Progetto concettuale di un sedile in materiali compositi per veicoli solari

Il seguente elaborato è la conclusione dell'esperienza di tesi volta alla progettazione di componenti, nello specifico sedili e punti di ancoraggio per le cinture di sicurezza, per il cruiser Emilia 4, veicolo solare che gareggerà con le più importanti università mondiali nella 2017 World Solar Challenge in Australia. L'attività compiuta risulta essere il punto di arrivo dell'ottimizzazione strutturale degli elementi, attribuendo fondamentale importanza al peso delle strutture; l'obiettivo è stato raggiunto mediante l'adozione della fibra di carbonio, nel rispetto del regolamento della corsa e delle norme stradali australiane. Gran parte delle attività sono state svolte a Castel San Pietro nell'azienda Metal Tig, impresa specializzata nella lavorazione dei laminati in composito; qui si sono tenute riunioni settimanali per discutere dei progressi del progetto e delle modifiche da apportare. Il lavoro di tesi si conclude con la quarta revisione dei componenti affidatomi: essa probabilmente non sarà la versione definitiva, ma sicuramente sarà un punto di riferimento per i prossimi progettisti impegnati nell'impresa.

Applicazione della tecnica "incremental hole drilling" su materiali compositi

Durante la vita operativa di un aeromobile, gli elementi costitutivi possono essere soggetti a diverse tipologie di carichi. Questi carichi possono provocare la nascita e la propagazione di eventuali cricche, le quali una volta raggiunta una determinata dimensione possono portare alla rottura del componente stesso causando gravi incidenti. A tale proposito, la fatica costituisce uno dei fattori principali di rottura delle strutture aeronautiche. Lo studio e l’applicazione dei principi di fatica sugli aeroplani sono relativamente recenti, in quanto inizialmente gli aerei erano realizzati in tela e legno, un materiale che non soffre di fatica e assorbe le vibrazioni. I materiali aeronautici si sono evoluti nel tempo fino ad arrivare all’impiego dei materiali compositi per la costruzione degli aeromobili, nel 21. secolo. Il legame tra nascita/propagazione delle cricche e le tensioni residue ha portato allo sviluppo di numerose tecniche per la misurazione di queste ultime, con il fine di contrastare il fenomeno di rottura a fatica. Per la misurazione delle tensioni residue nei componenti metallici esistono diverse normative di riferimento, al contrario, per i materiali compositi, la normativa di riferimento è tuttora oggetto di studio. Lo scopo di questa tesi è quello di realizzare una ricerca e studiare dei metodi di riferimento per la misurazione delle tensioni residue nei laminati compositi, tramite l’approfondimento di una tecnica di misurazione delle tensioni residue, denominata Incremental Hole Drilling.

Ricerca di un diluente reattivo alternativo allo stirene in resine uretano-acrilato per la fabbricazione di materiali compositi

In questo elaborato è presentato uno studio che riguarda lo sviluppo di nuovi materiali compositi fibro-rinforzati a matrice uretano-acrilato termoindurente. Lo studio è basato sulla ricerca di un diluente reattivo alternativo a stirene e vinil toluene, attualmente utilizzati in industria, in grado di migliorare l’aspetto di sicurezza e pericolosità legato alla manipolazione e all’utilizzo dei diluenti, mantenendo o migliorando le proprietà finali della resina. I diluenti selezionati sono circa 30, in base a indicazioni di pericolo EH&S, proprietà chimico fisiche, funzionalità e odore. Sono stati caratterizzati sia i diluenti reattivi puri che i rispettivi formulati uretano acrilato formati da resina addizionata di diluente reattivo. Le proprietà studiate sono state: reattività e comportamento reologico (viscosità e gel time), temperatura di transizione vetrosa (Tg), assorbimento d’acqua, ritiro volumetrico e proprietà meccaniche di resistenza a flessione (3-point bending) e impatto (Charpy). Sulla base dei risultati di screening, sono stati selezionati i diluenti reattivi più performanti e sono stati utilizzati per creare materiali compositi a matrice uretan acrilato rinforzati con fibra di vetro unidirezionale, ottenuti con tecnica di infusione sotto vuoto. Infine sono state caratterizzate le proprietà dei materiali compositi per valutarne la resistenza a flessione, a trazione, all’impatto, l’interlaminar shear strenght (ILSS) e l’assorbimento d’acqua.

Valutazione dell’adenina come indurente da fonte rinnovabile per resine epossidiche commerciali e per la produzione di materiali compositi

Le resine più utilizzate industrialmente per la produzione di materiali compositi sono quelle epossidiche a base di diglicidil etere del bisfenolo A. Tipicamente, a livello industriale vengono utilizzate diammine sintetizzate da precursori tossici per l’ambiente e per l’uomo. Prendendo atto dell’intrinseca pericolosità di questi sistemi, sono state valutate delle alternative per rendere il processo di produzione dei materiali compositi più sostenibile e sensibile verso l’ambiente e la salute degli operatori. Questo progetto di tesi di laurea sperimentale è il proseguimento di un lavoro precedentemente svolto dal gruppo di ricerca che ha individuato l’adenina come un’alternativa non tossica e bio-based agli attuali agenti reticolanti. Nel presente lavoro di tesi, sono stati effettuati studi di formulazione e reticolazione dell’adenina con resine epossidiche commerciali da infusione e da impregnazione già utilizzate a livello industriale. L’obbiettivò è stato quello di ottenere formulati di resina e adenina capaci di dare un prodotto completamente reticolato, utilizzabile commercialmente e con elevati valori di Tg. Le formulazioni più promettenti così ottenute per ogni tipo di resina sono state utilizzate insieme a fibre di carbonio (vergini e riciclate), fibre di lino e di juta per la produzione di materiali compositi a fibra corta. Le formulazioni di resina e i compositi ottenuti sono stati caratterizzati mediante Analisi Termogravimetrica (TGA), Calorimetria Differenziale a Scansione (DSC) e Analisi Dinamico Meccanica (DMA).

Studio dell’adenina come indurente per resine epossidiche e produzione di materiali compositi da fonti rinnovabili

A causa di una maggiore preoccupazione ambientale, la ricerca si sta muovendo verso lo sviluppo di nuovi prodotti bio-based. Il progetto è stato incentrato sulla possibilità di produrre materiali compositi utilizzando un sistema resina-indurente interamente ottenuto da fonti rinnovabili con fibre naturali totalmente green e sintetiche. In particolare, è stata studiata la possibilità di utilizzare l’adenina, una molecola atossica e derivante da fonte rinnovabile, per la produzione di compositi con fibre di lino, juta, carbonio vergine e riciclato con resina epossidica da fonte bio. In particolare è stato ottimizzato il ciclo di cura e sono state caratterizzate le proprietà termiche e meccaniche dei materiali prodotti mediante analisi DSC (Differential Scanning Calorimetry), DMA (Dynamic Mechanical Analysis) e TGA (Termo-Gravimetric-Analysis). Per comprendere meglio la reticolazione delle resine epossidiche, si è studiato il meccanismo di reazione tra l’adenina e un precursore epossidico attraverso spettroscopia 1H-NMR (Nuclear Magnetic Resonance).

Processi ed innovazioni nel settore delle tecnologie out of autoclave per materiali compositi

Visto il crescente interesse nei confronti dei materiali compositi, per le numerose applicazioni e i vantaggi che offrono, stanno conoscendo notevole sviluppo le tecnologie Out of Autoclave (OoA). Esse sono alternative all'autoclave, che richiede tempi, costi e risorse maggiori, nonché ha una minore flessibilità. Le tecnologie OoA, invece, sono più rapide e meno costose, e stanno raggiungendo livelli di qualità e prestazioni molto vicini a quelli dell'autoclave. Questo elaborato presenta alcune delle innovazioni di maggior interesse, raggruppate per settori: processi, materiali e strutture dei laminati.

Analisi del comportamento a fatica di un laminato al variare della sequenza di impilamento e delle dimensioni

I materiali compositi rivestono un ruolo fondamentale nell’industria aeronautica e nel settore delle competizioni automobilistiche. La possibilità di progettare i materiali in funzione della loro applicazione permette una crescente diffusione del loro utilizzo, e l’ampliamento delle applicazioni a moltissimi altri settori, sia per componenti di tipo strutturale, sia di tipo estetico. Nonostante la quantità di studi sul comportamento a fatica dei compositi, non sono ancora presenti risultati attendibili per la previsione della resistenza e della vita a fatica in relazione ad un determinato tipo di sollecitazione; non almeno a livello dei materiali tradizionali. L’obiettivo della tesi è indagare eventuali variazioni del comportamento a fatica di un laminato in CFRP in relazione al variare di parametri quali dimensioni e sequenza di impilamento delle ply. Per tale scopo sono state realizzate delle prove per il calcolo del comportamento a fatica, in particolare prove di flessione in 3 punti, e si sono poi confrontati tra loro i risultati sperimentali e correlati al variare dei parametri di interesse.

Modelling and Verification of a Correction Factor to Evaluate the Efficiency of Solar Thermal Collectors with the Rapid Test Method

A new method for the evaluation of the efficiency of parabolic trough collectors, called Rapid Test Method, is investigated at the Solar Institut Jülich. The basic concept is to carry out measurements under stagnation conditions. This allows a fast and inexpensive process due to the fact that no working fluid is required. With this approach, the temperature reached by the inner wall of the receiver is assumed to be the stagnation temperature and hence the average temperature inside the collector. This leads to a systematic error which can be rectified through the introduction of a correction factor. A model of the collector is simulated with COMSOL Multipyisics to study the size of the correction factor depending on collector geometry and working conditions. The resulting values are compared with experimental data obtained at a test rig at the Solar Institut Jülich. These results do not match with the simulated ones. Consequentially, it was not pos-sible to verify the model. The reliability of both the model with COMSOL Multiphysics and of the measurements are analysed. The influence of the correction factor on the rapid test method is also studied, as well as the possibility of neglecting it by measuring the receiver’s inner wall temperature where it receives the least amount of solar rays. The last two chapters analyse the specific heat capacity as a function of pressure and tem-perature and present some considerations about the uncertainties on the efficiency curve obtained with the Rapid Test Method.

Studio dell’effetto di cicli termici su materiali CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) attraverso prove di caratterizzazione statica

L’intento di questa tesi è fornire un andamento di alcune proprietà dei materiali compositi in fibra di carbonio, CFRP, utilizzati soprattutto nell’ambito aeronautico e navale, esposti quindi a condizioni ambientali specifiche di variazione ciclica della temperatura. Lo studio è effettuato sulle prove di caratterizzazione statica, di compressione, flessione in tre punti e taglio interlaminare, che generano risultati sulla resistenza delle fibre e della matrice e sul modulo elastico a compressione e trazione del composito.

Applicazione di reticoli di Bragg "chirped" per il monitoraggio strutturale di laminati CFRP

L’uso dei materiali compositi è andato aumentando negli ultimi decenni per la loro elevata rigidezza, la resistenza specifica e il possibile risparmio, notevole in termini di peso dell’intera struttura. Tali materiali introducono però nuove problematiche riguardanti le modalità di danneggiamento e il comportamento a fatica. Mentre questi fenomeni sono relativamente ben compresi nei materiali metallici, per una struttura in composito non esistono ancora modelli in grado di predire con sufficiente affidabilità l’evoluzione del danneggiamento. Negli ultimi anni la ricerca si è focalizzata sullo sviluppo di sistemi in grado di rilevare la presenza e l’evoluzione del danno, definiti Structural Health Monitoring Systems, ovvero sistemi di monitoraggio strutturale. Il danneggiamento strutturale può così essere individuato e identificato per mezzo di sensori distribuiti integrati nella struttura stessa, aventi la possibilità di trasmettere queste informazioni a un sistema di analisi esterno permettendo di valutare lo stato di degrado della struttura in tempo reale. In questo contesto si inseriscono le attività di ricerca sulle strutture intelligenti che, inglobando al loro interno opportune tipologie di sensori e attuatori, sono in grado di monitorare l’ambiente fisico operativo, raccoglierne e interpretarne le informazioni per poi rispondere ai cambiamenti della struttura in modo appropriato attraverso gli attuatori. L’impiego di sensori e attuatori inglobati nelle strutture offre molteplici vantaggi rispetto ai sistemi di trasduzione e attuazione convenzionali. L’attività di ricerca condotta in questa tesi è rivolta all’indagine di tecniche di SHM per mezzo di sensori a fibra ottica. Essi presentano molteplici peculiarità che li rendono i candidati ideali per queste applicazioni. Esistono diversi tipi di sensori che utilizzano le fibre ottiche. Nel presente lavoro si sono utilizzati sensori di deformazione basati sui reticoli di Bragg (FBG) chirped. Questi sensori sono costituiti da un reticolo inscritto all’interno della fibra, che ha l’effetto di riflettere solo alcune lunghezze d’onda della luce incidente. Se le proprietà geometriche del reticolo cambiano per effetto di una deformazione, cambia anche la forma dello spettro riflesso. Inoltre, con il tipo di sensore usato, è possibile correlare lo spettro con la posizione di eventuali danneggiamenti interni al materiale. Gli obbiettivi di questa ricerca sono di verificare gli effetti della presenza di una fibra ottica sulle caratteristiche meccaniche di un laminato e di trovare un legame tra la risposta in frequenza del sensore FBG e lo stato tensionale e il grado di danneggiamento di un componente in composito.

Analisi di sensibilità della grammatura sulla vita a fatica di un laminato in CFRP

In letteratura sono presenti numerosi studi che descrivono i fattori che influenzano la vita a fatica di un laminato in CFRP e le modalità di propagazione ed accrescimento a fatica di un difetto. Tuttavia non sono presenti studi approfonditi che leghino l’effetto che può avere la grammatura, sulla vita a fatica del laminato. Il lavoro sperimentale oggetto di questa tesi vuole intendersi un lavoro preliminare, a carattere esplorativo, sullo studio della sensibilità della grammatura sulla resistenza a fatica di laminati in CFRP, attraverso test di flessione a fatica su due configurazioni di provini di grammature differenti (600 e 800 gr/m^2), con e senza inserimento di un difetto artificiale rappresentato da un intaglio sugli ultimi strati del laminato e test di flessione eseguito in accordo allo standard ASTM D2344/D2344M. I test a fatica hanno evidenziato una sensibile riduzione della vita per i provini senza difetto realizzati con l’800 gr/m^2 rispetto a quelli realizzati con il 600 gr/m^2. Per quanto concerne la tolleranza al danno, i provini realizzati con 600 gr/m^2 hanno evidenziato una sensibilità maggiore all’effetto di intaglio, pur avendo un comportamento migliore rispetto a quelli realizzati con l’800 gr/m^2.

Valutazione degli effetti di invecchiamento termico su laminati in CFRP

Valutazione degli effetti ambientali sulle caratteristiche meccaniche di materiali compositi avanzati. Laminati in fibra di carbonio e resina epossidica, sottoposti a cicli termici, sono stati analizzati per determinare le resistenze strutturali degli stessi. I valori ottenuti sono stati comparati con materiale non invecchiato.

Recupero di fibre di carbonio mediante pirogassificazione per la realizzazione di materiali di seconda generazione verso un modello di economia circolare

Lo scopo del presente elaborato di tesi è quello di ottimizzare il recupero, tramite pirogassificazione, delle fibre di carbonio derivanti da scarti e rifiuti di materiali compositi. Inoltre è stato valutato il riutilizzo delle fibre di carbonio riciclate per la produzione di materiali compositi di seconda generazione. Sono stati investigati diversi agenti di sizing per valutare un eventuale miglioramento dell'adesione fibra-matrice. Sulle singole fibre di carbonio riciclate è stata effettuata la caratterizzazione meccanica (prove a trazione) e morfologica (SEM). Inoltre, i materiali compositi realizzati sono stati caratterizzati meccanicamente (prove a trazione, a flessione e DMA), termicamente (TGA, DSC) e morfologicamente (SEM).

Studio e validazione sperimentale di componenti in materiale composito avanzato ottenuto da materiale di riciclo

I materiali compositi a matrice polimerica rinforzati con fibra di carbonio (CFRP) si stanno sviluppando in maniera esponenziale negli ultimi anni, con una crescita del 20 – 25% annua, tanto che si prevede una domanda di circa 194.000 tonnellate entro il 2022 per cui è evidente che negli anni a venire dovranno essere smaltiti diversi rifiuti realizzati con tale materiale. Lo stato attuale relativo al riciclo dei CFRP prevede, per la maggior parte di essi, di essere conferiti in discarica o inviati all’inceneritore per ottenere un recupero energetico grazie alla presenza della matrice a base polimerica ma questo non consente il recupero della fibra per cui non è una tecnica che sfrutta l’alto valore del rifiuto. È proprio per questo motivo che si stanno sviluppando diverse metodologie di riciclo dei materiali compositi fibro – rinforzati nell’ottica dell’economia circolare, in particolare, si distinguono in riciclo meccanico, termico e chimico in base ai principi che stanno alla base degli stessi. Si precisa che su scala commerciale è stato realizzato solamente il riciclo termico tramite pirolisi mentre per tutte le altre tecniche si è ancora in fase di sperimentazione e di ricerca in laboratorio. L’obiettivo dell’elaborato di tesi è quello di valutare e approfondire il riciclo dei materiali compositi in fibra di carbonio in modo tale da studiare e validare sperimentalmente due componenti realizzati in materiale composito rinforzato con fibra di carbonio riciclata per poterli confrontare con i medesimi componenti realizzati in fibra nuova così da trarre delle conclusioni in merito alle proprietà meccaniche di rigidezza e resistenza ottenibili. Il lavoro di tesi è stato svolto all’interno dell’azienda Bucci Composites S.p.A. con sede a Faenza, la quale si occupa di progettazione e realizzazione di diversi componenti in materiale composito avanzato per diverse aziende clienti provenienti dai settori automotive, aerospaziale, nautico e industriale più in generale.