LE SCHIUME METALLICHE

Transcript

1 Corso di Tecnologie Speciali I LE SCHIUME METALLICHE Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università degli Studi di Napoli Federico II

2 Definizione di schiuma metallica Una dispersione uniforme di una fase gassosa in un altra solida o liquida.

3 Definizione di schiuma metallica Schiuma metallica: dispersione uniforme di una fase gassosa (bolle) all interno di un metallo ottenuta per solidificazione di una schiuma liquida. più comunemente si parla di schiuma metallica per riferirsi ad un qualsiasi materiale metallico contenente un volume notevole di porosità.

4 Definizione di schiuma metallica Cella CHIUSA Cella APERTA schiuma metallica o schiuma a cella chiusa spugna metallica o schiuma a cella aperta

5 METODI DI PRODUZIONE DI MATERIALI METALLICI CELLULARI Esistono differenti tecniche produttive per la realizzazione di schiume a celle sia aperte sia chiuse, classificabili in base allo stato fisico del metallo trattato al momento della schiumatura. È possibile suddividere le tecniche produttive in 4 categorie: Metalli liquidi Metalli solidi in forma di polveri Metalli sottoforma di vapore Soluzione di ioni metallici

6 METODI DI PRODUZIONE DI MATERIALI METALLICI CELLULARI

7 Decomposizione di schiumogeni in semisolidi Miscelazione metallo e schiumogeno Accurata miscelazione della polvere metallica alla polvere di materiale schiumogeno Sinterizzazione a freddo della miscela di polveri per rompere la pellicola di ossido che ricopre i grani metallici Sinterizzazione estrusione Estrusione a caldo del blocco di precursore sinterizzato con densità prossima a quella teorica del materiale base

8 Decomposizione di schiumogeni in semisolidi Inserimento in preforma Taglio della barra estrusa di precursore Dosaggio ed inserimento in una preforma componibile sigillata Formazione della schiuma Riscaldamento ad una temperatura di poco superiore rispetto alla temperatura del solidus della lega Decomposizione dell agente schiumogeno con sviluppo di gas e formazione della schiuma Raffreddamento ed estrazione

9 Decomposizione di schiumogeni in semisolidi Solo schiume a cella chiusa Disponibilità commerciale per schiume di alluminio Spessore ottenibile limitato Densità relativa ottenibile maggiore dell 15% Diametro dei pori 1-5mm Con un processo modificato è possibile realizzare pannelli sandwich adatti ad applicazioni strutturali Principali produttori: IFAM, Alulight

10 Una schiuma metallica, negli ultimi decenni, ha trovato un largo sviluppo in numerosi settori. Applicazioni

11 Applicazioni Strutturali: Industria aerospaziale Industria automobilistica Strutture leggere Assorbitori di energia da impatto Funzionali: Scambiatori di calore Silenziatori Diffusori Purificazione acqua Industria edile Industria biomedica 11

12 Applicazioni varie

13 Automotive Automotive

14 Perché le schiume metalliche sono interessanti? Un semplice esempio: Pannello rettangolare orizzontale appoggiato ai vertici 500x1000 mm Una forza di 1000 N applicata al centro del pannello Due soluzioni a pari rigidezza (cedimento al centro 18μm) 1. Acciaio Spessore 13,8mm Massa 53 Kg 2. Pannello sandwich pelli in acciaio 3,5 mm riempimento in schiuma di alluminio 40mm Spessore totale 47mm Massa 31 Kg A pari rigidezza il pannello sandwich ha una massa inferiore del 40%

15 Automotive

16 Ottimizzazione strutture Strutture tradizionali Strutture ottimizzate

17 Le schiume metalliche come riempimento collaborante di strutture cave SPF/DB FWR THF

18 Attività di laboratorio Precursore di partenza (2,6 g/cm 3 ): AlSi10 + 0,8% Agente schiumogeno (idruro di titanio) Stampo utilizzato per la produzione delle piastre 3x10x30 cm 3 stampo esterno 0,88x7,50x28,00 cm 3 forma interna Stampo utilizzato per la produzione di elementi cilindrici Lunghezza = 40,0 cm Diametro interno = 2,7 cm Diametro esterno = 3,0 cm

19 Attività di laboratorio Prodotti ottenuti Piastre Elementi cilindrici

20 Attività di laboratorio Ciclo Termico relativo al processo di schiumatura PIASTRE (35 min) Raffreddamento a temperatura ambiente ELEMENTI CILINDRICI (20 min)

21 Attività di laboratorio Problematiche connesse al ciclo termico: durata ciclo eccessiva Formazione di porosità superficiali Collasso della schiuma

22 Attività di laboratorio Problematiche connesse al ciclo termico: durata ciclo troppo breve e posizionamento dello stampo nel forno

23 Attività di laboratorio Problematiche connesse alla tecnologia: estrazione Estrazione cilindro Estrazione piastra

24 Prove di caratterizzazione meccanica

25 stress [MPa] stress Prove di caratterizzazione meccanica 7 Prove di trazione ,54 0,69 0, ,01 0,02 0,03 0,04 0,05 strain prove di compressione ,2 0,4 0,6 0,8 1 strain 0.45 _ _ _ _4

26 stress Prove di caratterizzazione meccanica Prove di flessione ,53 0,47 0,51 0, ,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 strain

27 Case study Componente ibrido con supporto interno in schiuma metallica e rivestimento esterno in composito a matrice polimerica termoindurente (Epoxy/S2-Glass).

28 Tipologie di provini Sono state preparate 3 tipologie di provini metal foam cylinders hybrid metal foam/composite component epoxy/s2-glass tube

29 Risultati ottenuti Compression tests Specymen type Load max [N] Standard deviation [%] Metal foam cylinder Epoxy/S2-Glass tube Hybrid component

30 Risultati ottenuti Three-point bending tests Specymen type Load max [N] Standard deviation [%] Metal foam cylinder Epoxy/S2-Glass tube Hybrid component

31 Altre attività Valutazione della densità e della distribuzione delle porosità in una schiuma metallica usando la termografia a infrarossi f = 0.05Hz

32 Altre attività ρ = m/v

33 Altre attività A B C Zona rossa: zona ad elevata densità. Zona blu: zona a bassa densità.

34 Altre attività Progettazione di sandwich ibridi con core in schiuma metallica di alluminio e skin in materiale composito a fibra di carbonio Diversi rapporti tra spessore dello skin e spessore del core. Impiego di diverse tecnologie per la realizzazione del sandwich (incollaggio con adesivo strutturale, infusione, compaction molding).

35 Altre attività Identificazione failure map