Miglioramento dei materiali compositi termoplastici per le fusoliere di prossima generazione
I compositi termoplastici (TPC, Thermoplastic Composite) sono una classe di materiali avanzati destinati a un impiego diffuso nel settore aerospaziale. I TPC offrono una maggiore robustezza e una migliore resistenza agli urti rispetto ai termoindurenti, il materiale standard impiegato oggi nel settore, e potrebbero ridurre le operazioni di manutenzione nel corso della vita operativa di un aereo. La produzione di TPC è tuttavia impegnativa e costosa: la modellazione richiede temperature di lavorazione molto elevate, prossime ai 400 °C, prima del raffreddamento. Sulla qualità dei componenti influisce anche la velocità di riscaldamento e raffreddamento, che può essere difficile da gestire su parti di grandi dimensioni che presentano differenze di spessore. «A questo livello di temperatura, la gamma dei materiali ausiliari applicabili è molto limitata, costosa e ancora di difficile utilizzo su pezzi a doppia curvatura dotati di elementi di irrigidimento», spiega Guillaume Fourage, ingegnere di ESTIA (sito web in francese) e coordinatore del progetto FRAMES. Avvalendosi dei TPC, i ricercatori di ESTIA hanno sviluppato nel corso del progetto FRAMES, finanziato dall’UE, un nuovo approccio produttivo per supportare lo sviluppo di fusoliere e impennaggi dei futuri aerei avanzati.
Una strategia multiforme per la produzione di materiali compositi termoplastici
Invece di uno specifico approccio produttivo, il team di FRAMES ha concepito una serie di soluzioni per una gamma più ampia di processi coinvolti nella produzione della fusoliera posteriore. Tra questi, uno strumento di simulazione per prevedere le temperature di lavorazione durante la fabbricazione di pannelli in pelle con posizionamento automatico delle fibre; soluzioni produttive ad alta velocità per gli elementi di irrigidimento (ovvero le strutture di rinforzo aggiunte alla fusoliera dell’aereo); infine, uno strumento autoriscaldato per l’assemblaggio degli elementi in pelle e di quelli di rinforzo. Per produrre elementi di irrigidimento di forma complessa, il team di FRAMES ha migliorato alcuni processi di fabbricazione quali la tecnica di stampa a caldo (per modellare i materiali compositi), lo stampaggio a compressione continua (un metodo per realizzare TPC) e il posizionamento delle fibre. Infine, i ricercatori hanno realizzato un nuovo set di strumenti provvisto di condotte di riscaldamento e raffreddamento integrate per una modellazione più efficace dei TPC. Questo attrezzo metallico sviluppato nell’ambito del progetto FRAMES per la produzione di elementi di irrigidimento complessi rappresenta un passo avanti nella lavorazione dei TPC. È stato realizzato per gestire l’espansione termica tra i vari componenti di assemblaggio e garantire un controllo preciso della temperatura durante l’intero ciclo di produzione, spiega Fourage.
Simulazioni per una fabbricazione più precisa
Lo strumento di simulazione sviluppato nell’ambito di FRAMES consente di controllare esattamente la quantità di energia termica fornita al materiale durante il posizionamento delle fibre. Questo strumento può essere utilizzato per ottimizzare i processi di stampaggio dei TPC aumentando, ad esempio, la velocità di posizionamento delle fibre pur mantenendo il controllo sul consumo energetico. «Siamo riusciti a produrre profili di irrigidimento fortemente incurvati, anche caratterizzati da variazioni di spessore, con una durata del ciclo competitiva», afferma Fourage.
Introdurre materiali compositi termoplastici negli aerei europei
A breve, le soluzioni sviluppate dal progetto FRAMES saranno utilizzate nelle piattaforme dimostrative avanzate, in sperimentazioni che coinvolgeranno le principali compagnie aeree d’Europa. «I risultati del progetto sosterranno la produzione di un pannello per fusoliere co-consolidato in scala 1:1, sfruttando le riduzioni di peso e i tassi di produzione», aggiunge Fourage. Grazie alle conoscenze acquisite con FRAMES, il team continuerà a perfezionare i propri parametri di processo e a supportare i clienti acquisiti nel raggiungimento degli obiettivi prestazionali e ambientali. «Vorrei ringraziare il team per gli sforzi e l’impegno profusi negli ultimi due anni e mezzo, mantenendo la concentrazione sugli obiettivi del progetto nonostante i momenti di difficoltà attraversati», conclude Fourage. «Al di là dei risultati tecnici, il progetto FRAMES ha rappresentato anche una grande storia di collaborazione europea.»
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