Utilizzo di vari materiali nel Boeing 787 Dreamliner. [1]I materiali compositi W sono ampiamente utilizzati nell'industria aeronautica e hanno consentito agli ingegneri di superare gli ostacoli incontrati quando si utilizzavano i materiali singolarmente. I materiali costituenti mantengono le loro identità nei compositi e non si dissolvono o si fondono completamente l'uno nell'altro. Insieme, i materiali creano un materiale "ibrido" che ha proprietà strutturali migliorate.
Lo sviluppo di materiali compositi leggeri e resistenti alle alte temperature consentirà la materializzazione della prossima generazione di progetti di aeromobili economici e ad alte prestazioni. L'utilizzo di tali materiali ridurrà il consumo di carburante, migliorerà l'efficienza e ridurrà i costi operativi diretti degli aeromobili.
I materiali compositi possono essere formati in varie forme e, se lo si desidera, le fibre possono essere avvolte strettamente per aumentarne la resistenza. Una caratteristica utile dei compositi è che possono essere stratificati, con le fibre in ogni strato che corrono in una direzione diversa. Ciò consente a un ingegnere di progettare strutture con proprietà uniche. Ad esempio, una struttura può essere progettata in modo che si pieghi in una direzione, ma non in un'altra. [2]
Contenuti
Sintesi di compositi di base
Esempio di materiale composito di base.In un composito di base, un materiale funge da matrice di supporto, mentre un altro materiale si basa su questa impalcatura di base e rinforza l'intero materiale. La formazione del materiale può essere un processo costoso e complesso. In sostanza, una matrice di materiale di base viene disposta in uno stampo ad alta temperatura e pressione. Un epossidico o una resina viene quindi versato sul materiale di base, creando un materiale resistente quando il materiale composito viene raffreddato. Il composito può anche essere prodotto incorporando fibre di un materiale secondario nella matrice di base.
I compositi hanno una buona resistenza alla trazione e alla compressione, il che li rende adatti all'uso nella fabbricazione di parti di aeromobili. La resistenza alla trazione del materiale deriva dalla sua natura fibrosa. Quando viene applicata una forza di trazione, le fibre all'interno del composito si allineano con la direzione della forza applicata, conferendone la resistenza alla trazione. La buona resistenza alla compressione può essere attribuita alle proprietà adesive e di rigidità del sistema di matrice di base. È compito della resina mantenere le fibre come colonne dritte e impedire che si deformino.
Aviazione e compositi
I materiali compositi sono importanti per l'industria aeronautica perché forniscono una resistenza strutturale paragonabile alle leghe metalliche, ma con un peso inferiore. Ciò porta a un'efficienza del carburante e a prestazioni migliori da un aereo. [3] [4]
Il ruolo dei materiali compositi nell'industria aeronautica
Utilizzo di vari materiali nel Boeing 787 Dreamliner. [1]La fibra di vetro è il materiale composito più comune, ed è composta da fibre di vetro incorporate in una matrice di resina. La fibra di vetro è stata ampiamente utilizzata per la prima volta negli anni '50 per barche e automobili. La fibra di vetro è stata utilizzata per la prima volta nel jet passeggeri Boeing 707 negli anni '50, dove costituiva circa il due percento della struttura. Ogni generazione di nuovi aeromobili costruiti dalla Boeing ha avuto una percentuale maggiore di utilizzo di materiali compositi; la più alta è stata del 50% di utilizzo di materiali compositi nel 787 Dreamliner .
Il Boeing 787 Dreamliner sarà il primo aereo commerciale in cui i principali elementi strutturali sono realizzati in materiali compositi anziché in leghe di alluminio. [1] Ci sarà un passaggio dagli arcaici compositi in fibra di vetro a compositi laminati in carbonio e sandwich in carbonio più avanzati in questo aereo. Sono stati riscontrati problemi con la scatola alare del Dreamliner, che sono stati attribuiti a una rigidità insufficiente nei materiali compositi utilizzati per costruire la parte. [1] Ciò ha portato a ritardi nelle date di consegna iniziali dell'aereo. Per risolvere questi problemi, Boeing sta irrigidendo le scatole alari aggiungendo nuove staffe alle scatole alari già costruite, modificando al contempo le scatole alari che devono ancora essere costruite. [1]
Test dei materiali compositi
È stato riscontrato che è difficile modellare accuratamente le prestazioni di una parte realizzata in composito tramite simulazione al computer a causa della natura complessa del materiale. I compositi sono spesso stratificati uno sopra l'altro per una maggiore resistenza, ma ciò complica la fase di test pre-fabbricazione, poiché gli strati sono orientati in direzioni diverse, rendendo difficile prevedere come si comporteranno quando testati. [1]
Si possono anche eseguire test di stress meccanico sulle parti. Questi test iniziano con modelli in piccola scala, poi passano a parti progressivamente più grandi della struttura e infine alla struttura completa. Le parti strutturali vengono inserite in macchine idrauliche che le piegano e le torcono per imitare stress che vanno ben oltre le peggiori condizioni previste nei voli reali.
Fattori di utilizzo dei materiali compositi
La riduzione del peso è il più grande vantaggio dell'uso di materiali compositi ed è uno dei fattori chiave nelle decisioni riguardanti la sua selezione. Altri vantaggi includono la sua elevata resistenza alla corrosione e la sua resistenza ai danni da fatica. Questi fattori svolgono un ruolo nella riduzione dei costi operativi dell'aereo a lungo termine, migliorandone ulteriormente l'efficienza. I compositi hanno il vantaggio di poter essere formati in quasi qualsiasi forma utilizzando il processo di stampaggio, ma questo aggrava il già difficile problema di modellazione.
Uno svantaggio importante dell'uso dei compositi è che sono un materiale relativamente nuovo e, come tale, hanno un costo elevato. L'alto costo è anche attribuito al processo di fabbricazione laborioso e spesso complesso. I compositi sono difficili da ispezionare per individuare difetti, mentre alcuni di essi assorbono umidità.
Anche se è più pesante, l'alluminio, al contrario, è facile da produrre e riparare. Può essere ammaccato o forato e restare comunque unito. I compositi non sono così; se vengono danneggiati, richiedono una riparazione immediata, il che è difficile e costoso.
Risparmio di carburante con peso ridotto
Il consumo di carburante dipende da diverse variabili, tra cui: peso a secco dell'aereo, peso del carico utile, età dell'aereo, qualità del carburante, velocità dell'aria, condizioni meteorologiche, tra le altre cose. Il peso dei componenti dell'aereo realizzati in materiali compositi è ridotto di circa il 20%, come nel caso del 787 Dreamliner. [4]
Di seguito verrà effettuatoun calcolo esemplificativo del risparmio totale di carburante con una riduzione del peso a vuoto del 20% per un aeromobile Airbus A340-300.
I valori iniziali del campione per questo studio di caso sono stati ottenuti da una fonte esterna. [5]
Dato:
- Peso a vuoto operativo (OEW): 129.300 kg
- Peso massimo senza carburante (MZFW): 178.000 kg
- Peso massimo al decollo (MTOW): 275.000 kg
- Autonomia massima @ Peso massimo: 10.458 km
Altre quantità possono essere calcolate dalle cifre sopra indicate:
- Peso massimo del carico = MZFW - OEW = 48.700 kg
- Peso massimo del carburante = MTOW - MZFW = 97.000 kg
Quindi, possiamo calcolare ulteriormente il consumo di carburante in kg/km in base al peso massimo del carburante e all'autonomia massima = 97.000 kg/10.458 km = 9,275 kg/km
Di seguito è riportato il calcolo del risparmio di carburante previsto con una riduzione del peso del 20%, che ridurrà il valore OEW solo del 20%:
- OEW(nuovo) = 129.300 kg * 0,8 = 103.440 kg, che equivale a un risparmio di peso di 25.860 kg.
Supponendo che il peso del carico e del carburante rimangano costanti:
- MZFW(nuovo) = MZFW - 25.680 kg = 152.320 kg
- MTOW(nuovo) = MTOW - 25.680 kg = 249.320 kg
La massa di carburante di 97.000 kg comporta un MTOW ridotto e quindi un'autonomia maggiore, poiché il peso massimo e l'autonomia massima sono grandezze inversamente proporzionali.
Utilizzando rapporti semplici per calcolare il nuovo intervallo:
249,320KG275,000KG=10,458KMXKM{\displaystyle {\frac {249.320kg}{275.000kg}}={\frac {10.458km}{Xkm}}}
Risolvendo per X si ottiene un nuovo intervallo di:
- X = 11.535,18 km
Ciò fornisce un nuovo valore per il consumo di carburante con peso ridotto = 97.000 kg/11.535,18 km = 8,409 kg/km
Per fare un paragone, su un viaggio di 10.000 km si risparmieranno circa 8.660 kg di carburante con una riduzione del 20% del peso a vuoto.
Impatto ambientale
È possibile il riciclaggio delle parti provenienti da aerei dismessi. [6]C'è un cambiamento in via di sviluppo più evidente verso l'ingegneria verde . Il nostro ambiente riceve sempre più attenzione e considerazione dalla società odierna. Ciò vale anche per la produzione di materiali compositi.
Come accennato in precedenza, i compositi hanno un peso più leggero e valori di resistenza simili a quelli dei materiali più pesanti. Quando il composito più leggero viene trasportato o utilizzato in un'applicazione di trasporto, c'è un carico ambientale inferiore rispetto alle alternative più pesanti. I compositi sono anche più resistenti alla corrosione rispetto ai materiali a base metallica, il che significa che le parti dureranno più a lungo. [7] Questi fattori si combinano per rendere i compositi buoni materiali alternativi da una prospettiva ambientale.
I materiali compositi prodotti in modo convenzionale sono realizzati con fibre e resine a base di petrolio e non sono biodegradabili per natura. [8] Ciò rappresenta un problema significativo poiché la maggior parte dei compositi finisce in discarica una volta terminato il ciclo di vita di un composito. [8] Sono in corso importanti ricerche sui compositi biodegradabili realizzati con fibre naturali. [9] La scoperta di materiali compositi biodegradabili che possono essere facilmente prodotti su larga scala e hanno proprietà simili ai compositi convenzionali rivoluzionerà diversi settori, tra cui l'industria aeronautica.
Un'opzione alternativa per aiutare gli sforzi ambientali sarebbe quella di riciclare parti usate da aerei dismessi. La "deingegnerizzazione" di un aereo è un processo complesso e costoso, ma può far risparmiare denaro alle aziende a causa dell'elevato costo di acquisto di parti di prima mano. [6]
Materiali compositi futuri
Compositi a matrice ceramica
Sono in corso importanti sforzi per sviluppare materiali compositi leggeri e ad alta temperatura presso la National Aeronautics and Space Administration (NASA) per l'uso in parti di aeromobili. Si prevedono temperature fino a 1650 °C per le prese d'aria della turbina di un motore concettuale sulla base di calcoli preliminari. [3] Affinché i materiali resistano a tali temperature, è necessario l'uso di compositi a matrice ceramica (CMC). L'uso di CMC in motori avanzati consentirà anche un aumento della temperatura a cui il motore può essere azionato, con conseguente aumento della resa. [10] Sebbene i CMC siano materiali strutturali promettenti, le loro applicazioni sono limitate a causa della mancanza di materiali di rinforzo adatti, difficoltà di lavorazione, durata e costi.
Fibre di seta di ragno
Gli scienziati non sono ancora riusciti a sintetizzare nuovamente la seta del ragno in modo perfetto.La seta di ragno è un altro materiale promettente per l'uso di materiali compositi. La seta di ragno mostra un'elevata duttilità, consentendo l'allungamento di una fibra fino al 140% della sua lunghezza normale. [11] La seta di ragno mantiene anche la sua resistenza a temperature basse fino a -40 °C. [11] Queste proprietà rendono la seta di ragno ideale per l'uso come materiale in fibra nella produzione di materiali compositi duttili che manterranno la loro resistenza anche a temperature anomale. I materiali compositi duttili saranno utili per un aeromobile in parti che saranno soggette a sollecitazioni variabili, come l'unione di un'ala con la fusoliera principale. La maggiore resistenza, tenacità e duttilità di un tale composito consentiranno di applicare sollecitazioni maggiori alla parte o all'unione prima che si verifichi un guasto catastrofico. I compositi sintetici a base di seta di ragno avranno anche il vantaggio che le loro fibre saranno biodegradabili.
Sono stati fatti molti tentativi infruttuosi di riprodurre la seta di ragno in laboratorio, ma non è stata ancora raggiunta una risintesi perfetta. [12]
Lamiere in acciaio composito ibrido
Un altro materiale promettente può essere l'acciaio inossidabile, costruito ispirandosi ai compositi e alle fibre nanotech e al compensato. I fogli di acciaio sono realizzati con lo stesso materiale e possono essere maneggiati e lavorati esattamente nello stesso modo dell'acciaio convenzionale. Ma sono un po' più leggeri per le stesse resistenze. Ciò è particolarmente prezioso per la produzione di veicoli. In attesa di brevetto, la società svedese Lamera è uno spin-off della ricerca all'interno di Volvo Industries.
Conclusione
Grazie ai loro più elevati rapporti resistenza/peso, i materiali compositi hanno un vantaggio rispetto ai materiali metallici convenzionali; sebbene, attualmente sia costoso fabbricare compositi. Finché non saranno introdotte tecniche per ridurre i costi di implementazione iniziali e affrontare il problema della non biodegradabilità dei compositi attuali, questo materiale relativamente nuovo non sarà in grado di sostituire completamente le leghe metalliche tradizionali.
Riferimenti
- ↑Vai a:1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Modellazione di superfici per materiali compositi - SIAG GD - Recuperato su http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
- ↑ Materiali dalla A alla Z - Compositi: un'introduzione di base - Recuperato su http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
- ↑Vai a:3.0 3.1 INI International - Key to Metals - Recuperato su http://www.keytometals.com/Article103.htm
- ↑Vai a:4.0 4.1 Il 787 Dreamliner della Boeing ha un problema composito - Zimbio - Recuperato su http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/Boeing+787+Dreamliner+composite+problem
- ↑ Peeters, PM et al. - Efficienza del carburante degli aerei commerciali (pag. 16) - Recuperato su http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
- ↑Vai a:6.0 6.1 National Geographic Channel - Man Made: Aereo - Recuperato da http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
- ↑ Uno studio sull'impatto ambientale dei materiali compositi - Recuperato su http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
- ↑Vai a:8.0 8.1 Textile Insight - Compositi tessili verdi - Recuperato su http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
- ↑ A-Z dei materiali - Materiali compositi ad alte prestazioni prodotti da materie plastiche rinforzate con fibre naturali biodegradabili - Recuperato su http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
- ↑ R. Naslain - Universite Bordeaux - Compositi a matrice ceramica - Recuperato su http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
- ↑Vai a:11.0 11.1 Dipartimento di Chimica - Università di Bristol - Recuperato su http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
- ↑ Wired Science - I ragni producono seta dorata - Recuperato su http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/
