Una lavorazione ottimale per i componenti compositi di grandi dimensioni
L’industria aeronautica utilizza sempre più spesso materiali compositi basati su una combinazione tra leggerezza e un’eccellente resistenza meccanica. È importante ridurre i costi di produzione associati, specialmente nel caso di componenti di dimensioni estremamente grandi, come le fusoliere, che richiedono l’utilizzo di enormi autoclavi. Gli scienziati hanno avviato il progetto OPTOCOM (Optimal tooling system design for large composite parts), finanziato dall’UE, allo scopo di raccogliere questa sfida. Il caso di prova era rappresentato dal pannello indurito di una fusoliera a doppia curvatura mediante rinforzi sottoposti a co-trattamento caratterizzati da un’area di due metri quadrati. Gli sperimentatori hanno progettato una grande macchina utensile destinata alla fabbricazione. Il materiale scelto per la produzione di questo strumento era l’INVAR 36, una lega di nichel e ferro (36 % circa di nichel) con un tasso estremamente basso di espansione termica. Per il componente relativo alla fusoliera è stato scelto il sistema a matrice epossidica HexPly M21 con fibre rinforzanti. I componenti complessi e di grandi dimensioni caratterizzati da angoli acuti sono soggetti a un fenomeno che prende il nome di “ritorno elastico”, dovuto alla natura plastica-elastica dei materiali. Il gruppo di lavoro ha tentato di condurre simulazioni ad alta precisione di questo fenomeno che si verifica in seguito al trattamento, allo scopo di ridurlo al minimo e di contenere i costi di rilavorazione o di assemblaggio. Sono stati quindi creati modelli basati su metodi degli elementi finiti (FEM) in grado di simulare la distorsione e il ritorno elastico durante il processo di trattamento sulla base di dati sperimentali, da cui sono emersi risultati qualitativamente positivi attualmente sottoposti a un processo di ottimizzazione. In secondo luogo, i ricercatori hanno tentato di eseguire l’ottimizzazione della distribuzione della temperatura nel corso del ciclo di trattamento, allo scopo di ottenere componenti compositi uniformi, una riduzione dello stress residuo e un minore consumo energetico. I modelli FEM sono stati impiegati ai fini della valutazione e del perfezionamento del comportamento termico dei sistemi di lavorazione in autoclave tesi a garantire un importante aumento della velocità, l’abbattimento dei costi e la riduzione del consumo energetico. I modelli e le prove sperimentali hanno confermato la presenza di una deformazione minima nello strumento, i cui processi di riscaldamento e di raffreddamento avvengono in modo estremamente uniforme. La progettazione dell’utensile finale è stata concepita allo scopo di garantire un ottimo livello di adattabilità. Da un’analisi dei costi è emerso che i risultati di OPTOCOM garantiscono un contenimento significativo dei tempi in autoclave che, a sua volta, offre una riduzione del consumo energetico, delle emissioni e dei tempi di rilavorazione e di assemblaggio. Un ulteriore intervento di ottimizzazione e la commercializzazione dei risultati offriranno importanti vantaggi in termini di competitività dell’industria aerospaziale dell’UE.
