspetto fin dagli anni '60; famoso è il Boeing 707, un aereo di linea di media grandezza dedicato alle rotte a lungo raggio.

Per quanto riguarda gli aerei privati, invece, di solito sono di piccole dimensioni in cui inizialmente si utilizzava un motore turboelica sviluppata dalla compagnia Allison Engine, poi incorporata nella Rolls Royce, ma poi si è sostituito con il turbogetto; essendo di dimensioni si preferiva attaccare i motori ancora alla fusoliera visto che le ali, che mantenevano la forma a freccia, erano più piccole. Tuttavia, questi aerei avevano il vantaggio di utilizzare piste per il decollo meno lunghe per le loro dimensioni ridotte; sono utilizzati per lo più da compagnie o da persone facoltose perciò gli interni sono più curati e rifiniti tanto da essere paragonati alle Cadillac.

Per tutto il resto del XX secolo non ci sono state particolari innovazioni, pertanto tutte le aziende aeronautiche hanno preferito continuare ad usare progetti tradizionali e conservativi piuttosto che investire su nuove soluzioni che non avrebbero portato a nessun vantaggio significativo in termini economici o prestazionali. Un esempio di prototipo fallimentare è il Boeing 7J7, un aereo di linea con 150 posti che aveva introdotto sistemi innovativi come il fly-by-wire, l’Unducted Fan (UDF), sistemi di gestione del volo e nuove leghe di alluminio. Ma considerando l’elevato costo, il progetto è stato abbandonato.

In fase di progettazione l’analisi dei costi ha un ruolo fondamentale perché anche un piccolo intoppo potrebbe fare crescere drasticamente i costi e causare il fallimento del progetto; pertanto l’obiettivo del programma di sviluppo è quello di impostare delle specifiche top level (TLR), ovvero disposizioni generali sulla struttura e sulla progettazione di massima dell’aereo che devono essere identificate nella fase di progettazione prima dello sviluppo nelle fasi successive. Se le assunzioni fatte all’inizio della progettazione sono corrette e fattibili, allora il rischio del progetto a livello commerciale è minimo e quindi si ha l’approvazione del management e si passa alla verifica del disegno e allo sviluppo in base alle esigenze di mercato. Tra le prime fasi di sviluppo di un aereo quindi si ha l’Analytical Design Optimization in cui, mediante software di progettazione, si analizza e ottimizza il modello al fine di minimizzare il rischio di un cattivo investimento.

1.2 Concept Finding

Il concept finding consiste in una serie di operazioni svolte nella sezione di ricerca e sviluppo col fine di studiare nuovi progetti e valutarne l’impatto sul mercato. Il concept finding si può distinguere in due fasi: (1) l’Advanced Design, (2) i Pre-conceptual Studies.

1.2.1 Advanced Design

Nella fase di Advanced Design l’ufficio apposito si occupa di studiare nuove proposte per nuovi aerei includendo aspetti tecnici, tecnologici e commerciali.

Le attività che l’advanced design deve svolgere sono quattro:

• Sviluppo di progetti: creare nuove varianti più efficienti delle configurazioni esistenti;
• Sviluppo di strumenti: sviluppo di nuovi software utili nell’analisi strutturale e prestazionale;
• Sviluppo di tecnologie: Wi-fi per la comunicazione di dati o per i clienti, LED per la visibilità;
• Valutazione della concorrenza: analisi della competitività del prodotto dal punto di vista tecnico, tecnologico ed economico.

Ovviamente la tempestività è fondamentale onde evitare di arrivare sul mercato con un prodotto già proposto da altre compagnie.

1.2.2 Pre-conceptual Studies

Gli studi pre-concettuali partono dallo studio del “perché” un prodotto deve essere sviluppato piuttosto che del “come” di cui si occupa invece l’advanced design. L’obiettivo principale, una volta capito il “perché”, è quello di garantire un profitto alla compagnia e pertanto è necessario fare delle previsioni abbastanza affidabili sulla futura domanda di nuovi aerei. Alla fine del processo si aspetta una decisione del management basata su un disegno 3D che valuta la possibilità di investire o meno sul nuovo progetto. Fondamentali per ricevere l’approvazione del management sono i Top Level Requirements (TLR), che rappresentano delle caratteristiche della progettazione inviolabili insieme alle Certification Rules che devono definire dei criteri validi per continuare il progetto oppure fermarsi. Un esempio di TLR può essere la scelta della velocità massima di crociera che di solito è di 0.85 Mach che consente di ottimizzare i consumi e facilita lo stoccaggio di carburante.

1.3 Sviluppo del progetto

Lo sviluppo del progetto è la parte forse più complessa e consiste nello sviluppo del progetto approssimativo disegnato nella fase dell’advanced design aumentando sempre più il grado di dettaglio. Le fasi di sviluppo sono tre:

• Concept Definition: permette di capire l’architettura generale dell’aereo e se è fattibile; è un processo ciclico in cui si parte da concetti semplici e man mano si vanno ad aggiungere dettagli e può richiedere dai 4-12 mesi;
• Preliminary Design: serve a studiare i componenti principali del sistema e può richiedere da 12-16 mesi;
• Detail Design: si realizza un disegno abbastanza dettagliato da sottoporre al management che decide se proseguire o meno e può richiedere da 2-3 anni.

1.3.1 Concept Definition

Nella fase di concept definition il sistema inizia ad essere dettagliato e sviluppato in modelli 3D per stimarne le prestazioni e bilanciare la struttura. In questa fase si studiano vari aspetti come la forma e le sezioni della fusoliera, la posizione e la forma delle ali e il numero e il posizionamento dei motori al fine di creare strutture quanto più possibili aerodinamiche. Ci sono due tipi di strutture: la prima è chiamata blended wing body (BWB) caratterizzata da una struttura in cui ali e fusoliera non hanno una netta linea di demarcazione, la seconda è chiamata all wing aircraft (AWA) ed è caratterizzata da una struttura ad unico corpo in cui non si distinguono ali e fusoliera.

Nella fase di concept design si identificano vantaggi e svantaggi della soluzione innovativa rispetto a quella tradizionale e i rischi e i costi nel momento in cui tale soluzione non vada bene; di solito è una fase iterativa in cui si sviluppano i singoli sistemi e successivamente si cercano le varie interfacce per collegarli. Quindi in questa fase non avviene un’ottimizzazione del sistema ma si cerca di realizzare una configurazione di riferimento.

1.3.2 Preliminary Design

Una volta che sono stati definiti i concetti base si procede con la realizzazione di un design preliminare in cui si inizia a dettagliare maggiormente il disegno attraverso dei software di grafica per analizzare l’aerodinamica, la meccanica e la struttura. In questa fase è possibile distinguere due sottofasi:

• Design Definition in cui si definisce la configurazione migliore per proseguire la progettazione;
• Design Validation in cui si verifica che effettivamente tutto ciò che è stato stimato tramite software sia valido; pertanto si effettuano controlli sul dimensionamento volumetrico, sul centro di gravità, sui momenti di inerzia, sulle forme aerodinamiche, sui layout dei sistemi di controllo, sull’analisi economica e ambientale.

Una volta completati i controlli il progetto è sottoposto al management per la conferma di approvazione.

1.3.3 Detail Design

In questa fase...