MONDO ACCADEMICO

Come superare i limiti delle strutture aerospaziali in composito

L’esperienza del progetto europeo “EXTREME', nell'ambito del quale sono stati sviluppati ed utilizzati nuovi nanocompositi per la realizzazione di compositi innovativi in grado di assorbire l’energia degli impatti

di Aldo Benedetto ZOTTI*, Anna BORRIELLO*, Simona ZUPPOLINI*, Mauro ZARRELLI* e Domenico ACIERNO+

L’Europa è al momento uno dei leader mondiali nel settore dell’aviazione e, per mantenere la sua posizione dominante e la sua competitività nel mercato globale, necessita di sviluppare rapidamente ed efficientemente prodotti di alta qualità.

Al giorno d’oggi la competizione industriale non arriva solo dalle ben note regioni extra-europee, come gli USA o la Cina, ma anche da stati emergenti come Brasile e Canada. Oramai, con l’avvento di questi nuovi stati concorrenti, la competitività di un paese viene misurata in base alla propria potenza tecnologica e alla capacità di innovare, con particolare attenzione all’abbattimento dei costi e dell’inquinamento ambientale.

I materiali compositi giocano un ruolo fondamentale nel settore aeronautico in quanto consentono di realizzare strutture multifunzionali dotate di proprietà specifiche elevate, con conseguente riduzione del peso, incremento dell’efficienza del combustibile ed abbattimento delle emissioni di CO2.

Nonostante le loro proprietà eccezionali, i materiali compositi risultano vulnerabili a agli impatti con corpi esterni come grandine, detriti vaganti e volatili (cosiddetto fenomeno del “bird strike”): ciò può portare a danneggiamenti localizzati imprevedibili, con una conseguente drastica riduzione di resistenza del materiale composito e quindi dell’intero elemento o della struttura.

L’Istituto per i Polimeri, Compositi e Biomateriali (IPCB) del Consiglio Nazionale delle Ricerche, sede di Portici, ha partecipato a diversi programmi, specifici per il settore aerospazio ed automotive, finalizzati alla ricerca di matrici innovative per compositi a fibra lunga con migliorate proprietà alla frattura, mediante l’utilizzo di filler nano e micrometrici quali ad esempio, nanotubi e nanofibre di carbonio, grafene, grafite, polimeri iperramificati e particelle core-shell, appositamente sintetizzati nei laboratori di ricerca dell’Istituto.

Preziosa è stata, per l’IPCB, la collaborazione con il CRdC Nuove Tecnologie per le Attività Produttive scarl di cui il CNR è socio e che annovera, nel settore aerospazio ed in generale dei Trasporti, una significativa esperienza nello studio, sviluppo e caratterizzazione di materiali compositi a matrice polimerica.

L’IPCB, dal 2015 al 2019, ha preso parte al progetto europeo “EXTREME” che si è occupato dello sviluppo di nuovi metodi di caratterizzazione, nuove tecniche di misurazione e nuovi modelli e metodi di simulazione dei danni per strutture composite soggette a carichi dinamici estremi (EXTREME).

Nell’ambito del progetto sono stati sviluppati ed utilizzati nuovi nanocompositi per la realizzazione di compositi “gerarchici”, ovvero compositi in cui la matrice è a sua volta modificata con particelle di sintesi in grado di assorbire l’energia dell’impatto. Questi compositi innovativi, insieme a compositi tradizionali rinforzati con fibre di basalto, sono stati testati in condizioni estreme mediante nuovi metodi caratterizzativi e validati così da ottenere i parametri necessari per i modelli numerici sviluppati parallelamente.

Durante il progetto sono stati ottenuti risultati estremamente significativi, che hanno condotto ad un gran numero di articoli pubblicati su riviste scientifiche internazionali; inoltre numerose tecnologie, per il monitoraggio dei danni e lo studio dei meccanismi indotti dalla formazione e la propagazione di onde d’urto nelle strutture composite, sono state brevettate e commercializzate.

Modelli 3D per la simulazione del danneggiamento all’interno del materiale sono stati sviluppati in modo da rendere più veloce, accurata ed economica la fase di progettazione di strutture composite aeronautiche soggette a cariche estremi prescindendo, in alcuni casi, da intense campagne sperimentali riducendo costo e tempi.

Il progetto EXTREME ha coinvolto 14 partner europei tra cui alcune delle industrie leader nell’industria aerospaziale (Rolls Royce, Agusta Westland, Israeli Aerospace Industries, Dynamore e MSC software), università e centri di ricerca (Delft University of Technology, Ghent University, Brunel University, University of Patras, National Research Council) nonchè piccole e medie imprese (Dynamore, Dynawave, Technobis Fiber Technology).

Nella prima immagine, dimostratori "leading edge" del Progetto Extreme; nella seconda, set-up sperimentale per prove a compressione su matrici nanocaricate e sistema di acquisizione DIC per deformazioni (Ugent University, Belgio)

*Ricercatori presso Il CNR-IPCB di Portici (Napoli)
+ Direttore del CRdC Nuove Tecnologie per le Attività Produttive scarl

Archiviato in: Mondo accademico, Aerospace
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