Scienza e tecnologia dei materiali per l'aerospazio

Scelta dei materiali e le loro proprietà

Innanzitutto, i materiali utilizzati nel settore aeronautico possono essere suddivisi nelle seguenti categorie:

• Materiali metallici;
• Materiali compositi;
• Materiali polimerici;
• Materiali ceramici.

La scelta dei materiali da impiegare su di un velivolo dipende da una serie di fattori:

• Costo del materiale;
• Maturità della soluzione tecnologica, intesa come materiale, tecnologia di fabbricazione, tecnologia di assemblaggio, etc;
• Tipologia del velivolo, militare o civile, a lungo, medio o corto raggio, prestazioni, etc;
• Zona di applicazione, componente;
• Know-how del singolo costruttore aeronautico.

Ad oggi, i materiali che noi utilizziamo sono una serie di materiali che sono già abbastanza diffusi, noti nelle loro prestazioni e proprietà.

Alcuni materiali però, come per esempio il grafene, sono materiali che interessano il nostro presente e che sicuramente stanno avendo delle applicazioni importanti ma che sarà molto più diffuso in futuro poiché nel momento in cui si mette a punto un nuovo materiale, finché esso si possa ritenere maturo da essere perché bisogna fare tutte le prove di laboratorio che mi permettono di andare a conoscere a fondo ogni singola proprietà del materiale tutta una serie di certificazioni poiché è necessario essere autorizzati per poter portare una novità su un oggetto così delicato quale un velivolo.

Grafene

Il grafene è un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio, avente cioè uno spessore equivalente alle dimensioni di un solo atomo.

Ma questo strato di monoatomico di carbonio presenta delle caratteristiche altamente performanti in particolare una resistenza meccanica paragonabile a quella del diamante accompagnata però dalla flessibilità della plastica.

Questo materiale oggi lo si sta provando a utilizzare in varie forme andando cioè a sovrapporre più strati monoatomici di atomi di carbonio in modo tale da poterlo sostituire a materiali più datati quali acciai o leghe leggere.

Metamateriali

È un materiale creato integralmente in laboratorio con proprietà elettromagnetiche particolari che permettono di andare ad ottenere un materiale le cui caratteristiche a livello macroscopico non dipendono soltanto dalla struttura molecolare presentata dal materiale ma anche, forse in maniera predominante, dalla geometria realizzativa.

Questi materiali sono costituiti come se fossero tanti piccoli tasselli adiacenti che conferiscono determinate proprietà al materiale.

In particolare, sante e pericoloso cioè quello di poter realizzare dei rivestimenti che possano rendere gli oggetti trasparenti, ossia sono in grado di replicare frontalmente ciò che è riportato alle spalle dell'oggetto che si vuole proteggere andando a giocare esclusivamente su una serie di riflessioni e raggi della luce che colpiscono queste singole tessere che costituiscono il nostro materiale.

Particolare poiché se dobbiamo avvicinarci alla progettazione di qualcosa non possiamo che considerare la progettazione relativa ai materiali ossia la scelta dei materiali giusti in funzione delle sollecitazioni a cui sarà sottoposto il componente durante la sua vita e allo lo stesso tempo andare a capire e progettare la lavorazione di quel materiale per ottenere quello quell'oggetto.

La progettazione di informazioni dettagliate sulla base delle quali sia possibile fabbricare un nuovo prodotto.

Affidato a pochi esperti che avevano le conoscenze giuste per poter trattare i materiali e quindi utilizzarli.

Essi erano definiti guru dei materiali e molto spesso rendevano difficile la diffusione delle conoscenze sui singoli materiali, al punto tale da rendere quasi inutilizzabili alcune famiglie poiché gli esperti avrebbero avuto più difficoltà a gestire più materiali.

Quindi ora si adotta una procedura sistematica:

• I cui stadi possano essere insegnati rapidamente
• Che garantisca
• Che permetta informatica
• Che si possa interfacciare con tutti gli altri strumenti di cui è dotata la progettazione ingegneristica.

Quando andiamo ad effettuare quindi la scelta in fase progettuale dei nostri materiali, non dobbiamo dimenticare che la scelta non può che essere estremamente correlata a quella che è la scelta del processo con cui potremmo andare a lavorare il nostro materiale; così come non potremmo prescindere da quello che è il costo associato al nostro materiale, costo che è da intendersi anche legato al trasporto, allo stoccaggio, al reperimento del materiale e fare i conti anche con una questione di tipo ambientale, ossia cercare di utilizzare materiali che rispettino l'ambiente sia per quanto riguarda la loro produzione sia per quanto riguarda la loro lavorazione ma anche per quanto riguarda il loro utilizzo magari puntando su quei materiali che possono essere maggiormente oggetto poi di riciclo degli stessi a valle della fine vita di un di un determinato componente.

Tutto ciò senza trascurare il fatto di avere sempre un rapporto tra qualità/prezzo che determinano il successo o meno di un prodotto a cui dobbiamo affiancare la soddisfazione di quelle che sono le esigenze del mio cliente finale.

Pertanto, una progettazione che tenga conto delle esigenze del cliente sia di tipo tecnico che economico.

Questo mi comporta una scelta di un materiale sicuramente più complessa, ma per poter scegliere ho necessità di andare a scegliere in base alle proprietà del materiale e, tecnicamente parlando, al profilo di proprietà del materiale.

Ovviamente oggi i materiali sono molti di più rispetto al passato e viviamo in quella che oggi viene definita da una varietà di materiali non indifferente.

Stata più variegata di quella attuale; la lista dei nuovi materiali si è allungata così rapidamente che i progettisti di 20 anni fa forse ne conoscevano solo la metà, ma per un progettista questo significa essere a rischio catastrofe. Per dar vita ad un progetto innovativo spesso è necessario sfruttare in modo fantasioso le proprietà offerte da un nuovo materiale, oppure da un materiale che nel tempo è stato migliorato.

Un cenno storico da fare riguarda il professore James Stuart, primo professore di ingegneria a Cambridge; ai suoi tempi, 1875-90:

• Non esistevano i polimeri di sintesi mentre oggi ne abbiamo circa 45000;
• Non esistevano le leghe leggere, oggi sono migliaia;
• Non esistevano compositi ad alte prestazioni, oggi se ne contano centinaia.

Questo cosa comporta?

Che se è vero che oggi disponiamo di più o meno 160000 materiali catalogati è altrettanto vero che ci troviamo di fronte a un problema che questo professore non aveva, cioè come fare la scelta del materiale più idoneo; la scelta, quindi, deve essere fatta in maniera attenta tenendo conto di quelle che sono le conoscenze dei materiali e di quelle che sono le applicazioni che dobbiamo fare.

Ciò di cui ci rendiamo conto da questo grafico però è che anche se sono cambiate le tipologie dei materiali, già 10000 anni a.C. determinati approcci esistevano anche se gli elementi sono cambiati.

Insieme quei componenti.

Utilizzo delle macro-famiglie dei materiali equivalenti che conta circa il 25%.

Ciascuno di questi materiali è stato addirittura talmente importante da andare a caratterizzare dei periodi storici come l'era del bronzo l ferro al punto tale che quel materiale era l'unico che veniva utilizzato in quegli anni.

Nel tempo si sono sviluppati altri materiali soprattutto grazie all'utilizzo di nuove tecnologie che furono resi disponibili, un esempio è il 1620 anno in cui nasce la ghisa, la quale ha fatto si che da quel momento ci

Pian piano si è evoluta ancora la tecnologia che ha permesso di ridurre la percentuale di carbonio nelle ghise e ha portato a quel processo di affinamento della ghisa che nel 1850 quindi oltre 200 anni dopo la nascita della ghisa ha fatto sì che comparisse l'acciaio, un centinaio dopo sono nate le leghe leggere fino ad arrivare alle leghe speciali.

Fino al 1960 quando si parlava di utilizzo di materiali per applicazioni ingegneristiche si parlava esclusivamente di materiali metallici, altri materiali non erano proprio contemplati nelle applicazioni ingegneristiche hanno fatto la loro comparsa materiali sempre più performanti, in particolare hanno fatto la loro comparsa le leghe metalliche, la possibilità di sostituire acciai e ghise con leghe leggere ma anche la produzione di materiali quali polimeri, compositi, ceramici ossia materiali che presentavano delle prestazioni impensabili da raggiungere con i materiali quali acciai e ghise; quindi questo ha cambiato completamente scenari e noi oggi ci troviamo di fronte a una varietà di circa 160.000 materiali certificati come materiali esistenti e noti nella loro complessità del profilo proprietà da poter utilizzare.

2^ Lezione (05/03)

Come scegliere un materiale?

Abbiamo visto che ad oggi i materiali tra cui scegliere sono molto numerosi, quindi, questo ovviamente comporta sicuramente una maggiore difficoltà nel definire e nel capire come e quali criteri adottare per scegliere un materiale.

Bisogna capire quelle che siano le proprietà del singolo materiale o della famiglia dei materiali con una finalità ben chiara, la finalità è quella di poter utilizzare il materiale al meglio e in tutte le condizioni in cui ci serve.

Quindi per rispondere alla domanda dobbiamo sicuramente guardare più nel dettaglio quelli che sono i nostri obiettivi:

Per funzione si intende il tipo di applicazione al fine di capire quelle che saranno le sollecitazioni a cui sarà sottoposto; sollecitazioni a cui dobbiamo inevitabilmente far fronte tenendo presente anche quali sono i vincoli a cui è sottoposto il componente.

Questi aspetti tra loro sono strettamente connessi perché per avere una determinata funzione è inevitabile conferire una certa forma, così come per ottenere una certa forma bisogna usare un determinato processo e viceversa.

Oppure con una determinata forma il nostro oggetto potrà rispondere soltanto ad una determinata funzione.

Questi quattro blocchi quindi dobbiamo vederli in una stretta interazione tra loro fermo restando che per poter capire come interagiscono dobbiamo aver chiaro ciascun blocco.

Quindi più la progettazione è sofisticata e più le specifiche diventano rigorose e numerose risultano essere le interazioni da studiare.

Nello specifico nel momento in cui dobbiamo scegliere un materiale e quindi => scegliere la forma che meglio si presta a quel componente per sfruttare a pieno un materiale o viceversa abbiamo la necessità di comprendere quelle che sono le forme più idonee dobbiamo anche fare i conti con quelli che sono i processi che possiamo introdurre.

Guardando la forma, dobbiamo sempre distinguere un aspetto esterno e un aspetto interno del nostro materiale ossia la:

• Macro-forma importante perché per chi conosce come si comporta un materiale quando viene sollecitato possiamo già capire se quel tipo di forma potrà essere o meno realizzata con un determinato materiale;
• Micro-forma: la struttura interna del materiale e soprattutto quella che è la struttura a livello atomico del materiale;

Per conferire una determinata forma abbiamo la necessità di andare a lavorare il nostro materiale e in particolare abbiamo la necessità quindi di adottare degli specifici processi e in questo caso ovviamente abbiamo una duplice possibilità:

Avere la libertà di poter scegliere tra i processi quello più idoneo per lavorare quel materiale a cui conferire quella determinata forma; non sempre possiamo ricorrere a processi exnovo perché ovviamente significa fare degli investimenti.

Processi porremo la nostra attenzione su quella che è tutta la fase della fabbricazione, il manufacturing, cioè processi di:

• Formatura al grezzo;
• Asportazione di materiale;
• Giunzione;
• Adduzione di materiale;

Quattro voci: funzione, forma, processo e materiale:

Nel momento in cui dobbiamo occuparci della scelta dei materiali dobbiamo sicuramente avere una conoscenza di quelle che sono le caratteristiche di base del materiale per capire come esso si comporta a livello più elevate e quali possono essere le applicazioni a quel tipo di materiale potrà rispondere in maniera ottimale.

Pertanto, a questo riguardo, dobbiamo fare una distinzione:

• La scienza dei materiali riguarda prevalentemente quella che è la conoscenza di base della struttura interna del materiale, le proprietà dei materiali e le proprietà dei metodi di lavorazione dei materiali stessi;
• La tecnologia dei materiali ovvero la conoscenza di base dei materiali però andandola poi ad applicarla per comprendere come i materiali possano rispondere a determinate sollecitazioni e con l'obiettivo di poter andare poi a trasformare questi materiali nei componenti che servono.

Sarebbe mettere insieme queste due cose, quindi, mettere insieme la scienza e la tecnologia dei materiali per avere un quadro molto più completo tra quella che è la conoscenza di base è quella che è la conoscenza applicata.

Materiali

I materiali sono suddivisi in cinque macro-famiglie che vanno dai metalli ai polimeri elastomeri ai vetri ceramici:

Come viene fatta questa classificazione?

Viene fatta mettendo all'interno è di ciascuna macro-famiglia tutti quei materiali che di base partono da componenti proprietà e principi di fabbricazione comuni; ma soprattutto l'idea di queste macro-famiglie è quelle di riuscire ad avere un insieme di materiali caratterizzati comunque di base da alcune caratteristiche comuni che possono eventualmente cambiare come entità numerica ma che da un punto di vista di principio di base in realtà sono comuni a tutti gli elementi.

In particolare, guardando questa ripartizione dobbiamo evidenziare anche un altro concetto ovvero quando abbiamo a che fare con i materiali, con i processi di lavorazione, di controllo e quindi sia in fase produttiva che ispettiva dobbiamo sicuramente fare i conti con alcuni aspetti legati al mondo delle certificazioni.

Molto spesso ci viene richiesto di utilizzare delle figure qualificate per effettuare una determinata lavorazione utilizzando processi qualificati.

Cosa si intende per processo qualificato?

È un processo che in qualche modo viene certificato nei termini di garantire quello che è il risultato ottenibile quando andiamo ad imporre le condizioni di partenza o i parametri di processo e di lavorazione in un determinato modo; il che significa dire che qualificare un processo significa in parole povere garantire che impostati i parametri su determinati livelli il risultato ottenibile è un risultato specifico.

Però avere un processo qualificato non garantisce al 100% l'ottenimento di quelle specifiche perché avere un processo qualificato è una condizione necessaria ma non sufficiente; ovvero, abbiamo tutte le condizioni per poter garantire che il nostro processo possa definire quel risultato però se dovessimo decidere di utilizzare male il processo, di approcciarlo non correttamente, esso non potrebbe ovviamente garantirci quel risultato.

Un processo che in qualche modo e sotto controllo se utilizzato correttamente ci fornisce il risultato atteso viceversa se processo è fuori controllo cioè noi modifichiamo i parametri ma non sappiamo come andiamo incidere sul risultato in uscita, ovviamente, questo ci crea dei problemi in più. Ci vengono richieste le figure qualificate che sono degli operatori che mettono le loro mani su questi processi, tanto nel caso di processi strettamente manuali quanto nel caso di processi che possono essere più automatici e quindi viene chiesta una certificazione di quelle che sono le competenze dell'operatore affinché si possa essere garantiti nel fatto che lì dove l'operatore realizzi correttamente il proprio lavoro e utilizzi correttamente un processo qualificato si ottenga il risultato atteso.

Siccome però dobbiamo comunque mettere in conto che ci possono essere delle situazioni non previste, delle situazioni che magari richiedono una gestione differente rispetto a quella ipotizzata e si possono verificare delle anomalie nel processo lavorativo non è detto che sia garantito al 100% un determinato risultato ecco perché sono previsti una serie di controlli che necessariamente devono essere effettuati o durante la lavorazione stessa in degli step precisi o a valle della lavorazione per verificare se effettivamente i nostri manufatti rispondano a quelle che sono le specifiche richieste.

Ciascuna di queste macroaree è caratterizzata da caratteristiche comuni e sicuramente sono caratteristiche che presenteranno degli aspetti positivi ma anche gli aspetti negativi che in qualche modo andranno poi a definire quelle che potranno essere le applicazioni da fare, le applicazioni magari da evitare o le applicazioni nelle quali dover porre maggiore attenzione per poter magari limitare ciò che di negativo ci può essere e che privilegia invece il positivo.

Vi è poi la possibilità di andare a mettere insieme più materiali appartenenti a differenti macro-famiglie per provare a realizzare dei materiali che non appartengono a nessuno di queste cinque ma appartengono ad una ulteriore macro-famiglia definita quella dei materiali ibridi.

In essi troviamo sicuramente materiali che mettendo insieme di quelli appartenenti alle 5 macro-famiglie principali tendono, perché ovviamente li vado a fabbricare con quella finalità, a esaltare le caratteristiche positive dei materiali che gli costituiscono e limitare gli aspetti negativi dei materiali stessi. Quindi in questo modo io cerco di combinare materiali tra loro per creare dei materiali nuovi che presentino determinate caratteristiche proprie partendo dall'idea di massimizzare il positivo e minimizzare il negativo di ciascun compon