Negli ultimi quattro anni, un team di scienziati, studenti e collaboratori di MSU ha sperimentato un modo innovativo di produrre fibre di carbonio “stretch-broken“, più facilmente lavorabili, allo scopo di dare vita alle strutture complesse degli aerei, riducendo significativamente i costi di produzione.
Un’innovazione strutturale
Il composito tradizionale in fibra di carbonio – realizzato incorporando le fibre lunghe, che sono più forti dell’acciaio, in una resina indurente – è il gold standard nel settore aerospaziale perché è eccezionalmente resistente e leggero.
Le fibre, tuttavia, sono talmente rigide che per modellarle nelle curve strette di un’ala bisogna utilizzare macchinari complessi e costosi. Spesso è necessario inserire anche una sottostruttura metallica simile ad un’impalcatura, che è soggetta a corrosione e richiede ogni anno diverse riparazioni.
Il nuovo composito in fibra di carbonio di MSU, invece, è stato creato allungando il materiale in modo che alcune delle fibre si rompano nei punti deboli naturali ed è circa otto volte più malleabile di quello tradizionale, pur mantenendo la stessa resistenza. Di conseguenza, può essere modellato con attrezzature più semplici e senza sottostruttura metallica.
“Essendo molto più facile da lavorare, il nuovo materiale consente di abbassare fino a quattro volte i costi di produzione” ha affermato Douglas Cairns, il ricercatore MSU responsabile del progetto.
Il cambiamento rispetto al passato
Della possibilità di rompere le fibre di carbonio per migliorare la loro malleabilità si parla da decenni, ma i metodi utilizzati precedentemente, come il taglio casuale del materiale, si erano rivelati inadeguati, perché ne compromettevano la resistenza. Neanche la tecnica dello stretch-breaking è una novità, ma fino ad oggi nessuno aveva capito come sfruttarla in maniera efficiente, ottenendo risultati che attirassero l’attenzione dell’industria.
“Il concetto è semplice – sostiene Cairns – ma il controllo dello stesso è molto difficile“.
Collaborando con quasi due dozzine di aziende, tuttavia, il team di MSU è riuscito a sviluppare un nuovo tipo di utensile per la rottura della fibra di carbonio chiamato Bobcat Head, il cui funzionamento prevede che un filo piatto contenente migliaia di fibre venga passato attraverso una serie di rulli che rompono le fibre dove ci sono già graffi e imperfezioni.
I ricercatori hanno poi studiato le proprietà del materiale risultante. Un team guidato da Roberta Amendola, professore associato nel dipartimento di ingegneria meccanica e industriale, ha testato la facilità con cui le fibre rotte possono essere piegate in forme complesse e fissate con la resina.
“Il materiale continua a sorprenderci – sostiene Amendola – è costituito da fibre continue, ma è molto facile da lavorare. È un risultato notevole.”
Obiettivi di breve termine
Il prossimo passo sarà quello di effettuare una dimostrazione pilota di come la macchina potrebbe essere utilizzata nella produzione industriale. Ciò aprirebbe la strada per la concessione in licenza della tecnologia alle aziende aerospaziali militari e civili. Esiste la possibilità che il materiale venga utilizzato dalle industrie già nei prossimi anni.
La ricerca sta svolgendo anche una funzione educativa all’interno dell’ateneo, con più di otto studenti universitari e una dozzina di neolaureati che hanno contribuito al progetto. Un’altra squadra che sta partecipando alla ricerca è quella del dipartimento di ingegneria meccanica e industriale, sotto la guida del professor Dilpreet Bajwa e del professore associato Cecily Ryan.
“Gli scienziati e gli ingegneri di Montana State sono all’avanguardia nel miglioramento dei materiali compositi – ha affermato Jon Tester, presidente della sottocommissione per la Difesa del Senato degli Stati Uniti – sono orgoglioso di vedere come alcune delle menti più brillanti del Montana contribuiscano a mantenere la nostra nazione al sicuro attraverso questa partnership con l’esercito federale e guardo con grande fiducia ai benefici che lo studio di MSU sulle fibre di carbonio potrà portare alle nostre forze armate.”
