DALLA POLVERE AL PROTOTIPO

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1 Ente per le Nuove tecnologie DALLA POLVERE AL PROTOTIPO (La scommessa dei ceramici strutturali) Sergio Sangiorgi Sezione MAT ING Centro Ricerche Faenza 1

2 Coniugare competitività e sviluppo sostenibile rappresenta la sfida a cui rispondere attraverso la concezione e la realizzazione di nuove macchine e il miglioramento della conoscenza dei fenomeni che regolano l'impatto ambientale. In questo quadro lo sviluppo di nuovi materiali e tecnologie rappresenta una premessa importante per la realizzazione di macchine, componenti e sistemi di nuova generazione. 2

3 MATERIALI SRUTTURALI L impiego di un nuovo materiale è spesso dettato dalla necessità di ottenere prestazioni superiori rispetto a quelle fornite dai materiali tradizionali. Lo scopo che si persegue è quello di sviluppare materiali e processi di fabbricazione in modo da rendere utilizzabili le proprietà peculiari in funzione del tipo di applicazione. Il passaggio ad un nuovo materiale potrebbe essere impraticabile in mancanza dei dati necessari a prevederne il comportamento e la durata in esercizio. I principali settori industriali di riferimento, in termini di mercato potenziale, sono quello energetico, l'aerospaziale e i trasporti. 3

4 MATERIALI SRUTTURALI HIGH TECH.. Leghe di alluminio, magnesio Leghe a base di Ni o Ti ODS Compositi a matrice metallica Tecnopolimeri Compositi a matrice polimerica Leghe superplastiche Calcestruzzi ad alta prestazione Ceramici 4

5 POLIMERI E COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA Il consorzio CAMPEC opera nel campo dei polimeri e dei compositi a matrice polimerica. Nella sua missione rientrano la promozione e la diffusione di nuove tecnologie e di nuovi processi produttivi e la realizzazione di impianti pilota e prototipo. 5

6 Ente per le Nuove tecnologie MATERIALI CERAMICI Ceramici massivi Compositi a matrice ceramica Rivestimenti ceramici 6

7 MATERIALI CERAMICI PUNTI DI FORZA Resistenza all usura Resistenza alle alte temperature Resistenza agli ambienti aggressivi Compatibilità biologica PUNTI DI DEBOLEZZA Fragilità Fabbricazione complessa e costosa Lavorazione complessa e costosa 7

8 AMBITO APPLICATIVO Ovunque le condizioni di esercizio (temperatura, usura, ambiente aggressivo, ecc.) rendono critico l impiego di materiali tradizionali metallici e non 8

9 Ente per le Nuove tecnologie PROCESSI DI FABBRICAZIONE Formatura Pressatura uniassiale e isostatica Formatura in plastico (estrusione, stampaggio ad iniezione) Lavorazione in verde Colaggio 9

10 Ente per le Nuove tecnologie PROCESSI DI FABBRICAZIONE Sinterizzazione Lavorazione meccanica di finitura 10

11 CARATTERIZZAZIONE TERMOMECCANICA Caratterizzazione a breve termine Durezza Resistenza a flessione (MOR) Resistenza a trazione e compressione Tenacità Caratterizzazione a lungo termine Usura Creep Fatica dinamica (Slow crack growth) Fatica ciclica Fatica termica 11

12 PROGETTAZIONE Necessità di operare un passaggio culturale che porti da un approccio deterministico ad uno probabilistico I risultati della caratterizzazione meccanica oltre a fornire dati di input per una progettazione tradizionale mediante analisi FEM, con l impiego di post-processori probabilistici permettono di effettuare una verifica di affidabilità che partendo dalla analisi statistica dei dati delle prove fornisce elementi sulla probabilità di sopravvivenza del componente. 12

13 PROGETTAZIONE INDIPENDENTE DAL TEMPO Caratterizzazione a breve termine Calcolo Elementi Finiti Determinazione Probabilità di Rottura Analisi statistica dei dati AFFIDABILITA FLEXURAL STRENGTH AT ROOM TEMPERATURE WEIBULL PLOT BY MAXIMUM LIKELIHOOD REGRESSION MIXTURE 3 Probability failure [%] m = MOR [MPa] experimental data linear regression 13

14 PROGETTAZIONE DIPENDENTE DAL TEMPO Caratterizzazione a breve termine Calcolo Elementi Finiti Analisi di vita Caratterizzazione a lungo termine TEMPO DI VITA 0,001 0,0009 0,0008 Total strain [ mm/mm ] 0,0007 0,0006 0,0005 0,0004 0,0003 0,0002 0, ,5 3 4,5 6 7,5 9 10, ,5 15 Time [ hours ] Centinaia 14

15 REALIZZAZIONE PROTOTIPI Processi di formatura maturi Pressatura assiale e isostatica Formatura in plastico (estrusione, stampaggio ad iniezione) Lavorazione in verde (CAD-CAM) Sistemi di formatura innovativi Prototipazione rapida (dal disegno al verde) Direct Coagulation Casting, Gel casting 15

16 PROTOTIPAZIONE RAPIDA Stereolitografia Sinterizzazione Laser 16

17 TECNOLOGIE DI SPRAY FORMING Vacuum plasma spraying (VPS) Inert plasma spraying (IPS) High pressure plasma spraying (HPPS) Reactive plasma spraying (RPS). 17

18 QUALIFICA DEI COMPONENTI Analisi visiva Controlli non distruttivi Stress analysis Proof test 18