Una ricetta per il successo trasforma la produzione di compositi in un gioco da ragazzi
La produzione di un componente che soddisfi le specifiche prevede una conoscenza dettagliata dei parametri di lavorazione, dei materiali e del comportamento dei materiali durante la lavorazione. Le simulazioni sono fondamentali per riuscire a fornire componenti di alta qualità. I compositi complessi in plastica o polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP) sono un ottimo esempio, ma mancano strumenti di simulazione del processo. L’ultima generazione di aerei passeggeri a medio e lungo raggio è costituita dal 50 % o più di materiali compositi in peso. Il progetto TRANSITION, finanziato dall’UE, ha soddisfatto la forte necessità di simulare un processo, eliminando le congetture e la «rilavorazione» dalla produzione di compositi CFRP. Promette di migliorare la competitività, non solo dell’industria aerospaziale europea, ma di qualsiasi settore che faccia affidamento sui CFRP.
Diventa complicato lì dentro
Il CFRP è un composito costituito da fibre di carbonio leggere e ad alta resistenza incorporate in una matrice, tipicamente una resina polimerica. Questi strati di fibra di carbonio preimpregnati di resina sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni aeronautiche. I preimpregnati vengono stratificati in uno stampo e quindi polimerizzati in autoclave. La pressione estrema fornisce una forza meccanica per rimuovere l’aria intrappolata mentre i materiali volatili e le temperature molto elevate avviano la reticolazione per formare una matrice rigida. Secondo Dennis Bublitz, coordinatore di TRANSITION e presidente di Carbon Composites presso il Politecnico di Monaco, «la variabilità intrinseca nel processo di produzione porta a variazioni nella qualità della parte finale, come la compattazione e la porosità delle parti irregolari, aumentando il rischio di rigetto. TRANSITION si proponeva di affrontare queste sfide sviluppando uno strumento di simulazione del processo da introdurre all’inizio della fase di progettazione».
Fare luce nella scatola nera
I modelli simulano scenari di vita reale e prevedono i potenziali risultati in base ai dati di entrata. Per farlo bene, richiedono ampi dati sperimentali da numerosi scenari simili su cui basare le previsioni. Gli esperimenti di TRANSITION hanno fornito informazioni inestimabili sui fattori che influenzano la porosità dei materiali sottoposti a varie condizioni di lavorazione, tramite micrografie e tomografie microcomputerizzate ad alta risoluzione o scansioni micro-TC. Gli scienziati hanno anche sviluppato e implementato una nuova metodologia per misurare la pressione tra i preimpregnati e lo strumento nell’autoclave. Di conseguenza, lo strumento di simulazione del processo numerico implementato utilizzando il software agli elementi finiti disponibile in commercio, ABAQUS, descrive efficacemente il comportamento di compattazione e calcola la porosità. Bublitz riassume: «Il modello ha previsto con successo la distribuzione dello spessore dopo la polimerizzazione in autoclave. Inoltre, la distribuzione della porosità rimanente è stata prevista a livello qualitativo. Pertanto, i risultati della simulazione possono essere utilizzati per individuare le regioni critiche con elevata porosità nelle parti prodotte. Infine, lo strumento consente l’ottimizzazione del processo di polimerizzazione nelle prime fasi di progettazione per ottenere parti di alta qualità, riducendo tempi e costi di sviluppo». TRANSITION ha soddisfatto un’importante esigenza con il suo strumento di simulazione basato sugli elementi finiti per il trattamento complesso in autoclave. La metodologia è stata presentata al 2017 Composites and Advanced Materials Expo e lo strumento è integrato nei corsi del Politecnico di Monaco per mostrare agli studenti le applicazioni pratiche. Bublitz conclude: «Lo strumento di simulazione del processo di TRANSITION facilita una progettazione di parti preimpregnate per la produzione in autoclave efficiente in termini di costi e tempo. Riducendo le “prove” e i tassi di rigetto, lo strumento riduce anche l’uso di autoclavi ad alta intensità energetica e migliora la sostenibilità della produzione». Lo strumento dovrebbe anche incentivare l’innovazione, senza dover più passare dal processo per tentativi ed errori.
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