Compositi resistenti al fuoco per applicazioni aeronautiche sviluppate nel progetto FireMat

Claudio Mingazzini, Stefano Bassi, Matteo Scafe, Enrico Leoni – ENEA SSPT-PROMAS-TEMAF
Valentina Medri, Annalisa Natali Murri – ISTEC-CNR
Narayan Jatinder Bhatia, Andrea Rossi – Consorzio MUSP
Giulia De Aloysio, Mattia Morganti, Luca Laghi – CertiMaC
Chiara Albertazzi, Brando Tuberosa – Curti Costruzioni Meccaniche SpA

This project has been awarded by Compositi’s editorial staff and technical-scientifical Commitee!

Il progetto FireMat (co-fi nanziato nell’ambito del Programma Operativo Regionale Fondo Europeo Sviluppo Regionale – POR FESR 2014-2020 della Regione Emilia-Romagna e dal Fondo per lo Sviluppo e la Coesione – FSC) mira a superare i principali limiti tecnici dei compositi a matrice polimerica (PMC), vale a dire resistenza al fuoco e la non riciclabilità.

Il progetto, coordinato da ENEA – Laboratorio tecnologie dei materiali Faenza (ENEA-TEMAF), ha coinvolto 4 partner no-profit:

1. ISTEC-CNR
2. CertiMaC
3. Consorzio MUSP
4. Romagna Tech

tutti appartenenti alla rete regionale “Rete Alta Tecnologia”, e 4 aziende locali:

1. Bucci Composites SpA
2. Curti Costruzioni Meccaniche SpA
3. Aliva Srl
4. Tampieri Energie Srl

FireMat (iniziato il 05/07/2019 e fi nito il 04/02/2022) ha sviluppato nuovi materiali e processi per questi target, focalizzando una soluzione multi-materiale e la relativa ingegnerizzazione per applicazioni nella produzione di componenti aeronautici. Da un’altra prospettiva, gli obiettivi del progetto FireMat sono il rafforzamento del settore dei materiali compositi, superando gli attuali limiti di temperatura di esercizio dei compositi fibrorinforzati a base polimerica e la promozione di economie circolari locali attraverso lo sviluppo di materiali riciclabili e l’impiego di materie prime seconde.

SVILUPPO DI FIBRE METAL LAMINATE (FML) RICICLABILI

Questo studio riguarda:

• l’ottimizzazione della laminazione di un materiale composito fibro-rinforzato
• la sua caratterizzazione meccanica
• la modellazione FEM
• l’applicazione come componenteaeronautico

La soluzione presentata è una FML (Fibre Metal Laminates) riciclabile. I PMC (Polymeric Matrix Composites) riciclabili e strutturali, sviluppati finora in ENEA a partire dalla fibra minerale di tipo aeronautico, dovevano essere associati a fogli di alluminio in modo da migliorare le caratteristiche al fuoco e rendere possibile l’applicazione alla produzione di un cofano per elicottero.

L’obiettivo era la combinazione della riduzione del peso e della resistenza al fuoco, massimizzando l’uso di materie prime riciclate, secondarie e derivate da biomasse. Gli strati di alluminio sono stati introdotti all’interno della laminazione, per fungere da barriere all’ossigeno e migliorare la resistenza al fuoco. Gli FML sono stati ottenuti a partire da una resina bio-based, con caratteristiche ritardanti di fiamma, associata a tessuti minerali derivati da basalto aeronautico, lavorati sotto forma di preimpregnati e poi accoppiati a fogli di alluminio.

La modellazione FEM si è basata sulla caratterizzazione meccanica eseguita sui singoli strati e sulla resistenza dell’adesivo inter-strato: è stata ottimizzata una struttura a sandwich composita (compresa la struttura a nido d’ape in alluminio). La modellazione a elementi finiti (FEM) è stata utilizzata per prevedere le prestazioni di varie variabili di progettazione utilizzando la tecnica di modellazione a zone coesive. La laminazione definisce l’ordine di impilamento, il loro orientamento e gli spessori dei vari strati.

Le proprietà del materiale e della laminazione del composito sono state identificate in maniera accurata, utilizzando un approccio “Design of Experiments – DOE” e specifico data matching per realizzare i modelli FEM. Infine, è stata identificata la composizione del sandwich in grado di offrire il miglior compromesso possibile tra peso, dimensioni e resistenza. Tutti i modelli FEM utilizzano il codice commerciale Abaqus/CAE© e il software di ottimizzazione Isight© di Simulia©.

Gli FML sono strutture ibride basate su strati di PMC rinforzati con fibre alternate e lamiere di lega metallica. Le prestazioni meccaniche potenziali degli FML dipendono dalla natura particolare degli strati compositi e metallici e dai pretrattamenti effettuati sul metallo, che devono essere studiati e ottimizzati. La soluzione tecnica discussa in questo articolo mira a produrre “FML in forma complessa” di potenziale interesse per applicazioni aeronautiche, con gli ulteriori benefi ci della sostenibilità ambientale (strati compositi riciclabili bio-based e parzialmente C2C), produzione rapida di forme complesse (sfruttando strati di prepreg e alluminio a basso spessore) e resistenza al fuoco (utilizzando l’alluminio come barriera all’ossigeno). La produzione degli FML è stata effettuata a partire da preimpregnati a base di PFA, utilizzando una pressa a caldo. Il processo di produzione può essere effettuato anche in autoclave. Le prove di trazione ASTM [5] e i T-peel test [2] seguono le indicazioni delle normative standard e sono state eseguite per determinare le proprietà meccaniche degli FML.

Per permettere la modellazione FEM, sono state effettuate e simulate prove di adesione. Grazie all’implementazione di modelli Isight con DOE e data matching, è stata eseguita la modellazione FEM in maniera iterativa fino ad ottenere una ragionevole rappresentazione delle proprietà del materiale per lo strato adesivo. Il punto di inizio della frattura e la resistenza media di adesione sono le due variabili considerate per ottenere la curva di corrispondenza migliore.