Fatica e Compositi nei 787

[Irkut]

Ciao a tutti.

 

Mi è capitato parecchio tempo fa di sentire una conferenza nella quale si asseriva con una certa leggerezza che non ci sono test attendibili sulla resistenza a fatica dei materiali compositi. In particolare questo discorso era riferito al loro impiego per la fusoliera del Boeing 787 (visto che parlare di materiali compositi è un po' troppo generico in sè). La conclusione del relatore era che sebbene questi materiali siano effettivamente vantaggiosi da molteplici punti di vista, sotto l'aspetto della sicurezza ancora non sappiamo quanto possano garantire.

Ovviamente questo mi ha lasciato un po' sconcertato, visto che l'aereo è già in produzione.

 

Questa cosa l'ho sentita più di un anno fa, ma mi è rivenuta in mente leggendo altri topic sul forum, per cui ho deciso di chiedere delucidazioni.

 

Grazie e a presto,

 

 

rollo

[Ospite Andrea29]

credo che prima di mettere in produzione un aereo civile che è cosa diversa dal mettere in produzione l'alfa mito

ci siano centinaia se non di più test da fare e non credo prorpio abbiamo messo in produzione un aereo che

non rispetti i canoni di sicurezza!

 

per resistenza poi cosa intendi resistenza all'impatto?

[Irkut]

Anche io credo che di test ce ne siano, in effetti non è che sto "sponsorizzando" questa tesi.

 

Riguardo alla terminologia si, mi riferisco alla resistenza all'impatto, ero stato impreciso. In particolare veniva fatto un esempio: in caso di atterraggio senza carrello si sosteneva che la deformazione della fusoliera non sarebbe prevedibile, e questo potrebbe ad esempio portare all'impossibiltà di aprire i portelloni di sicurezza.

[Ospite Andrea29]

si ma non ti stavo attaccando esponevo solo la mia tesi.

 

sulla deformazione mi viene in mente una cosa:

 

ma è piu elastico inteso come deformabile l'alluminio o il composito?

 

per far capire se io tiro un calcio ad una macchina questa si ammacca ma se lo tiro ad una zonda in carbonio cosa succede si ammacca o si spacca?

 

so che il composito è diverso dal carbonio ma come resistenza siamo li.

anche perchè il composito è l'insieme di kevlar carbonio e alluminio giusto?

o mi profondamente sbagliando?

[Flaggy]

si ma non ti stavo attaccando esponevo solo la mia tesi.

 

sulla deformazione mi viene in mente una cosa:

 

ma è piu elastico inteso come deformabile l'alluminio o il composito?

 

per far capire se io tiro un calcio ad una macchina questa si ammacca ma se lo tiro ad una zonda in carbonio cosa succede si ammacca o si spacca?

 

so che il composito è diverso dal carbonio ma come resistenza siamo li.

anche perchè il composito è l'insieme di kevlar carbonio e alluminio giusto?

o mi profondamente sbagliando?

Sbagliato: ti stai profondamente sbagliando...

 

Già il termine composito, al singolare, non rende giustizia a una famiglia spaventosamente vasta di materiali, sia come tipologia di materiali utilizzati che di modalità di realizzazione.

Basta fare una rapidissima e semplicissima ricerca su internet per rendersene conto.

 

kevlar e carbonio per es sono solo la parte di fibra del composito: spesso ci si dimentica della matrice in cui le fibre sono inserite e anch'essa può essere fatta di svariati materiali.

comunque di queste cose s'era anche già parlato.

 

http://www.aereimilitari.org/forum/index.p...mp;#entry146123

 

Essendo materiali così diversi fra di loro, non è nemmeno possibile fare un discorso generale e definirli in generale buoni o cattivi in fatto di resistenza a fatica o agli impatti ( che sono ovviamente due cose ben diverse fra loro).

 

Quanto alle caratteristiche del carbonio rispetto all'alluminio, il confronto è doppiamente senza senso. Primo perchè le fibre non sono tutte uguali e il modulo elastico può spaziare tra valori di 35 GPa (circa la metà di quelli delle fibre in vetro o dell'alluminio) a quasi 700 GPa (più di tre volte il modulo elastico dell'acciaio), secondo perchè le caratteristiche del composito sono una via di mezzo fra quelle delle fibre e quelle della matrice in cui sono imbevute.

In generale comunque i compositi hanno un comportamento elasto-fragile, cioè si deformano elasticamente e poi si spaccano: tipicamente basta vedere che succede agli alettoni delle auto di formula 1 quando c'è un incidente e i pezzi di (composito a fibra di) carbonio volano da tutte le parti.

 

Il vantaggio è che la rottura in un pannello (magari enorme) di un aereo non è detto sia completa, ma può interessare solo alcune fibre e parte della matrice.

Un eventuale impatto quindi può danneggiare la zona colpita senza che il danno si propaghi a quelle circostanti.

 

Il vantaggio è poi che i pannelli in composito sono più spessi di quelli di metallo e quindi lavorano molto bene a flessione e reggono bene anche agli impatti.

In ogni caso un aereo non è l'automobile con cui la mattina andiamo al lavoro e se prende una botta non è che si va dal carrozziere che ci da sopra due martellate per raddrizzarla.

I pezzi strutturali si sostituiscono sia che siano di metallo che di composito.

 

In questi anni comunque i compositi sono stati utilizzati prima timidamente e poi massicciamente sugli aerei militari e ora si sta facendo la stessa cosa su quelli civili.

L'esperienza in merito è ora notevole e le prove a fatica le si fanno sempre e comunque, sia su provini che su intere aerostrutture complete.

Se non si passano tali prove un aereo non viene certo messo sul mercato.

 

I compositi poi, per loro stessa natura, hanno caratteristiche variabili nel tempo (certi polimeri per es si deteriorano col tempo) e non è sempre facile prevedere anche questo aspetto, ma l'esperienza che si è fatta è notevole e i vantaggi nel loro utilizzo in aeronautica restano enormi.

[Irkut]

Ciao Flaggy, grazie per la risposta. Mi sembra evidente da quello che dici il tuo parere.

 

Volevo chiederti due cose se posso: innanzitutto in quante parti viene realizzata la fusoliera del 787. So che alcune autoclavi sono in italia (alenia aeronautica), ma non so esattamente quanti pezzi vengono assemblati. Lo chiedo perchè questo potrebbe essere uno svantaggio del composito. Ovvero, mentre se si forma una cricca su un pannello di alluminio lo si può cambiare, se si forma una cricca sul pezzo di fusoliera del composito bisogna buttare il pezzo intero, e questo singifica alumento dei costi di manutenzione.

 

In secondo luogo volevo chiederti come vengono realizzate le interfacce. Tra composito e composito si usano sempre rivetti? Se non sbaglio la concentrazione degli sforzi è proprio quello che si vuole evitare in un composito. E infine le interfacce tra composito e altri materiali sono critiche: ad esempio i rivetti (se vengono usati), oppure anche l'interfaccia tra fusoliera e muso del 787 (non credo sia tutto in composito)..

 

Grazie della disponibilità.

 

Ps: per andrea29, so che non mi stavi attaccando, tranquillo

[Flaggy]

Allora, prima di tutto c'è da dire che i pannelli metallici spesso e volentieri sono grandicelli e richiedono comunque un discreto lavoro per essere sostituiti.

 

Il caso della fusoliera del 787 naturalmente va un (bel) po' oltre...

In effetti ogni sezione è un'unico tubo monolitico in composito ottenuto per filament winding...Cioè un filamento di fibra imbevuta in matrice non ancora polimerizzata è letteralmente avvolto attorno a un mandrino che poi viene estratto dopo la polimerizzazione in mostruose autoclavi.

 

Il filament winding per dire è sta roba qua...

 

 

I finestrini (più grandi del normale) del 787 se non ricordo male vengono ottenuti con taglio ad acqua, per ottenere la massima precisione e pulizia del taglio senza sfilacciamenti delle fibre tranciate o bruciature della matrice.

 

I compositi effettivamente sono delicati quanto a fissaggi e spesso si ricorre all'incollaggio per evitare perniciose concentrazioni di sforzo sulla matrice più cedevole in corrispondenza di punti in cui le fibre sono interrotte.

Per dire, i longheroni in composito delle ali dell'F-18, se non ricordo male sono incollati a degli attacchi metallici che a loro volta sono imbullonati alle ordinate di fusoliera.

 

In ogni caso non è che non si possano usare rivetti sui composti...

I compositi si rivettano eccome, solo che nel forarli bisogna usare molta cura per preparare la sede del rivetto e bisogna distribuire al meglio lo sforzo di ogni giunzione su tutta la superficie del foro, onde evitare concentrazioni di sforzo che danneggino la matrice del composito.

Proprio nei 787 in costruzione sono per esempio stati rimossi migliaia di rivetti che non erano stati posizionati con la giusta cura...

La rimozione dei rivetti consente ovviamente di sostituire intere pannellature.

Questa è per esempio l'ala di un F-22 priva del pannello di rivestimento in composito.

 

 

Si vedono longheroni e centine in composito o in titanio letteralmente sforacchiati: quei fori sono la sede dei rivetti con cui sarà fissato il pannello in composito a fibra di carbonio.

 

In ogni caso ci sono procedure particolari che consentono di riparare i pannelli in composito (cosa utile negli aerei militari in caso di danni subiti in combattimento), sfruttando opportune mescole che poi polimerizzano.

La fusoliera del 787, ottenuta con un filamento avvolto secondo diverse direzioni, comunque è estremamente resistente alla fatica e oppone di natura ostacoli pressochè insormontabili per la propagazione delle cricche.

 

Quanto alle sezioni di fusoliera del 787, dovrebbero essere 4 come si evince da questa immagine.

 

 

La sezione fatta in Italia è la più lunga delle due centrali. L'altra la fanno in Giappone.

Modificato 2 Aprile 2009 da Flaggy

[Maurice]

Ovvero, mentre se si forma una cricca su un pannello di alluminio lo si può cambiare, se si forma una cricca sul pezzo di fusoliera del composito bisogna buttare il pezzo intero, e questo singifica alumento dei costi di manutenzione.

Ridurre i componenti che formano la fusoliera ha l'indubbio vantaggio di semplificare la vita alle linee di assemblaggio e di ottenere una struttura più semplice e leggera. Ma se si rompe... è un problema unico della manutenzione!

Prima di sostituire un pannello di metallo o di materiale composito, si cerca prima di ripararlo in loco con opportuni disegni di riparazione, con lavorazioni studiate ad hoc. Come detto anche da Flaggy, tipicamente si procede con polimerizzazioni localizzate, anche effettuate a freddo, mentre la sostituzione è solo l'ultima spiaggia, il più delle volte significa "sventrare" l'aeromobile!

 

In secondo luogo volevo chiederti come vengono realizzate le interfacce. Tra composito e composito si usano sempre rivetti? Se non sbaglio la concentrazione degli sforzi è proprio quello che si vuole evitare in un composito. E infine le interfacce tra composito e altri materiali sono critiche: ad esempio i rivetti (se vengono usati), oppure anche l'interfaccia tra fusoliera e muso del 787 (non credo sia tutto in composito)..

Molti materiali compositi permettono un assemblaggio senza rivetti, semplicemente "incollando" le varie parti tra loro. Può sembrare strano, ma i vari componenti strutturali sono uniti tra loro come si fa con legno e colla . Utilizzare anche i rivetti permette di aggiungere un fattore di sicurezza perché, diciamocela tutta, non c'è ancora molta fiducia nella tenuta dell'incollaggio!

 

Difetti di strutture a materiale composito? Sicuramente l'umidità, non ci vanno molto d'accordo; problemi di corrosione nelle zone a contatto con altri materiali (come i rivetti), causata dalle differenze potenziale elettrolitico che si creano.

 

Dal punto di vista manutentivo, la struttura a materiale composito costringe ad un cambio di mentalità di migliaia di meccanici e di ingegneri che hanno sempre avuto a che fare con il metallo. Se prima bastava prendere a martellate un pannello per deformarlo, lavorarlo con vernici protettive o usare saldatrici, ora si richiedono capacità di gestire mescole polimeriche, incollaggi a pressione, rimozioni di corrosione nuove, ecc...

 

Questo è il futuro, dietro non si torna!