DISTRETTO TECNOLOGICO 12 - NAUTICA

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1 RESINE ECOCOMPATIBILI DISTRETTO TECNOLOGICO 12 - NAUTICA 1

2 PROGETTO DI RICERCA Dai Distretti Produttivi ai Distretti Tecnologici 2 Distretto 12 - NAUTICA Tematica di riferimento RESINE ECOCOMPATIBILI 2

3 OBIETTIVI DEL PROGRAMMA DI RICERCA E RISULTATI OTTENUTI TRASFERIMENTO AL CAMPO DELLA NAUTICA DI MATERIALI COMPOSITI BIOCOMPATIBILI E PROCESSI PRODUTTIVI ECOSOSTENIBILI REALIZZAZIONE PORTELLONE NAUTICO IN MATERIALE ECOCOMPOSITO > IBRIDO BASALTO LINO CON RESINA VINILESTERE GREEN 3

4 Obiettivo della ricerca Il programma, rivolto all utilizzo di resine ecologiche e fibre naturali per la produzione di materiali ecosostenibili, vuole essere una valida opportunità di ricerca e crescita per il settore della nautica regionale e offrire, a vantaggio delle aziende che vi partecipano, un immediato riscontro in termini di applicazione industriale. 4

5 Attività di indagine 1. Stato dell arte 2. Progettazione dell esperimento 3. Realizzazione dell esperimento 4. Validazione sperimentale 5. Ottimizzazione dei parametri 6. Progettazione di prototipi 7. Ingegnerizzazione del processo 8. Realizzazione di prototipi dimostrativi 9. Validazione dei prototipi 5

6 ATTIVITA SVOLTE 1. Studio preliminare dei materiali compositi e dei loro metodi di lavorazione 2. Scelta dei materiali da utilizzare e ordinazione degli stessi 3. Realizzazione dei materiali presso Style Form di Marco Casadei 2. Prove in laboratorio di trazione, flessione ed impatto dei materiali non condizionati 3. Caratterizzazione meccanica dei materiali non condizionati 4. Condizionamento materiali secondo le direttive del tutor scientifico 5. Prove in laboratorio di flessione ed impatto dei materiali condizionati 6. Caratterizzazione meccanica dei materiali condizionati e confronto dei risultati ottenuti 7. Reverse Engineering portellone nautico 8. Analisi strutturale FEM portellone 9. Realizzazione presso Metaltig del portellone in ecocomposito Ibrido Basalto-Lino Vinilestere 6

7 Aziende fornitrici materiali PER USO STRUTTURALE FORNITORI PER USO NON STRUTTURALE FORNITORI EPOSSIDICA GREEN + FIBRE TECH (CARBONIO O ARAMIDICA) ECOPOXY SISTEMS, ECOGREENRESINS, GREENPOXY 55 EPOSSIDICA GREEN + LINO ECOPOXY SISTEMS, ECOGREENRESINS, GREENPOXY 55,LINEO EPOSSIDICA GREEN + FIBRE IBRIDE (carbonio, lino) ECOPOXY SISTEMS, ECOGREENRESINS, GREENPOXY 55 VINILESTERE GREEN + FIBRE IBRIDE (basalto, lino) POLYNT,ECOTEK,DSM, LINEO EPOSSIDICA GREEN + LINO ECOPOXY SISTEMS, ECOGREENRESINS, GREENPOXY 55,LINEO PREPREG PLA/FLAX BIOTEX (Composites Evolution), Lincore PLA FF VINILESTERE GREEN + FIBRE IBRIDE (basalto, lino) POLYNT,ECOTEK, DSM,LINEO PREPREG PP/FLAX PREPREG EPOXY/FLAX BIOTEX (Composites Evolution), Lincore PP FF LINEO MATERIALI D ANIMA ECO BELLOTTI, DIAB MATERIALI D ANIMA ECO BELLOTTI, DIAB 7

8 Definizione di Ecosostenibilità Qualsiasi materiale, prodotto, attività o processo che nel suo divenire continuo mantenga inalterate le regole a fondamento della realtà ecosistemica in cui si trova ad essere COMPATIBILE CON LE ESIGENZE DI TUTELA DELL ECOLOGIA. USO DI MATERIALI NATURALI (FIBRE VEGETALI O MINERALI) RICICLABILI AL 100% RESINE A BASSA EMISSIONE DI VOC % DI POLIMERI DERIVATI DA FONTI RINNOVABILI 8

9 COMPOSITI ECOSOSTENIBILI COMPONENTI REALIZZATI in : FIBRE NATURALI RESINE ECOLOGICHE MATERIALI RICICLABILI / RICICLATI Benefici ambientali Ridotta CO 2 Risorse sostenibili Biodegradabilità / compostabilità Altri benefici Leggeri Bassi costi di materia prima Ridotto consumo energetico Specifiche performance tecniche 9

10 FIBRE INDIVIDUATE PER IL PROGETTO FIBRE PROPRIETA DENSITA RESISTENZA A TRAZIONE MPA MODULO ELASTICO A TRAZIONE GPA ALLUNGAMENTO A ROTTURA % LINO BASALTO CARBONIO VETRO (E) KEVLAR

11 ECO-COMPOSITI STUDIATI 1. Lino Resina Vinilestere 2. Basalto Resina Vinilestere 3. Ibrido Basalto-Lino Resina Vinilestere 4. Vetro Woven Resina Vinilestere 5. Lino Resina Epossidica (in produzione) 6. Ibrido Carbonio-Lino Resina Epossidica (in produzione) 11

12 REALIZZAZIONE MATERIALI Laminazione manuale (Hand-Lay up) effettuata presso l azienda Style- Form di Marco Casadei Foglio di laminato (1000x500 mm) per ogni materiale dal quale sono stati ritagliati i provini necessari: Provini 120x12 mm, per la Trazione Provini 250x25 mm, per la Flessione Provini 100x150 mm, per l'impatto Provini 250x25 e 100x150 per Flessione e Impatto dopo l'invecchiamento 12

13 PROVE SPERIMENTALI TRAZIONE Normativa ASTM D Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials Macchina utilizzata per lo svolgimento delle prove: Instron Lino Vinil. Basalto Vinil. Ibrido B-L Vinil. Vetro Woven Vinil. F_t_max [N] σ_t_max [MPa] 47, , , ,05465 E_t [MPa] 4853, , ,685 ν 0,2125 0, , , G [MPa] 2001, , , ,6 ε_t_max [%] 0,93 1,4729 1,1205 0,895 13

14 PROVE SPERIMENTALI TRAZIONE Per la misurazione corretta delle deformazioni sono stati utilizzati estensimetri. Essi sono stati applicati ad uno dei 5 provini studiati per ogni materiale. Il grafico Sforzo-Deformazione è da considerarsi QUALITATIVO poiché ottenuto da considerazioni fatte seguendo le formule di teoria e non tramite misurazione diretta.

15 PROVE SPERIMENTALI FLESSIONE Normativa ASTM D790 - Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials) Macchina utilizzata per lo svolgimento delle prove: Instron Lino Vinil. Basalto Vinil. Ibrido B-L Vinil. Vetro Woven Vinil. F_f_max [N] 708, , , ,5 σ_f_max [MPa] 266, , , ,9789 E_f 14481, , , ,54 ε_f_max [%] 1,84 1,69 2,16 1,66 F_ta_max [N] 354, , , ,25 σ_ta_max [MPa] 8, , , , ε_ta_max [%] 0, , , ,

16 PROVE SPERIMENTALI FLESSIONE Seguendo la normativa sono stati ricavati i grafici Forza- Spostamento e Sforzo- Deformazione che caratterizzano ogni materiale Per il successivo studio del comportamento meccanico dei materiali tramite Analisi Strutturale FEM sono stati calcolati i valori del taglio necessari alla caratterizzazione dei materiali in ANSYS

17 PROVE SPERIMENTALI IMPATTO 17

18 PROVE SPERIMENTALI IMPATTO Forza [kn] Confronto Forza-Tempo Lino Vinilestere Basalto Vinilestere Ibrido Basalto Lino Vetro Woven Per poter confrontare i risultati ottenuti bisogna considerare la stessa altezza di caduta del peso per tutti i materiali. Si è quindi considerata l'altezza h=2,5m che è quella massima di rottura per il composito Vetro Woven Vinilestere. 1 Confronto Forza- Spostamento 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Tempo [ms] Grafico Forza Tempo Forza [kn] 3 Forza-Tempo Basalto Vinilestere Ibrido Basalto Lino Vetro Woven 2 Grafico Forza Spostamento Spostamento [mm]

19 PROVE SPERIMENTALI IMPATTO Forza [kn ] 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Confronto Provini h=3m Lino-Vinilestere Basalto Ibrido Basalto-Lino Si è considerato interessante osservare il comportamento dell'ibrido Basalto-Lino Vinilestere in relazione a quello del Basalto Vinilestere e Lino Vinilestere con altezza massima h=3m, altezza massima di rottura dell'ibrido Tempo [ms] Come si osserva anche dal grafico, mentre l'ibrido ha acquisito la massima energia per l'altezza considerata rompendosi, il Lino ed il Basalto hanno ancora la possibilità di immagazzinare ulteriore energia, di conseguenza si può lanciare il peso da un'altezza più alta.

20 PROVE SPERIMENTALI IMPATTO Confronto Provini h=3,26m 5 4 Forza [kn] 3 Basalto Ibrido Basalto-Lino Tempo [ms] Grafico Forza-Tempo di confronto tra Lino Vinilestere e Basalto Vinilestere all'altezza massima della macchina h=3.26m. I due compositi non sono stati perforati ma danneggiati su entrambi i lati dei provini; si evince che gli stessi siano in grado di accumulare ancora energia per altezze più alte o considerando un peso più elevato.

21 PROVA DI FLESSIONE Simulazioni FEM Prova di flessione su 3 punti Simulazione statica Mesh quadrilatero lineare - MESH200 Fiber Propriety Layers Thinness Forc e glass isotropic 5 0,65 mm 220 N basalt orthotropic 8 0,48 mm 700 N basalt + flax orthotropic 8 0,63 mm 500 N

22 Simulazioni Fem (Metodo degli Elementi Finiti) Meshatura della geometria: è stato necessario trasformare la geometria ottenuta in forma matematica, cioè in una forma discreta agli elementi finiti, dopo correzione dei contatti tra le superfici dove sono stati applicati gli elementi tetraedrici con una dimensione di 5mm, che in totale rappresenta circa nodi e elementi finiti. Acquisizione della geometria del portellone nautico e sua ottimizzazione: la stessa geometria ha subito le variazioni adeguate in modo da procedere con la realizzazione della mesh agli elementi finiti. La stessa è stata esportata nel formato IGS in modo di poterla utilizzare nel ambito di ANSYS WB. 22

23 carichi: U n peso di 80kg che simula il peso di una persona media seduta sopra il portellone un peso si 100kg distribuito in due superfici, simulando così una persona che sta in piedi sopra il portellone un peso di 100kg che impatto sul portellone caduta libera del portellone, che simula l improvviso cedimento del pistone idraulico Simulazioni Fem (Metodo degli Elementi Finiti) Studio dei carici, vincoli e tipologie di analisi 23

24 Prototipo in vetroresina Portellone gavone per imbarcazione a motore di 20 m. Modello in vetroresina. Componente nautico scelto come prototipo da realizzare con i compositi ecosostenibili. Processo di laminazione (lay up manuale) affettuato presso l azienda Style Form: scopo del progetto è ricreare lo stesso manufatto in materiale ecosostenibile, il più idoneo tra le tipologie di compositi green caratterizzati in laboratorio, partendo dal modello in vetroresina. 24

25 Reverse Engineering Realizzazione del Cad 3D del portellone: utilizzo del processo di Reverse Engineering (RE), nei seguenti passaggi : Digitalizzazione della superficie del portellone Editing e filtraggio dei dati di misura Segmentazione e creazione dei modelli matematici Creazione del modello CAD 3D 25

26 EcoPortellone Realizzazione di un guscio di portellone gavone in materiale ecocomposito, composto in tessuto di fibra di basalto, fibra di lino e resina vinilestere a basso contenuto di stirene. Il manufatto è stato realizzato presso l azienda Metal Tig di Castel San Pietro Terme tramite processo di laminazione hand-up. Prime fasi del processo: 1. preparazione dello stampo 2. taglio dei tessuti 3. impregnazione dei tessuti con la resina 1. disposizione dei tessuti impregnati sullo stampo SKIN COAT 26

27 EcoPortellone Fasi successive: 5. consolidamento skin coat 6. posizionamento materiale d anima (PVC espanso) 7. stesura della seconda pelle 8. disposizione tessuto microforato, tessuto areatore e sacco 9. allacciamento della valvola alla pompa del vuoto 27

28 EcoPortellone 10. Catalizzazione della resina a temperatura ambiente. Dopo 24 ore il guscio del portellone è stato liberato dal sacco a vuoto e tolto dallo stampo, favorendo il distacco mediante spatola di plastica. Il guscio si caratterizza per la sua resistenza meccanica la sua leggerezza (1.8 kg),con minimo spessore,dimostrando quindi che un manufatto in composito ecosotenbile ibrido possa vantaggiosamente sostituire la vetroresina. 28

29 Conclusioni: attività di ricerca svolte Ricerca e studio di documentazione tecnico scientifica Scelta del materiale Acquisto del materiale Realizzazione dei provini Stretta collaborazione tra ricercatori e aziende Lavoro sinergico tra ricercatori e aziende Scelta del prototipo e ottimizzazione delle geometrie Realizzazione del prototipo Tests sperimentali di laboratorio Analisi dei dati e validazione sperimentale Ottimizzazione del processo

30 Grazie per l attenzione