MaSTeR Lab: Processi tecnologici e materiali innovativi per il settore nautico

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1 MaSTeR Lab: Processi tecnologici e materiali innovativi per il settore nautico II a Facoltà di Ingegneria Università di Bologna Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia (DIEM) L. Donati, E. Troiani, A. Ceruti, G. Minak, I. Meneghin, G. Ivetic, F. Garattoni, G. Molinari, S. Guglielmi

2 Sommario MaSTeR Lab in Nautilus: Competenze; Conoscenze; Attrezzature; Attività sui Materiali Compositi; Attività sulle Leghe Leggere.

3 Nautilus & MaSTeR Lab MaSTeR Lab Laboratorio di Materiali, Strutture, Tecnologia e Ricerca agisce all interno di Nautilus con lo scopo di sviluppare e/o ottimizzare Materiali, Strutture e Tecnologie per applicazioni innovative inerenti i settori nautico, aeronautico e meccanico. MaSTeR Lab è centro di eccellenza regionale per lo studio dei materiali compositi (fibre di carbonio, vetro, naturali etc) grazie alla sue dotazioni di laboratorio.

4 MaSTeR Lab Settori di Ricerca Nautica Aeronautica Transport Meccanica

5 Investimenti in Ricerca Investimenti in Ricerca -M - Aeronautica Nautica da Competizione Nautica Ingegnerizzazione di prodotto

6 Strategie di progettazione Progettazione sulla base di normative Progettazione a massima sollecitazione Progettazione a fatica Progettazione tolleranza al danno MaSTeR Lab: Knowledge Transfer

7 MaSTeR Lab - Conoscenze Progettazi one di Macchine Progettazione di prodotto Caratterizzazione delle proprietà meccaniche Prove non convenzionali Sistemi di Lavorazione Design di processo; Monitoraggio di processo; Ottimizzazione di processo Strutture Aeronautic he Applicazioni Aeronautiche Progettazione di strutture aeronautiche; Materiali Innovativi progettazione damage tolerance Metodi dell Ingegne ria Industriale Strumenti di progettazione Ottimizzazione di prodotto Prototipazione Caratterizzazione materiali

8 MaSTeR Lab - Attrezzature Realizzazione di prototipi in Materiali Compositi Autoclave Italmatic (3200 litri, diametro 0,9x3 metri) con una massima temperatura di cura di 200 C e 10 bar di pressione; monitoraggio e controllo del processo; 25m 2 camera bianca; laminazione umida e a secco di fibre di vetro, carbonio ed altri.

9 MaSTeR Lab - Attrezzature Attrezzature per la realizzazione di stampi e prototipi Macchina per il taglio a filo caldo e Centro di lavoro CNC ad alta velocità a 4 assi CNC. Macchina CNC per taglio a Filo Caldo Cortini CNC 4 assi

10 MaSTeR Lab - Attrezzature Caratterizzazione Materiali Pressa servo-idraulica Italsigma (100 kn) per prove di caratterizzazione statiche o di fatica di materiali o componenti; macchina per prova di flessione rotante per caratterizzazione a fatica dei materiali; laboratorio di caratterizzazione dei materiali.

11 MaSTeR Lab - Attrezzature Analisi non distruttive Imperium AcoustiCAM, Camera ad ultrasuoni per analisi non distruttive;

12 MaSTeR Lab - Attrezzature Misura delle sollecitazioni in esercizio: Estensimetria Attrezzature per l analisi delle deformazioni in esercizio tramite estensimetri su componenti di dimensioni reali (o prototipali).

13 MaSTeR Lab Codici di Simulazione Simulazione del Prodotto e del Processo Analisi agli elementi finiti della sollecitazione statica e dinamica di strutture isotropiche o realizzate mediante laminazione (Ansys, MSC Patran/Nastran e Abaqus; oppure MSC Dytran e Abaqus/Explicit; sviluppo di codici personalizzati per la soluzione di problemi specifici); Simulazione del processo SYSPLY, PAM-RTM, PAM-FORM).

14 Esempi di Attività sui Materiali Compositi 1. Progettazione di Prodotto 2. Analisi e monitoraggio di processi produttivi 3. Revisione dei processi produttivi per il miglioramento delle condizioni di lavoro degli operatori; 4. Studio di materiali Eco-compatibili 5. Assorbimento energia d Impatto 6. Ottimizzazione topologica stampi in composito 7. Studio della propagazione della delaminazione

15 Progettazione di Prodotto Sviluppo di una procedura di modellizzazione per la progettazione ottimizzata di un appendice supporto elica per imbarcazione a vela di 15 mt; Analisi per la realizzazione mediante materiali metallici e compositi; Ottimizzazione in funzione di: estetica, resistenza strutturale, coefficiente di resistenza idrodinamica e costo di produzione.

16 Analisi e monitoraggio di processi produttivi Analisi dell influenza dei parametri del processo VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding) sul prodotto finito (scafo di imbarcazione) tramite matrice di influenza; Termocoppie ed una termocamera sono state utilizzate per monitorare le varie fasi del processo, con l intenzione di valutare la resistenza finale delle strutture in funzione dei parametri di processo; Provini estratti dalla scafo sono state oggetto di analisi DSC (Differential Scanning Calorimetry) per misurare il grado di polimerizzazione residua e correlarlo alle temperature acquisite;

17 Revisione dei processi produttivi per il miglioramento delle condizioni di lavoro degli operatori Sostituzione della stratificazione manuale tramite variante della tecnologia RTM (Resin Transfer Moulding); Lo scafo e le strutture in resina accessorie vengono attualmente prodotte tramite tecniche di impregnatura manuale, scarsamente automatizzabili, ed a elevata esposizione dei lavoratori ad emissioni nocive; La resina e i prodotti ausiliari utilizzati per la produzione di componenti in resina risultano essere rifiuti speciali con un costo notevole sia dal punto di vista economico che ambientale per il loro smaltimento; E pertanto necessaria rivedere l intera metodologia di sviluppo del prodotto dalla fase di progettazione a quella di produzione.

18 Attività Realizzazione dei campioni in condizioni controllate, presso laboratorio Masterlab: Monitoraggio termico della fase di polimerizzazione del processo; Monitoraggio emissioni nocive; Attuale-Stratificazione a mano-resina poliestere ortoftalica Individuazione di 4 alternativi sistemi di resine: 1. RTM-Resina Poliestere insatura a bassa viscosità 2. RTM-Resina Vinilestere da resina epossidica 3. RTM- Resina Ortoftalica a base di DCPD 4. RTM-Resina Epossidica a bassa viscosità

19 Attività Stratificazione Manuale -attuale- RTM

20 Caratterizzazione Resine Caratterizzazione dei campioni prodotti: Trazione Flessione 3 punti

21 Prove sul campo Sono infine previste prove in mare con applicazione di estensimetri sullo scafo per misurare le deformazioni e quindi le sollecitazioni sulle strutture.

22 Studio di materiali Eco-compatibili Materiale composito innovativo realizzato con fibre unidirezionali di bambù e resina epossidica; Misura delle caratteristiche meccaniche del materiale; Prove di assorbimento in acqua distillata e marina, per valutare le variazioni di resistenza in condizione di saturazione;

23 Studio di materiali Eco-compatibili Trazione Compressione Flessione Coefficiente Bambu Epoxy Legno GFRP Epoxy CFRP Epoxy σ MAX -Trazione MPa 42, σ MAX -Compressione MPa 48, σ MAX -Flessione MPa 97, E TRAZIO E GPa 5, E COMPRESSIO E MPa 5, E FLESSIO E MPa 5,

24 Assorbimento Energia d Impatto Meccanismo d assorbimento: Prove Sperimentali:

25 Assorbimento Energia d Impatto Simulazione FEM e sviluppo di modelli per la previsione dell energia assorbita:

26 Ottimizzazione topologica stampi in composito Stampi da ottimizzare Stampo superiore Carichi di Stampaggio Stampo inferiore Stampi in materiale composito; Ottimizzazione topologica: della distanza delle centine (o dei correnti) per minimizzare la flessione in esercizio e migliorare la vita utile; Centine Correnti Simulazione tramite Abaqus Reale Semplificato [1-12-1] [1-1 eq -1] Confronto risultati reali semplificato

27 Studio della propagazione della delaminazione Prima fase: valutazione sperimentale della delaminazione dopo impatto Seconda fase: modello FEM per la simulazione della crescita della delaminazione Problema: Sono richiesti elevati d.o.f. per descrivere in maniera accurata il fenomeno di buckling locale Modello Globale Approccio tramite Superelementi Modello Locale

28 Attività sulle leghe leggere (Al, Mg, Ti, etc.) Studio sull effetto della corrosione in leghe di alluminio; Friction Stir Welding (FSW) di lamiere di alluminio su profili estrusi; Pallinatura Laser (Laser Shock Peening); Caratterizzazione a fatica di nuove leghe leggere; Processi di deformazione e saldatura di leghe leggere.

29 Studio sull effetto della corrosione sulla vita a fatica di leghe di alluminio Confronto dell effetto della corrosione tramite prove di fatica su provini AA-2024T351; EXCO Test (EXfoliation COrrosion Test) corrosione accelerata tramite soluzione di NaCl, KNO3 ehno3 in immersione per 8 giorni; Prove di fatica trazione (R=0.1, f=10 Hz) su 3 livelli di tensione (195, 215 and 250 MPa); I provini originali hanno la medesima sezione resistente dei provini corrosi in modo da rendere i dati confrontabili. Corrosi Originali Cycles

30 Friction Stir Welding (FSW) Scopo: Saldare lamiere di alluminio su profili strutturali estrusi tramite FSW. Attualmente la tecnica FSW viene utilizzata principalmente nella cantieristica nautica per saldare lamiere nella configurazione di testa; Attualmente le tolleranze richieste nell accoppiamento limitano l utilizzo della tecnologia. Possibile applicazione Vel. rotazione Pin Lamiere Vel. avanzamento Profilo Estruso

31 Friction Stir Welding (FSW) L idea sviluppata consiste nell utilizzare delle appendici del profilo estruso per consentire di aumentare l applicabilità del processo; Le appendici consentono contemporaneamente il fissaggio delle lamiere e fungono da materiale d apporto: ciò consente di colmare eventuali disallineamenti fra le lamiere; Brevetto depositato dall Università di Bologna (RM 2008 A000438) Attività realizzate:: Realizzazione Giunzione Monitoraggio processo Prova dei giunti Appendice a I Analisi Microstrutt. Appendice a T Ottimizzazione FEM

32 Pallinatura Laser (Laser Shock Peening) In collaborazione con Gruppo DM-Tech Bologna Depth [mm]

33 Altre attività Caratterizzazione a fatica di nuove leghe leggere Provino Processi di deformazione e saldatura di leghe leggere (collaborazione con gruppo DM-Tech Bologna)

34 Grazie per l attenzione domande?? MaSTeR Lab [email protected] Dr. Enrico Troiani [email protected] Dr. Lorenzo Donati [email protected]