Lightweighting nell'industria automobilistica: impiego dei materiali compositi

Scuola di Ingegneria

Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Meccanica

Lightweighting nell’industria automobilistica: impiego dei materiali compositi

Il Candidato: Roberto Recchia

Relatori: Prof. Ing. Massimo Delogu

Correlatori: Dott. Ing. Francesco Del Pero

Sommario

La seguente trattazione ha come scopo quello di analizzare, tramite una ricerca dello stato dell’arte presente in letteratura, gli impieghi dei vari tipi di materiali compositi nel settore dei trasporti in fase di alleggerimento, dando priorità a quello automobilistico.

La ricerca si focalizza su documenti e articoli scritti negli ultimi dieci anni, in modo da non disperdere eccessivamente i dati. Nella fase conclusiva vengono evidenziati i risultati della ricerca tramite un’analisi del trend sulle applicazioni e le problematiche dei compositi nei settori sopra citati.

Attraverso il trend ricavato viene quindi accennata una previsione sul futuro dei suddetti materiali nel settore automotive.

Firenze, 11.04.2018

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Candidato: R. Recchia

Relatori: M. Delogu, F. Del Pero

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A mia madre e a mio nonno, che mi sono stati vicini in ogni fase di questo percorso così come sono sempre presenti nella mia vita.

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Indice

• Sommario: ............................................................................................................... 1
• 1 Introduzione ....................................................................................................... 3
• 2 I materiali compositi .......................................................................................... 8
• 2.1 Generalità ......................................................................................................... 8
• 2.2 Classificazione in base alla resistenza ............................................................... 9
• 2.2.1 Compositi particellari ................................................................................................ 10
• 2.2.2 Compositi fibro-rinforzati .......................................................................................... 11
• 2.2.3 Compositi strutturali ................................................................................................. 13
• 2.3 Classificazione in base al tipo di matrice .......................................................... 14
• 2.3.1 Compositi polimerici ................................................................................................. 15
• 2.3.2 Compositi metallici .................................................................................................... 16
• 2.3.3 Compositi ceramici .................................................................................................... 16
• 2.4 Generalità sulle fibre ....................................................................................... 17
• 2.5 Processi produttivi dei compositi ..................................................................... 23
• 2.5.1 Tecnologie manuali o semi-automatizzate ................................................................ 24
• 2.5.2 Tecnologie automatizzate .......................................................................................... 26
• 3 Materiali compositi e lightweighting nel settore nautico ................................. 30
• 3.1 Cenni storici .................................................................................................... 30
• 3.2 Vantaggi e applicazioni .................................................................................... 31
• 3.3 Svantaggi e prospettive future ......................................................................... 33
• 4 Materiali compositi e lightweighting nel settore aeronautico .......................... 35
• 4.1 Cenni storici .................................................................................................... 35
• 4.2 Vantaggi e applicazioni .................................................................................... 36
• 4.3 Svantaggi e prospettive future ......................................................................... 38
• 5 Materiali compositi e lightweighting nel settore automobilistico ..................... 40
• 5.1 Storia dei compositi nell’industria automobilistica ......................................... 41
• 5.2 Fibre di vetro ed utilizzi nel settore automotive .............................................. 44
• 5.3 Fibre di carbonio e loro utilizzo nel settore automotive .................................. 49
• 5.4 Fibre naturali e loro utilizzo nel settore automotive ........................................ 56
• 6 Conclusioni e previsioni future ......................................................................... 60
• 7 Bibliografia ....................................................................................................... 63

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1 Introduzione

L’industria dei trasporti investe da sempre nella ricerca di nuovi materiali e nuove tecnologie di sviluppo al fine di ottimizzare i prodotti già esistenti e progettarne di nuovi. Il miglioramento delle prestazioni, la riduzione del peso, dell’impatto ambientale e dei costi sono al centro dell’attenzione delle aziende ormai da anni.

Con questo elaborato si è voluto effettuare una ricerca sullo stato attuale degli studi sull’alleggerimento nei trasporti, e in specifico nel settore automobilistico. Viene messo in primo piano l’alleggerimento in quanto questo è legato all’impatto ambientale e alle prestazioni dei vari mezzi.

Tra tutti i materiali che permettono una riduzione di peso, la trattazione si concentra sui compositi, analizzandone le varie tipologie, applicazioni e problematiche che seguono il loro utilizzo.

Per la ricerca bibliografica, necessaria ad affrontare i vari capitoli del seguente elaborato, è stato fatto uso di banche dati online come Science Direct e Scopus. La ricerca online è sempre stata anticipata da una scelta delle parole chiave che ha permesso di restringere il campo dei testi scientifici utili; successivamente sono stati analizzati gli Abstract degli articoli più inerenti al fine di scremarli ulteriormente.

Sono stati analizzati più di cento testi al fine di poter definire un trend più attendibile possibile.

Per la completa comprensione dello stato dell’arte inerente all’alleggerimento nel settore automotive viene inizialmente introdotto il concetto di materiale composito, di fibra e di matrice, analizzando poi in dettaglio anche i comuni rinforzi impiegati.

Vengono quindi catalogate le varie tipologie di compositi utilizzati in funzione della resistenza che garantiscono e in funzione del tipo di matrice scelta. L’introduzione generale si conclude con la descrizione dei principali metodi di fabbricazione, distinguendo tra processi manuali e automatizzati.

Il passo successivo è quello di fornire un’infarinatura generale sul lightweighting nel settore nautico ed aeronautico al fine di avere una visione più generale possibile su tale applicazione.

Si procede con l’argomento centrale della tesi, in cui inizialmente verranno descritti gli avvenimenti chiave che hanno permesso ai compositi di affermarsi nel settore automotive. Successivamente verranno analizzate le tre tipologie di fibre maggiormente usate in questo campo prestando attenzione ai pregi e ai difetti che le possibili scelte comportano dando anche uno sguardo agli sviluppi futuri.

Nelle conclusioni finali è stato definito un andamento sull’interesse che hanno mostrato le aziende dei trasporti riguardo alle applicazioni dei compositi in termini di alleggerimento. In particolare, è stato messo al centro dell’indagine il settore automobilistico.

Gli andamenti analizzati sono stati ricavati con l’ausilio del software Excel, in cui sono stati inseriti i vari articoli in base all’argomento che trattavano al fine di ottenere i grafici necessari alla definizione del trend. In seguito, è stata presentata una previsione su quelle che possono essere le scelte future delle aziende nel settore automobilistico, basandosi sui risultati precedentemente ottenuti.

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2 I materiali compositi

2.1 Generalità

I primi utilizzi dei materiali compositi risalgono all’antichità dove era uso miscelare della paglia all’argilla per ottenere mattoni più resistenti rispetto a quelli composti dal solo fango. L’avvento dei compositi come categoria di materiali a sé stante inizia alla metà del ventesimo secolo con la produzione di materiali multifasici come i polimeri rinforzati con fibre di vetro [41].

Un composito è un materiale ottenuto artificialmente tramite la combinazione di due o più fasi, differenti in termini di forma e/o composizione chimico-fisica, al fine di ottenere un miglioramento delle proprietà rispetto ai singoli costituenti.

I materiali compositi si distinguono dalle leghe metalliche in quanto, oltre ad avere una combinazione di materiali chimicamente differenti, questi possono essere identificati a livello macroscopico; non ho dunque dissolvenza o fusione completa di uno nell’altro [4]. La combinazione così ottenuta può vantare proprietà non riscontrabili nei singoli materiali che la compongono.

I materiali che compongono il composito vengono definiti costituenti o fasi. La maggior parte dei compositi sono formati da due fasi soltanto:

• Il legante o matrice, cioè il costituente continuo che ha il compito di contenere il rinforzo trasferendogli il carico esterno e proteggendolo dai fattori ambientali e dall’usura.
• Il materiale di rinforzo o fase dispersa, il quale viene aggiunto all’interno della matrice sotto forma di fibre o particelle.

Figura 2.1 Struttura composito.

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Le proprietà finali del composito dipendono fortemente da quelle dei costituenti, dalle loro quantità relative e dalla geometria delle fasi disperse (forma, dimensione, distribuzione ed orientazione della fase dispersa all’interno della matrice) come è possibile vedere in Figura 2.1.

I compositi trovano largo utilizzo nel settore aeronautico, aerospaziale, navale ed automobilistico poiché, grazie alle varie combinazioni dei costituenti, si riesce ad ottenere proprietà fondamentali per l’ingegneria come un alto rapporto resistenza/peso o un adeguato isolamento termico ed elettrico o ancora una buona resistenza alla corrosione e agli agenti chimici [2].

2.2 Classificazione in base alla resistenza

La classificazione dei materiali compositi viene effettuata suddividendoli in funzione alla caratteristica di resistenza meccanica (massimo sforzo che un generico materiale è in grado di sopportare prima che sopraggiunga la sua rottura), in quanto strettamente legata alla forma e all’orientamento della fase dispersa.

Figura 2.2 Classificazione schematica dei materiali compositi.

Come da Figura 2.2 vengono previsti tre suddivisioni principali, rappresentate dai compositi rinforzati con particelle, compositi fibro-rinforzati e compositi strutturali.

Nel caso dei particellari la fase dispersa risulta equiassiale (dimensioni particelle uguali in tutte le direzioni), nei fibro-rinforzati invece la fase dispersa presenta un elevato rapporto lunghezza-diametro, mentre la categoria degli strutturali indica quelli ottenuti come combinazione di materiali compositi e materiali omogenei [41].

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2.2.1 Compositi particellari

Nei compositi particellari vengono sfruttate delle particelle di dimensioni variabili per migliorare la resistenza all’usura, la durezza superficiale, le dilatazioni termiche e la lavorabilità.

La presenza del rinforzo sferico di elevata durezza in una matrice fragile può generare una concentrazione locale delle tensioni compromettendo la resistenza meccanica del composito.

Come da Figura 2.2 il gruppo dei particellari può essere ulteriormente suddiviso in due sottoclassi che distinguono le grandi particelle dalle piccole. La classe dei rinforzati con particelle di grandi dimensioni viene trattata su scala macroscopica e le relative interazioni matrice-rinforzo studiate tramite la meccanica del continuo.

È di uso comune scegliere un rinforzo più duro e rigido della matrice, il quale avrà lo scopo di limitare i movimenti di quest’ultima in prossimità di ogni particella; la matrice ha dunque lo scopo di trasferire una parte dello sforzo a cui è sottoposta alle particelle.

Il miglioramento delle proprietà meccaniche dipende dunque dalla forma del legame presente all’interfaccia tra matrice e rinforzo. Le particelle, oltre ad avere le medesime dimensioni lungo tutte le direzioni devono essere omogeneamente distribuite in tutta la matrice.

È quindi utile definire la frazione volumetrica del particolato come il rapporto tra il volume della fase dispersa e quello del composito (matrice e fase dispersa). Le frazioni volumetriche delle due fasi influenzano il comportamento del composito le cui proprietà meccaniche migliorano con il tenore di particolato; per valutarne l’influenza sul modulo elastico di un composito viene usata la regola delle miscele.

Si prevede dunque un valore di modulo elastico compreso fra un limite superiore ed uno inferiore [2].

() () () = ∗ + ∗ ∗ () = ∗ + ∗

Tutte e tre le classi di materiali, cioè metalli, polimeri e ceramici possono formare compositi rinforzati con grandi particelle se combinati tra loro.

Un esempio è il “cermet” nel quale trovo particelle estremamente dure di carburo di titanio o carburo di tungsteno immerse in una matrice metallica di nichel. Questa categoria è sfruttata negli utensili da taglio per acciai induriti in quanto le particelle dure costituiscono un’ottima superficie di taglio e, grazie alla matrice metallica, riescono anche a sopportare gli stress indotti dalla lavorazione che altrimenti porterebbe le sfere a rottura fragile.

Nel caso dei rinforzati con particelle disperse l’interazione tra matrice e rinforzo avviene al livello atomico o molecolare. I diametri delle particelle vanno dai 10 ai 100nm [6].

Nonostante la matrice sopporti gran parte del carico, la polvere particellare al suo interno è in grado di limitare o impedire il movimento di eventuali dislocazioni ottenendo un composito con una deformabilità plastica più bassa e quindi miglior durezza e sforzo di snervamento.

Un esempio di utilizzo di particellato fine è il “nerofumo” nel quale si hanno particelle di carbonio molto piccole (20 – 50[nm]) e poco costose aggiunte alla gomma vulcanizzata. Gli pneumatici delle vetture contengono fino al 30% in volume di nerofumo.

Le gomme che ne risultano migliorano la resistenza al taglio, all’abrasione ed hanno un valore più alto di sforzo di rottura. Esistono compositi particellari che sfruttano un particolato sia di grosse che di piccole dimensioni; questo è il caso del “calcestruzzo di cemento Portland”.

I principali ingredienti per questo composito sono il cemento Portland in cui aggrego la sabbia (rinforzo fine), la ghiaia (rinforzo grossolano) e l’acqua. L’utilizzo di due aggregati di granulometrie diverse permette di raggiungere una buona densità di impacchettamento e buoni contatti interfacciali in quanto le particelle fini riescono a colmare i vuoti presenti tra le particelle di ghiaia.

Le quantità di cemento ed acqua dovranno essere scelte in modo tale da circondare tutto il particolato così da ottenere un effetto legante completo [2].

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2.2.2 Compositi fibro-rinforzati

I materiali compositi fibro-rinfo