I laminati ibridi fibra-metallo (Fiber Metal Laminates, FMLs) sono composti da diversi strati di metallo e materiale composito. L\u2019ampia differenza nelle propriet\u00e0 termomeccaniche e fisiche dei diversi strati presenti all\u2019interno degli FMLs rende estremamente problematica la loro processabilit\u00e0 con tecniche convenzionali. In particolare, l\u2019ottenimento di forme complesse a costi contenuti \u00e8 praticamente impossibile, problema che limita di gran lunga il loro campo di applicazione.<\/p>\n
Questo lavoro indaga sulla possibilit\u00e0 di utilizzare una sorgente laser a diodi a elevata potenza per piegare i laminati fibra-metallo. A tale scopo, \u00e8 stato studiato l\u2019effetto dei principali parametri operativi del laser, ovvero potenza del laser, velocit\u00e0 di scansione e numero di passaggi, sulla piegatura degli FMLs. \u00c8 stata, quindi, eseguita un\u2019analisi al microscopio ottico dei substrati sottoposti al processo di piegatura laser, al fine di evidenziare fenomeni di delaminazione interfacciale e di alterazione termica della superficie. I risultati sperimentali hanno mostrato una buona applicabilit\u00e0 della lavorazione laser nel processo di piegatura dei laminati fibra-metallo, aprendo cos\u00ec nuove possibili opportunit\u00e0 per questa classe di materiali nelle applicazioni aeronautiche e aerospaziali.<\/p>\n
di Annamaria Gisario, Massimiliano Barletta, Andrea de Bartolomeis<\/em><\/p>\n I laminati fibra-metallo rappresentano un\u2019innovativa classe di materiali compositi a elevate prestazioni di interesse per il settore aeronautico e aerospaziale [1-6]. Tali materiali sono costituiti da strati sovrapposti, un composito fibra-matrice polimerica [6] (in genere, termoindurente) incollato su un sottilissimo foglio in materiale metallico. La loro principale peculiarit\u00e0 \u00e8 il poter coniugare le propriet\u00e0 di tenacit\u00e0 e resistenza a fatica del metallo, con la leggerezza, l\u2019inerzia chimica e la resistenza meccanica specifica dei materiali compositi [5-9]. Si propongono dunque come materiali di eccellenza per la sostituzione di leghe di allumino o magnesio [6]. Una classe particolarmente interessante \u00e8 rappresentata dal GLARE (Glass Laminate Aluminium Reinforced Epoxy), un materiale costituito da fogli di materiale metallico ai quali si alternano strati di preimpregnato. Quest\u2019ultimo \u00e8 formato da fibre di vetro e una resina epossidica che ha la funzione di incollare tra loro i fogli di materiale metallico [10-11]. Il potere adesivo di tale preimpregnato \u00e8 elevato e ci\u00f2 ha permesso di produrre laminati in fibra metallica (Fiber metal laminate, FML) con pi\u00f9 strati di fibre orientati in modo differente cos\u00ec da realizzare laminati con prestazioni migliori, in grado cio\u00e8 di sopportare anche sollecitazioni bidirezionali [7-10]. L\u2019attuale diffusione industriale dei laminati fibra-metallo \u00e8 tuttavia ostacolata da due fattori: un elevato costo di acquisto e l\u2019oggettiva difficolt\u00e0 di lavorazione, in particolare nelle operazioni di sagomatura\/formatura che richiedono spesso particolari attrezzature dedicate difficilmente ammortizzabili sul lotto [11]. Attualmente, le principali tecniche impiegate per la formatura di laminati fibra-metallo sono artigianali e sono fortemente legate alle capacit\u00e0 manuali degli operatori che sagomano, su stampo e per semplice deposizione, strati individuali di laminato fino a ottenere le forme desiderate per sovrapposizione. Successivamente, la deposizione manuale dei laminati \u00e8 seguita da un processo di consolidamento in autoclave ad alta temperatura e pressione [13-15]. I costi connessi all\u2019acquisto della materia prima e quelli legati alle complesse procedure manifatturiere spesso scoraggiano il ricorso ai laminati fibra-metallo. Tuttavia, tali classi di materiali, essendo in prevalenza costituiti da metallo, possono esibire in formatura comportamenti simili a quelli delle lastre di metallo [16-17]. Pertanto, partendo da laminati piani, \u00e8 possibile pensare di adottare tecniche di formatura non convenzionali che non necessitino di stampi per essere sagomate, al fine di ottenere profili curvi di potenziale interesse industriale [17-20]. In tale contesto, risulta di sicuro interesse affrontare la problematica della piegatura di laminati fibra-metallo, in particolare del GLARE, proponendo un approccio pi\u00f9 versatile e innovativo che richiede, per esempio, l\u2019impiego di una sorgente laser per effettuare la piegatura, senza quindi far ricorso a stampi. Potrebbe essere questo il giusto presupposto per indagare successivamente sulla possibilit\u00e0 di formare prototipi di sotto\u2010pannelli mediante tecniche composte da pieghe successive con passo costante che porti a geometrie a curvatura multipla idonee per specifiche esigenze quali, per esempio, le fusoliere degli aeromobili.<\/p>\n La fase di sperimentazione Materiali<\/strong> Sorgente Laser<\/strong> Descrizione delle fasi operative nella sperimentazione<\/strong> Discussione dei risultati Interazione fascio laser materiale<\/strong> Analisi della temperatura e degli angoli di piega<\/strong> Analisi metallografica<\/strong> Conclusioni<\/strong> I laminati ibridi fibra-metallo (Fiber Metal Laminates, FMLs) sono composti da diversi strati di metallo e materiale composito. L\u2019ampia differenza nelle propriet\u00e0 termomeccaniche e fisiche dei diversi strati presenti all\u2019interno degli FMLs rende estremamente problematica la loro processabilit\u00e0 con tecniche convenzionali. In particolare, l\u2019ottenimento di forme complesse a costi contenuti \u00e8 praticamente impossibile, problema che …<\/p>\n","protected":false},"author":7,"featured_media":1129,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[],"class_list":["post-1128","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-tecnologia"],"yoast_head":"\n
\nPer la sperimentazione \u00e8 stato utilizzato un particolare tipo di laminato fibra-metallo: il GLARE. Tale materiale \u00e8 composto da lega di alluminio 7475-T761 e resina epossidica FM906 rinforzata con fibra di vetro. Si \u00e8 partiti da una lastra 1.000 x 1.500 x 1 mm3 successivamente tagliata mediante una lama diamantata, con controllo della temperatura, in campioni delle dimensioni 50 x 70 mm2.
\nIl laminato fibra-metallo di tipo Glare \u00e8 stato fornito dalla GTM Advanced Structures (GTM-AS), un organismo indipendente impegnato in attivit\u00e0 di Ricerca e Sviluppo finalizzate a progettare, produrre e testare materiali e strutture avanzate di classe ibrida per il settore dell\u2019Aerospazio. Le tecniche di preparazione dei laminati sono proprietarie.<\/p>\n
\nLe prove di piegatura dei laminati sono state eseguite mediante una sorgente laser a diodi a elevata potenza (Rofin Sinar DL015) che opera con una lunghezza d\u2019onda di 940nm e uno spot ellittico con i 2 semiassi, minore e maggiore, rispettivamente pari a 0,6 x 1,9 mm. La potenza massima erogabile dalla sorgente \u00e8 di 1.500 W anche se il massimo valore utilizzato per la seguente sperimentazione \u00e8 comunque inferiore ai 250 W. Il fascio laser \u00e8 stato focalizzato impiegando una focale corta di 63 mm, da preferirsi quando lo spessore del materiale da lavorare risulta essere esiguo come in questo caso.La movimentazione dei campioni \u00e8 stata realizzata sfruttando una tavola CNC gestita tramite un apposito front panel costruito con Labwiew, sul quale viene interfacciata anche la sorgente laser. Tramite un file testo si \u00e8 impostata la velocit\u00e0 di scansione del fascio laser, il percorso da eseguire e la potenza da erogare.
\nDurante ciascun test \u00e8 stato sempre impiegato un gas di assistenza, flussato lateralmente al fascio laser a scopo protettivo, in particolare per evitare ossidazioni in superficie. La scelta del gas di assistenza \u00e8 ricaduta sull\u2019azoto, per una ragione essenzialmente legata al minore costo d\u2019impiego e al pi\u00f9 alto calore specifico se confrontato con l\u2019argon.
\nIl meccanismo di piegatura a cui si \u00e8 fatto ricorso \u00e8 il TGM (Temperature Gradient Mechanism) [23], ossia quel meccanismo in grado di generare un gradiente di temperatura che provoca una piega verso la superficie colpita dal fascio.<\/p>\n
\nLa sperimentazione \u00e8 stata condotta realizzando, su ciascun provino, un\u2019unica piega necessaria a comprendere, in tale studio preliminare, il tipo di interazione della sorgente laser con il materiale e a individuare la corretta scelta dei parametri di processo. Viene riportato, in Tabella 1, il piano sperimentale eseguito sul materiale in esame. Come output sono stati acquisiti la temperatura e l\u2019angolo di piega. Infine, sono state effettuate alcune indagini metallografiche mediante microscopio ottico (Leica DM IRM), su campioni scelti ad hoc, per valutare in quali condizioni sperimentali si \u00e8 giunti a degradazione locale della resina, condizione certamente da evitare per non invalidare globalmente le propriet\u00e0 del materiale.<\/p>\n
\nIl processo di piegatura laser di laminati fibra-metallo \u00e8 molto pi\u00f9 complesso di quello tradizionale ossia quello relativo alla piegatura laser della sola lamina metallica. Come noto dalla letteratura [21-22], nel processo di piegatura si pu\u00f2 affermare, in generale, che siano definibili per ogni materiale metallico un limite inferiore di piega, ovvero il minimo angolo di piega diverso dal valore nullo e un limite superiore di piega, ovvero il massimo angolo di piega ottenibile senza indurre la frattura fragile localizzata all\u2019estradosso. Il limite superiore di piega costituisce quindi un principale vincolo per l\u2019ottenimento di forme complesse ed \u00e8 correlato con le propriet\u00e0 meccaniche (in particolare l\u2019allungamento percentuale a rottura) e geometriche del materiale (lo spessore). Nel processo di piegatura termica, se condotto mediante sorgente laser, si ottiene il vantaggio di raggiungere la frattura fragile localizzata per angoli pi\u00f9 acuti in virt\u00f9 del contestuale riscaldamento del materiale che diventa pi\u00f9 duttile [23]. Tuttavia, occorre che la sorgente laser venga assistita da un sistema di piegatura meccanica per favorire angoli di piegatura pi\u00f9 elevati [24-26]. Tale rottura, solitamente, avviene poich\u00e9 l\u2019ossidazione della superficie susseguente il riscaldamento per esposizione al fascio laser rende la superficie stessa fragile (ossidi, carburi e nitruri sono i composti pi\u00f9 duri che si formano). Il particolare materiale impiegato nella presente sperimentazione, essendo composito, mostra un ulteriore limite che \u00e8 il limite della delaminazione, conseguente alla diversa risposta che offrono i due materiali costituenti il composito, tra loro a stretto contatto, i.e. lamina metallica e la resina termoindurente, durante la fase di piegatura e, successivamente, durante la fase di ritiro termico che ne consegue. Dunque l\u2019identificazione e la scelta dei parametri all\u2019interno della finestra di lavorabilit\u00e0 risulta essere pi\u00f9 complessa da caratterizzare e gli intervalli utili dei parametri operativi pi\u00f9 stretti. Il limite di delaminazione \u00e8, infatti, correlato principalmente con la temperatura [27] che si instaura nel materiale a seguito dell\u2019interazione con il fascio laser. A questo proposito non si pu\u00f2 allora trascurare che la resina epossidica possa sopportare temperature di gran lunga inferiori a quelle di una lega di alluminio prima di degradarsi termicamente, diventando tale aspetto il principale limite da osservare.<\/p>\n
\nIl processo di piegatura laser sul GLARE ha prodotto i valori riportati nella Tabella 2, per i due output considerati. Come si pu\u00f2 notare, gli angoli ottenibili, frutto del meccanismo di piegatura per TGM, sono compresi nell\u2019intervallo 0\u00b0 \u00f7 12.16\u00b0. L\u2019angolo di piegatura cresce in maniera coerente con l\u2019aumentare dell\u2019apporto termico fornito al materiale per irraggiamento laser. L\u2019unica eccezione si ottiene quando l\u2019apporto termico diviene troppo elevato, (vedi la prova ABA) in quanto l\u2019angolo ottenuto si riduce a 1.16\u00b0 a causa della frattura del materiale sopraggiunta. La frattura riduce, quindi, in modo sostanziale l\u2019effetto dello stato di compressione indotto, durante la fase di espansione termica del materiale, nella porzione di laminato immediatamente adiacente a quello direttamente investito dal fascio laser, pur non annullandolo completamente. Il risultato \u00e8 una riduzione drastica dell\u2019angolo di piegatura ottenibile nel laminato durante l\u2019irraggiamento con il fascio laser per effetto del succitato meccanismo TGM. In Figura 1 viene riportato un set di grafici che mostra i valori di temperatura raggiunti nei provini a seguito dell\u2019interazione del fascio laser, al variare di ciascun parametro in input (velocit\u00e0 di scansione, numero di passate, potenza del fascio). La temperatura nei laminati aumenta al crescere della potenza e del numero di passate e decresce all\u2019aumentare della velocit\u00e0 di scansione. All\u2019aumentare della velocit\u00e0 di scansione, infatti, diminuisce il tempo di interazione tra fascio laser e materiale e quindi l\u2019apporto termico, dunque si riscontra un decremento della temperatura e corrispondentemente un rischio minore di indurre degradazioni termiche nella resina. I trend osservabili sono sostanzialmente lineari. La linearit\u00e0 della risposta termica del materiale durante l\u2019irraggiamento laser al variare dei parametri operativi (velocit\u00e0 di scansione, numero di passate, potenza del fascio) \u00e8 di grande interesse pratico, in quanto rivela la possibilit\u00e0 di operare il processo di piegatura in condizioni di controllo adeguato, essendo di norma il riscaldamento nel materiale correlabile a un determinato angolo di piegatura e, dunque, ad una determinata forma finale del manufatto.
\nLa Figura 2 mostra le mappe di processo ottenute per gli angoli di piegatura. Le prove sperimentali permettono di evidenziare le seguenti singolarit\u00e0 negli andamenti dell\u2019angolo di piegatura: la potenza ed il numero di passate influenzano il valore dell\u2019angolo di piegatura marcatamente. In particolare, un incremento del loro valore comporta angoli di piegatura maggiori. Di contro, l\u2019effetto della velocit\u00e0 di scansione sull\u2019angolo di piegatura conseguibile non \u00e8 univocamente definibile.
\nValori di velocit\u00e0 di scansione pi\u00f9 elevati e numero di passate limitato comportano angoli di piegatura modesti. Incrementando il numero di passate, l\u2019effetto dell\u2019aumento della velocit\u00e0 di scansione sull\u2019angolo di piegatura conseguibile tende progressivamente a scemare. Non \u00e8 comunque consigliabile impiegare un numero elevato di passate in quanto ad ogni passata il livello di ossidazione del provino aumenta, la superficie quindi diventa pi\u00f9 scura ed incrementa di molto il coefficiente di assorbimento del fascio, rendendo il processo pi\u00f9 instabile e difficilmente controllabile. All\u2019aumentare del coefficiente di assorbimento, si favorisce la plasticizzazione del materiale, ovvero dello strato superiore di alluminio direttamente esposto all\u2019azione del fascio laser. Questa, tuttavia, si manifesta solo nel primo strato di alluminio il quanto il composito in fibra di vetro \u00e8 un materiale termicamente isolante, riscaldandosi meno del metallo a seguito dell\u2019incremento del coefficiente di assorbimento. In tali condizioni, la delaminazione tra strato e strato \u00e8 favorita in corrispondenza del primo strato del laminato, il quale contraendosi durante la fase di raffreddamento tende a portarsi dietro gli altri strati metallici, sollecitando anche la resina che \u00e8 tra essi interposta. Il primo strato di laminato funge, dunque, da trasmettitore delle sollecitazioni. Tuttavia, la resina sopra i 170\u00b0C inizia a perdere il suo potere adesivo e a degradare termicamente, portando al collasso del laminato. Quanto appena descritto \u00e8 proprio ci\u00f2 che accade sui provini ottenuti con il numero di passate pi\u00f9 elevato, (pari a 6 nella sperimentazione condotta) ed \u00e8 tanto pi\u00f9 probabile se si eleva contestualmente il valore della potenza del fascio laser. Si pu\u00f2 osservare, infatti, in tali condizioni, un andamento differente della superficie di risposta rappresentativa degli angoli di piega al variare dei parametri operativi (velocit\u00e0 di scansione, numero di passate, potenza del fascio).
\nCalcolando il valore della fluenza per ciascuna condizione sperimentale, si evince che il valore massimo della fluenza (secondo quanto riportato in Tabella 3) non pu\u00f2 essere, per il Glare, superiore a 5 J\/mm2 per singola passata. Oltre tale valore di soglia, il processo di piegatura non \u00e8 pi\u00f9 gestibile e gli angoli conseguenti di piegatura calano per effetto dell\u2019insorgenza della delaminazione. Di seguito viene fornita una tabella (Tabella 4) che riassume, per il materiale oggetto della presente investigazione, le principali caratteristiche esaminate.<\/p>\n
\nIn Figura 3 si riporta in un\u2019unica micrografia la sezione trasversale di 4 differenti condizioni sperimentali tra quelle esaminate. Le scansioni al microscopio mostrano come la resina sottoposta al trattamento termico, anche in assenza di delaminazione, tenda a subire una alterazione strutturale all\u2019aumentare della temperatura. La temperatura di delaminazione \u00e8 stata stimata intorno ai 170\u00b0C, circa 40 \u00b0C pi\u00f9 elevata della temperatura di polimerizzazione della resina. \u00c8 importante notare che il distacco, quando si verifica, avviene all\u2019interfaccia tra il metallo direttamente esposto alla sorgente laser e lo strato di composito adiacente. Gli altri strati rimangono sufficientemente adesi, in quanto i fenomeni associati al riscaldamento per esposizione al fascio laser sono mitigati dalla maggiore distanza rispetto alla zona di massima focalizzazione del laser e dal potere isolante dello strato (degli strati) in materiale composito.<\/p>\n
\nL\u2019analisi sperimentale svolta nel presente lavoro ha permesso di studiare l\u2019interazione fascio Laser – GLARE (laminato alluminio – composito con resina epossidica e rinforzo in fibra di vetro) in un processo di piegatura di laminati a due strati. In via preliminare \u00e8 stato possibile analizzare i parametri chiave nel processo di piegatura laser identificando i range applicativi che consentono di ottenere i migliori risultati in termini di angolo di piega conseguibile e assenza di alterazione del materiale trattato. Dalla pratica sperimentale, si evince che il principale limite della tecnologia di piegatura laser del GLARE \u00e8 da attribuire all\u2019alterazione termica del materiale, in special modo della resina, ed al differente comportamento termico dei differenti strati del GLARE che possono generare delaminazione. \u00c8 noto che la produzione attuale di sagome in GLARE mediante tecniche tradizionali non ne favorisce la sua competitivit\u00e0 nel settore aereonautico dato l\u2019elevato costo di acquisto e la complessa lavorabilit\u00e0 del materiale. Tuttavia, tecnologie innovative atte a razionalizzare il processo di piegatura del GLARE, come nel caso dei sistemi laser, possono estenderne le potenzialit\u00e0 ed i campi applicativi industrialmente sostenibili. l<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"