Accorgimenti per la piegatura di materiali innovativi ad alte prestazioni

Un recente studio si è focalizzato sugli effetti del ritorno elastico al variare dell’angolo di piegatura per laminati fibra-metallo. Gli autori mostrano come sia possibile applicare processi tecnologici largamente diffusi e conosciuti su materiali innovativi e ad alte prestazioni. Siccome la richiesta di questo tipo di materiali è destinata a crescere in un prossimo futuro è interessante spingere la ricerca anche in questa direzione.

L’innovazione e lo sviluppo tecnologico sono tematiche sempre attuali e fondamentali per l’industria, soprattutto nel nostro paese. Per rimanere competitivi sul mercato spesso non è sufficiente produrre con una buona qualità e a prezzi contenuti, bisogna mantenere sempre un occhio attento a cosa accadrà nel futuro, così da poter anticipare e sostenere le prossime richieste. La ricerca è tipicamente supportata da alcuni settori, come l’aerospazio o il biomedicale, in cui le performance dei componenti giustificano costi produttivi anche superiori. Ad esempio un risparmio di peso su un componente di un aereo risulterà in un risparmio di carburante durante l’intera vita del velivolo, giustificando così costi produttivi superiori. Per offrire queste soluzioni l’innovazione procede sviluppando sia materiali che tecnologie. Questi due campi dell’innovazione non vanno visti come distinti e indipendenti, ma sono solitamente interconnessi e collaborano per creare nuove possibilità. Non è possibile sfruttare a pieno un nuovo materiale senza processi in grado di trasformarlo efficacemente e, d’altra parte, l’evoluzione di un processo tecnologico può portare a sfruttare nuove caratteristiche di un materiale. Inoltre, non bisogna pensare che alcuni materiali e tecnologie, oggi considerati più “esclusivi” a causa degli elevati costi, siano destinati a rimanere tali col passare degli anni.

Un esempio è la diffusione dei compositi (e.g. fibra di carbonio), oggi sempre più diffusi per attrezzature sportive, automobili e nautica, mentre qualche anno fa erano accessibili, a causa dei costi, solo dal settore aerospaziale.

Laminati fibra-metallo

Figura 1 – Rappresentazione schematica di un laminato fibra-metallo (FML)

I laminati fibra-metallo (Fiber Metal Laminates o “FML” in inglese) sono una tipologia di composito costituito da fogli di lamiera rinforzati con strati in fibra solitamente posti all’interno (Figura 1). Questo tipo di compositi vengono sempre più utilizzati nel settore aerospaziale, automotive, navale e per le pale eoliche. Tali settori sono accomunati dalla continua ricerca di materiali leggeri e dalle alte performance meccaniche. Le caratteristiche di questo tipo di compositi sono uniche poiché riescono a coniugare le proprietà dei metalli con quelle dei compositi a fibra. I laminati fibra-metallo hanno una bassa densità e, allo stesso tempo, un’elevata resistenza, oltre ad avere buone caratteristiche per quanto riguarda la resistenza a fatica, a corrosione e al fuoco. Questi laminati possono essere composti da diverse combinazioni di materiali: la parte metallica solitamente è in alluminio, mentre quella in fibra può essere in carbonio, vetro o aramidica.

La produzione di questo tipo di laminati richiede diversi passaggi di formatura e polimerizzazione. Questi passaggi richiedono parecchio lavoro e il risultato è quindi un componente costoso, soprattutto se le geometrie sono complesse. Per queste ragioni sono necessarie tecnologie di formatura alternative, così da facilitare una produzione di questi laminati. I ricercatori propongono infatti di trasformare questo materiale utilizzando le tecniche di formatura tipiche della lavorazione della lamiera, valutando i risultati e le problematiche conseguenti.

Il ritorno elastico

Figura 2 – Processo di piegatura utilizzando matrice e punzone a “V” ed effetto di ritorno elastico

Uno dei problemi che devono essere fronteggiati più frequentemente, nel mondo della lamiera, è la difficoltà nell’ottenere prodotti con la geometria desiderata in seguito a un processo di piegatura. Accade infatti spesso che, in seguito alla piegatura della lamiera, rimuovendo la forza applicata sul materiale esso tenda a ritornare alla forma originale a causa del comportamento elastico. Questo effetto di alterazione della geometria viene appunto chiamato ritorno elastico (mostrato in Figura 2). Questa deformazione geometrica può causare problemi funzionali o di assemblaggio ed è quindi necessario limitarla o evitarla. Per quanto riguarda i laminati fibra-metallo il ritorno elastico è influenzato da diversi fattori come, ad esempio, i materiali, gli spessori degli strati e la geometria del punzone. Gli autori propongono una sperimentazione su questo materiale composito con il fine di approfondire la conoscenza e supportare la produzione.

La sperimentazione

Lo studio è stato effettuato con l’obiettivo di valutare l’effetto di ritorno elastico al variare dell’angolo di piegatura con laminati fibra-metallo. Sono stati utilizzati laminati in fibra di carbonio con spessori di 0,15, 0,25, 0,35 e 0,50 mm, mentre per la parte metallica è stato utilizzato Al5754-H22 con spessori di 0,60 e 1,20 mm (disposti come in Figura 1). I provini utilizzati per la sperimentazione hanno dimensioni di 30×60 mm e sono stati ottenuti, tramite taglio water jet, da un laminato di dimensioni maggiori. Questi provini sono poi stati sottoposti a piegatura utilizzando matrici e punzoni a “V” a 15°, 30°, 45°, 60°, 75° e 90°. In seguito alla piegatura del laminato i provini sono stati accuratamente misurati utilizzando un macchinario di misura a coordinate (solitamente abbreviato come “CMM”) prodotto dalla Zeiss. La misura in 8 punti differenti ha permesso di calcolare l’angolo di ritorno elastico tra i due piani del componente.

I risultati

La prima sperimentazione è stata effettuata per studiare l’effetto di cambio angolo sul provino avente una composizione fissa (0,6 mm di alluminio esternamente e 0,15 mm di carbonio all’interno). Durante il processo di piegatura avviene uno sforzo di compressione nella superficie interna, mentre su quella esterna avviene una trazione.

All’aumentare dell’angolo di piegatura il valore di questi sforzi aumenta e, di conseguenza, anche il ritorno elastico cresce.

Figura 3 – Risultato della sperimentazione ad angolo variabile per laminati fibra-metallo (1,20/0,15/1,20 mm) dopo la piegatura. Da notare che per gli angoli di 75° e 90° sono presenti fratture sulla superficie esterna

Una seconda sperimentazione analoga, con variazione dell’angolo di piegatura, è stata effettuata utilizzando uno spessore di alluminio di 1,2 mm sulle facce esterne del laminato. In questo caso è stato registrato un ritorno elastico più importante, rispetto all’esperimento precedente, in tutte le condizioni (Figura 3).

Una terza sperimentazione è stata invece svolta con lo scopo di valutare l’effetto dello spessore dello strato in fibra di carbonio sul ritorno elastico. Per questa sperimentazione i provini sono stati tutti piegati a 30°. In questo caso il ritorno elastico massimo di 5,884° è stato ottenuto per uno spessore di fibra di 0,15 mm, mentre quello minimo di 5,049° per uno spessore di 0,50 mm. Il ritorno elastico infatti viene ridotto aumentando lo spessore dello strato di fibra, in quanto esso dona una struttura più rigida al laminato.

Le rotture

Come visibile in Figura 3, mentre nei provini piegati tra i 15° e i 60° non sono state identificate rotture, su alcuni provini piegati a 75° e 90° sono state individuate fratture sulla superficie esterna. Infatti, quando lo spessore del laminato e l’angolo di piegatura aumentano, possono presentarsi sforzi di taglio tra i differenti strati tali da causare difetti sul componente lavorato. Gli autori dello studio mostrano come sia possibile applicare processi tecnologici largamente diffusi e conosciuti su materiali innovativi e ad alte prestazioni. Siccome la richiesta di questo tipo di materiali è destinata a crescere in un prossimo futuro è interessante spingere la ricerca anche in questa direzione. La conoscenza di processi tecnologici per determinati materiali è infatti alla base per l’applicazione industriale. In questo modo sarà possibile essere pronti a supportare una produzione sempre più diffusa di questi laminati ibridi ad alte prestazioni.

A cura di Stefano Grulli

Fonte: Isiktas, A., & Taskin, V. (2020). Springback Behavior of Fiber Metal Laminates with Carbon Fiber-Reinforced Core in V-Bending Process. Arabian Journal for Science and Engineering, 45(11), 9357-9366. doi:10.1007/s13369-020-04796-w

 

 

 

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