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 che si incontravano utilizzando i materiali singolarmente. I materiali costituenti mantengono la 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 realizzazione della prossima generazione di progetti di aerei 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 modellati 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 tale da piegarsi 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 del materiale di base viene disposta in uno stampo ad alta temperatura e pressione. Una resina epossidica o una resina viene quindi versata 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, che li rende adatti all'uso nella produzione di componenti aeronautici. 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, conferendogli resistenza alla trazione. La buona resistenza alla compressione è da attribuire alle proprietà adesive e di rigidità del sistema a matrice di base. Il ruolo della resina è quello di mantenere le fibre come colonne diritte e di evitare 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 più leggero. Ciò porta a una migliore efficienza del carburante e prestazioni di un aereo. [3] [4]
Il ruolo dei compositi nel settore aeronautico
Utilizzo di vari materiali nel Boeing 787 Dreamliner. [1]La fibra di vetro è il materiale composito più comune ed è costituito da fibre di vetro incorporate in una matrice di resina. La fibra di vetro fu ampiamente utilizzata per la prima volta negli anni '50 per barche e automobili. La fibra di vetro fu utilizzata per la prima volta negli anni '50 sull'aereo passeggeri Boeing 707 , dove costituiva circa il 2% della struttura. Ogni generazione di nuovi aerei costruiti dalla Boeing prevedeva una percentuale maggiore di utilizzo di materiali compositi; il più alto è stato l'utilizzo del composito al 50% nel 787 Dreamliner .
Il Boeing 787 Dreamliner sarà il primo aereo commerciale in cui i principali elementi strutturali saranno realizzati in materiali compositi anziché in leghe di alluminio. [1] In questo velivolo ci sarà un passaggio dagli arcaici compositi in fibra di vetro ai più avanzati laminati di carbonio e compositi sandwich di carbonio. Sono stati riscontrati problemi con la scatola alare del Dreamliner, che sono stati attribuiti alla rigidità insufficiente dei materiali compositi utilizzati per costruire la parte. [1] Ciò ha portato a ritardi nelle date di consegna iniziali dell'aeromobile. Per risolvere questi problemi, Boeing sta irrigidendo le scatole alari aggiungendo nuove staffe alle scatole alari già costruite, mentre modificando le scatole alari che devono ancora essere costruite. [1]
Prove su materiali compositi
È stato riscontrato difficile modellare accuratamente le prestazioni di una parte realizzata in composito mediante simulazione al computer a causa della natura complessa del materiale. I compositi sono spesso sovrapposti uno sopra l'altro per una maggiore resistenza, ma ciò complica la fase di test pre-produzione, poiché gli strati sono orientati in direzioni diverse, rendendo difficile prevedere come si comporteranno una volta testati. [1]
Sulle parti possono essere eseguite anche prove di stress meccanico. Questi test iniziano con modelli in scala ridotta, per poi passare 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 simulare sollecitazioni 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’utilizzo del materiale composito ed è uno dei fattori chiave nelle decisioni riguardanti la sua selezione. Altri vantaggi includono l'elevata resistenza alla corrosione e la resistenza ai danni dovuti alla fatica. Questi fattori contribuiscono a ridurre i costi operativi dell’aeromobile nel lungo termine, migliorandone ulteriormente l’efficienza. I compositi hanno il vantaggio di poter essere modellati in quasi tutte le forme utilizzando il processo di stampaggio, ma ciò aggrava il già difficile problema della modellazione.
Uno dei principali svantaggi dell’uso dei compositi è che sono un materiale relativamente nuovo e come tale hanno un costo elevato. Il costo elevato è anche attribuito al processo di fabbricazione ad alta intensità di manodopera e spesso complesso. I compositi sono difficili da ispezionare per individuare eventuali difetti, mentre alcuni di essi assorbono l'umidità.
Anche se è più pesante, l’alluminio, al contrario, è facile da produrre e riparare. Può essere ammaccato o forato e rimanere comunque unito. I compositi non sono così; se sono danneggiati necessitano di una riparazione immediata, operazione difficile e costosa.
Risparmio di carburante grazie al peso ridotto
Il consumo di carburante dipende da diverse variabili, tra cui: peso dell'aereo a secco, 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 viene ridotto di circa il 20%, come nel caso del 787 Dreamliner. [4]
Di seguito verrà effettuatoun calcolo di esempio del risparmio totale di carburante con una riduzione del peso a vuoto del 20% per un aeromobile Airbus A340-300.
I valori campione iniziali per questo caso di studio sono stati ottenuti da una fonte esterna. [5]
Dato:
- Peso operativo a vuoto (OEW): 129.300 kg
- Peso massimo zero carburante (MZFW): 178.000 kg
- Peso massimo al decollo (MTOW): 275.000 kg
- Massimo. Portata @ max. Peso: 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 ha un MTOW ridotto da gestire e quindi avrà un'autonomia maggiore poiché il peso massimo e l'autonomia massima sono quantità inversamente proporzionali.
Utilizzando i rapporti semplici per calcolare il nuovo intervallo:
249,320KG275,000KG=10,458KMXKM{\displaystyle {\frac {249.320kg}{275.000kg}}={\frac {10.458km}{Xkm}}}
Risolvere per X fornisce una nuova gamma 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 mettere questo in prospettiva, su un viaggio di 10.000 km , ci sarà un risparmio di carburante di circa 8.660 kg con una riduzione del peso a vuoto del 20%.
Impatto ambientale
È possibile il riciclaggio di parti di aerei dismessi. [6]Si sta sviluppando uno spostamento più marcato verso l'ingegneria verde . Al nostro ambiente viene prestata maggiore attenzione e attenzione da parte della 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, il carico ambientale è 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 dal punto di vista ambientale.
I materiali compositi prodotti convenzionalmente sono costituiti da fibre e resine a base di petrolio e non sono biodegradabili per natura. [8] Ciò presenta un problema significativo poiché la maggior parte dei compositi finisce in una discarica una volta terminato il ciclo di vita di un composito. [8] Sono in corso ricerche significative sui compositi biodegradabili costituiti da 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, compreso quello aeronautico.
Un’opzione alternativa per sostenere gli sforzi ambientali sarebbe quella di riciclare le parti usate degli aerei dismessi. La "deengineering" di un aeromobile 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]
I futuri materiali compositi
Compositi a matrice ceramica
Sono in corso importanti sforzi per sviluppare materiali compositi leggeri e resistenti alle alte temperature presso la National Aeronautics and Space Administration (NASA) da utilizzare nelle parti degli aerei. Sulla base di calcoli preliminari si prevedono temperature fino a 1650°C per gli ingressi della turbina di un motore concettuale. [3] Affinché i materiali possano resistere a tali temperature, è necessario l'uso di compositi a matrice ceramica (CMC). L'uso di CMC nei motori avanzati consentirà inoltre un aumento della temperatura alla quale il motore può funzionare, 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 adeguati, delle difficoltà di lavorazione, della durata e dei costi.
Fibre di seta di ragno
Gli scienziati non sono ancora riusciti a risintetizzare perfettamente la seta del ragno.La seta di ragno è un altro materiale promettente per l'utilizzo di materiali compositi. La seta del ragno mostra un'elevata duttilità, consentendo l'allungamento di una fibra fino al 140% della sua lunghezza normale. [11] La seta del ragno mantiene la sua resistenza anche a temperature 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 vantaggiosi per un aereo nelle parti che saranno soggette a sollecitazioni variabili, come l'unione di un'ala con la fusoliera principale. La maggiore resistenza, tenacità e duttilità di tale composito consentirà di applicare maggiori sollecitazioni alla parte o alla giunzione 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 per riprodurre la seta di ragno in laboratorio, ma la risintesi perfetta non è stata ancora raggiunta. [12]
Lamiere di acciaio composite ibride
Un altro materiale promettente può essere l’acciaio inossidabile costruito ispirandosi ai compositi, alle fibre nanotecnologiche e al compensato. Le lamiere di acciaio sono realizzate dello stesso materiale e sono in grado di essere maneggiate e lavorate esattamente allo stesso modo dell'acciaio convenzionale. Ma è leggermente più leggero a parità di forza. Ciò è particolarmente utile per la produzione di veicoli. In attesa di brevetto, l'azienda svedese Lamera è uno spin-off della ricerca condotta all'interno di Volvo Industries.
Conclusione
Grazie al loro rapporto resistenza/peso più elevato, i materiali compositi presentano un vantaggio rispetto ai materiali metallici convenzionali; tuttavia attualmente è costoso fabbricare compositi. Fino a quando non verranno introdotte tecniche per ridurre i costi di implementazione iniziali e affrontare il problema della non biodegradabilità degli attuali compositi, questo materiale relativamente nuovo non sarà in grado di sostituire completamente le tradizionali leghe metalliche.
Riferimenti
- ↑Salta a:1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Modellazione di superfici per materiali compositi - SIAG GD - Estratto da http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
- ↑ Materiali dalla A alla Z - Compositi: un'introduzione di base - Estratto da http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
- ↑Salta a:3.0 3.1 INI International - Key to Metals - Estratto da http://www.keytometals.com/Article103.htm
- ↑Salta a:4.0 4.1 Il 787 Dreamliner di Boeing ha un problema composito - Zimbio - Estratto da http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/ Boeing+787+Dreamliner+composito+problema
- ^ Peeters, PM et al. - Efficienza del carburante degli aerei commerciali (pag. 16) - Estratto da http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
- ↑Salta a:6.0 6.1 National Geographic Channel - Man Made: Plane - Estratto da http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
- ↑ Uno studio sull'impatto ambientale dei compositi - Estratto da http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
- ↑Salta a:8.0 8.1 Textile Insight - Compositi tessili verdi - Estratto da http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
- ↑ Materiali dalla A alla Z - Materiali compositi ad alte prestazioni prodotti da plastica rinforzata con fibre naturali biodegradabili - Estratto da http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
- ↑ R. Naslain - Université Bordeaux - Ceramic Matrix Composites - Estratto da http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
- ↑Salta a:11.0 11.1 Dipartimento di Chimica - Università di Bristol - Estratto da http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
- ↑ Wired Science - Spiders Make Golden Silk - Estratto da http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/
