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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Candidato: R. Recchia

Relatori: M. Delogu, F. Del Pero 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 G ................................................................................................................. 8

ENERALITÀ

2.2 C ....................................................................... 9

LASSIFICAZIONE IN BASE ALLA RESISTENZA

2.2.1 Compositi particellari ................................................................................................ 10

2.2.2 Compositi fibro-rinforzati .......................................................................................... 11

2.2.3 Compositi strutturali ................................................................................................. 13

2.3 C .................................................................. 14

LASSIFICAZIONE IN BASE AL TIPO DI MATRICE

2.3.1 Compositi polimerici ................................................................................................. 15

2.3.2 Compositi metallici .................................................................................................... 16

2.3.3 Compositi ceramici .................................................................................................... 16

2.4 G .............................................................................................. 17

ENERALITÀ SULLE FIBRE

2.5 P ............................................................................ 23

ROCESSI PRODUTTIVI DEI COMPOSITI

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 C ............................................................................................................ 30

ENNI STORICI

3.2 V ............................................................................................ 31

ANTAGGI E APPLICAZIONI

3.3 S ................................................................................ 33

VANTAGGI E PROSPETTIVE FUTURE

4 MATERIALI COMPOSITI E LIGHTWEIGHTING NEL SETTORE AERONAUTICO ............... 35

4.1 C ............................................................................................................ 35

ENNI STORICI

4.2 V ............................................................................................ 36

ANTAGGI E APPLICAZIONI

4.3 S ................................................................................ 38

VANTAGGI E PROSPETTIVE FUTURE

5 MATERIALI COMPOSITI E LIGHTWEIGHTING NEL SETTORE AUTOMOBILISTICO ......... 40

5.1 S ’ ................................................ 41

TORIA DEI COMPOSITI NELL INDUSTRIA AUTOMOBILISTICA

5.2 F ...................................................... 44

IBRE DI VETRO ED UTILIZZI NEL SETTORE AUTOMOTIVE

5.3 F ......................................... 49

IBRE DI CARBONIO E LORO UTILIZZO NEL SETTORE AUTOMOTIVE

5.4 F ............................................. 56

IBRE NATURALI E LORO UTILIZZO NEL SETTORE AUTOMOTIVE

6 CONCLUSIONI E PREVISIONI FUTURE ...................................................................... 60

7 BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................... 63

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Introduzione

1 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 aereonautico 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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I materiali compositi

2 Generalità

2.1 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 al

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,

aereospaziale, 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].

Classificazione in base alla resistenza

2.2 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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Compositi particellari

2.2.1

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

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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].

Compositi fibro-rinforzati

2.2.2

I materiali compositi fibro-rinfo