Prima sotto forma di kevlar per l’efficienza dimostrata nel campo delle protezioni balistiche, poi diffondendosi nell’industria della nautica, settore di punta nell’impiego degli FRP (Fiber Reinforced Plastics) fino agli anni Sessanta.
In parallelo è cresciuto e consolidato il suo utilizzo nell’ambito della difesa e, in particolare, nelle applicazioni per l’aerospazio ed il navale. La resistenza ai fenomeni corrosivi, causati sui materiali metallici dall’esposizione alla salsedine marina, unita alle rilevanti caratteristiche di resistenza meccanica specifica e di bassa rivelabilità radar, da una parte hanno visto questi materiali trovare largo impiego sui velivoli e sul naviglio militare, dall’altra hanno aperto la porta ad un diffuso utilizzo nell’ambito civile e, in particolare, nell’industria chimica. Resistenza alle alte pressioni, durata, possibilità di fabbricare componenti di grandi dimensioni, nessuna necessita di rivestimenti interni, resistenza alla corrosione, ne hanno fatto “un” materiale insostituibile nelle operazioni unitarie chimiche, nella fabbricazione della cellulosa e della carta, nel campo della produzione dell’energia, del trattamento dei rifiuti.
Il mercato automotive
Negli anni Settanta si compie un altro passo fondamentale nell’impiego di questi materiali, il loro consumo nel mercato automobilistico supera quello nautico e navale, un primato che continua a rafforzarsi.
A partire dal 1945, quando la Owens Corning in partnership con William Stout sviluppa la Stout 46 realizzandone il corpo in fibra di vetro composito, è stato un susseguirsi di esperienze e di innovazioni introdotte attraverso questa classe di materiali: dalla carrozzeria in vetroresina della Chevrolet Corvette, al cappuccio di camion pesanti e parafanghi modellati in un unico pezzo, dall’invenzione del processo di SMC (Sheet Molding Composite), utilizzato nella realizzazione del deflettore della station wagon Chrysler, ai pannelli della carrozzeria della Ford Shelby GT, fino al sistema front-end SMC integrato su Toro e alla scatola di ripresa SMC nella Sport Track.
Fibre naturali
In questa evoluzione non si può trascurare il ruolo giocato dalle fibre naturali e gli scenari futuri legati ad esse.
Nei primi anni Trenta Henry Ford affrontò questo tema analizzando diversi materiali naturali. Famosissimo è il modello T (realizzato tra il 1908 e il 1927) di cui molti elementi erano prodotti con matrici derivate dalla soia (storica la foto del 1941 che mostra Ford colpire il prototipo con una mazza per dimostrare la resistenza del materiale, fino a 10 volte inferiore a quella dei metalli impiegati per le carrozzerie).
Questa fase pionieristica non portò all’affermazione industriale del composito, in quanto le leghe metalliche, potendo garantire una maggiore durevolezza, prevalsero nella pratica industriale e commerciale.
Si è verificata, però, a partire dagli anni ’50 un’inversione di tendenza a cui fece riscontro non solo una successiva escalation costante nell’utilizzo di compositi a fibra naturale (rivestimenti interni, carrozzerie), ma anche la percezione di una prospettiva di sempre maggiori loro impieghi. A favorire questa tendenza furono i notevoli impatti positivi in termini di costo, ma, soprattutto, lo smaltimento ecosostenibile dei materiali, fermo restando la prevalenza d’uso dei compositi polimerici rinforzati con fibre di natura ‘’chimica’’ (carbonio, vetro, kevlar, etc.), mai messa in discussione.
Gli FRP
L’utilizzo del composito fibro-rinforzato (a matrice qualsiasi) si è sostanziato prevalentemente, ad oggi, nei settori dell’auto da competizione (F1 su tutte) e di lusso, ovvero in un contesto che si caratterizza per un basso rateo di produzione – tipico delle produzioni ‘’artigianali’’, e per l’assenza di particolari vincoli di costo.
Scalarne l’uso alla grande produzione, guardando, in particolare, all’utilitaria come approdo finale, significa affrontare diversi aspetti per risolvere le problematiche:
• adeguata stima del numero di auto producibili ogni anno
• passaggio dall’approccio “artigianale” ad una completa industrializzazione e, dove possibile, automazione dei processi di fabbricazione e di qualifica sia del materiale sia delle strutture realizzate con esso
• accessibilità ad elevate quantità di materie basi (matrici e fibre) a costi più ragionevoli, by-passando l’attuale approccio quasi monopolistico dei fornitori e di tutta la supply chain
• aspetti logistici, quali manutenzione e riparazioni di parti in composito e smaltimento dei materiale dopo il phase-out della vettura o di un suo componente sostituito per rottura
• riduzione di costi overall.
Va considerato, inoltre, che l’applicazione del composito impone anche un trade-off sviluppato a livello della prestazione e dei requisiti di veicoli (ad esempio, gli aspetti legati alla sicurezza), in quanto un eccessivo alleggerimento nel peso totale del mezzo ne riduce la stabilità. Questo, così come accade con le superfici aerodinamiche deportanti delle F1, richiede l’introduzione di sistemi (attivi e/o passivi) necessari a rendere l’auto stabile e sicura in ogni regime di guida consentito, con tutti gli aspetti di complessità e di costi associati.
Per contro, ridurre i pesi vuol dire abbattere consumi ed emissioni, tenuto conto, però, che le migliori soluzioni sono perseguibili, in modo rimarchevole, affrontando il problema in sinergia con il punto di vista del motore e della power generation (carburante, elettrico, etc.).
Trend futuri
Da un’analisi TRISS (metodologia Trauma and Injury Severity Score sviluppata per predire la probabilità di sopravvivenza dopo un trauma) comparativa del settore auto con quello aerospaziale emerge come sia ragionevolmente ipotizzabile che la tendenza a sostituire le leghe di alluminio con i compositi in atto nel secondo, si manifesterà nel primo: la fase di sviluppo dell’auto realizzata in lega di alluminio si avvia, quindi, alla conclusione. D’altra parte questa previsione poggia su considerazioni di varia natura.
Valutazioni ingegneristiche dicono che, a fronte di un impiego strutturale del composito polimerico in grado di garantire risparmi in peso del 10%, saranno conseguibili non solo riduzioni dei consumi attestati tra il 6 ed il 7%, ma anche un’anticipata introduzione di sistemi propulsivi innovativi. Si prevede che l’impiego di FRP, comunque, porterà a risparmi in peso del 30% rispetto alla situazione attuale.
Le analisi di mercato lasciano intravedere per il 2020, da una parte, una domanda di fibre di carbonio proveniente dal settore automotive in netta crescita e compresa tra 96.000 (scenario confermato) e 120.000 tonnellate (previsione), dall’altra, la possibilità di conseguire una riduzione del costo di produzione attestabile sui $ 7,85/lb (a partire dalla base attuale che è di circa $ 10/lb) attraverso lo scaling-up degli impianti e delle linee di fabbricazione.
Queste valutazioni, inoltre, non scontano l’impatto positivo prevedibile con l’introduzione di materiali innovativi quali i nanotubi o i monocristalli in carbonio, e quello derivante dall’introduzione delle fibre naturali (lignina) o di precursori a più basso costo di produzione (Textile PAN e polyolefin-based precursors).
Il Salone dell’auto di Ginevra appena conclusosi sembra sposare appieno queste tendenze, se è vero che l’applicazione del composito polimerico ha visto estendere la propria presenza dalle auto di alta gamma, come la Ferrari con il telaio in fibra di carbonio e la Lamborghini Huracán LP610-4, che ha associato ad un telaio ibrido in lega di alluminio e fibra di carbonio la carrozzeria con uno sheet esterno in alluminio e composito, alle berline di pregio (BMWi3) e alle auto di fascia inferiore come la Citroen C4 Cactus con i suoi pannelli laterali in composito, fino a strizzare l’occhio al concept ecologicamente sostenibile della Biofiore che, prodotta dalla collaborazione tra la United Paper Mill e la Metrolopia University of Applied Sciences di Helsinki, prevede l’impiego di compositi a base di cellulosa e legno.
Si sta avverando quel ritorno al futuro preconizzato da Ford ormai nel lontano 1941!
di Marco Regi e Francesco Sintoni
