LEZIONI DI INTRODUZIONE ALLE SCHIUME METALLICHE

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1 LEZIONI DI INTRODUZIONE ALLE SCHIUME METALLICHE Università degli Studi di Napoli Federico II Scuola Politecnica e delle Scienze di Base Ing. Antonio Viscusi antonio.viscusi@unina.it Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 1

2 Sommario PARTE 1 Cosa sono le schiume metalliche? Possibili applicazioni strutturali e funzionali Vantaggi e limitazioni Tecniche di produzione Powder Compact Technique Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 2

3 Sommario Attività sperimentali PARTE 2 Strutture sandwich Core: metal foam Skin: carboresina Produzione di schiuma metallica in laboratorio Realizzazione sandwich Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 3

4 Parte 1 Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 4

5 Sviluppo Metal Foam Rappresentano un caso specifico di solidi cellulari Solidi cellulari: materiali bifasici in cui una fase solida coesiste con una fase gassosa Schiuma: materiale bifasico in cui una fase gassosa è dispersa uniformemente in una fase liquida Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 5

6 Sviluppo Metal Foam Esempi naturali di Strutture Cellulari Struttura cellulare di una foglia Immagine al microscopio della struttura interna, spugnosa, di un osso umano Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 6

7 Sviluppo Metal Foam Le schiume solide (metalliche) rappresentano una classe di materiali cellulari che mantengono la morfologia della schiuma anche nella fase solida. In tal caso bisogna esplicitamente parlare di schiume solide, in contrapposizione alla definizione originaria del termine schiuma. Per tali schiume, infatti, lo stato liquido è solamente un passaggio intermedio nella realizzazione del materiale finale, ottenuto per solidificazione della schiuma liquida. più comunemente si parla di schiuma metallica per riferirsi ad un qualsiasi materiale metallico contenente un volume notevole di porosità. Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 7

8 Sviluppo Metal Foam Cella CHIUSA Cella APERTA schiuma metallica o schiuma a cella chiusa spugna metallica o schiuma a cella aperta Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 8

9 Sviluppo Metal Foam Ottimizzano le caratteristiche meccaniche e le funzioni strutturali, minimizzando il peso Elevate capacità di isolamento acustico e termico Immagini di strutture cellulari: sughero (alto sin.), legno (alto des.), osso (basso sx) e foglia (basso des.) Elevate capacità di assorbire energia Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 9

10 Sviluppo Metal Foam Dall osservazione della natura nasce l idea di dover produrre Schiume Metalliche Principali vantaggi: Alta resistenza e rigidezza accoppiate ad un peso ridotto Elevate capacità di assorbire energie di impatto Elevate capacità di smorzare le vibrazioni Buoni isolanti termici ed acustici Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 10

11 Sviluppo Metal Foam Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 11

12 Applicazioni Le schiume metalliche stanno trovando largo sviluppo in numerosi settori partendo da quello aerospaziale fino a giungere a quello biomedico o artistico Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 12

13 Applicazioni Fase prototipale Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 13

14 Vantaggi e limitazioni Le schiume metalliche risultano interessanti se si vogliono sfruttare più proprietà contemporaneamente Se si bada solo alla riduzione di peso, probabilmente esisterà già un materiale più performante ed economico Oggigiorno la ricerca è rivolta verso un maggior controllo dei processi di produzione delle schiume metalliche, allo scopo di produrre materiali di più elevata qualità (buona omogeneità morfologica e strutturale) e raggiungere una migliore ripetibilità e una migliore predizione delle loro proprietà Per applicazioni strutturali la presenza di pareti rotte, curve, ondulate o mancanti va evitata Per applicazioni funzionali, invece, sembra essere importante la distribuzione uniforme dei pori RICERCA!! Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 14

15 Vantaggi e limitazioni Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 15

16 Proprietà Meccaniche stress [MPa] prove di compressione 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 strain 0.45 _ _ _ _4 Buon comportamento a compressione!! Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 16

17 Proprietà Meccaniche [Mpa] stress 7 Prove di trazione 6 5 σ Traz = 6 7 MPa E Traz = 4 5 GPa ,01 0,02 0,03 0,04 0,05 strain 0,54 0,69 0,58 Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 17

18 Proprietà Meccaniche Componente ibrido con supporto interno in schiuma metallica e rivestimento esterno in composito a matrice polimerica termoindurente (Epoxy/S2-Glass). metal foam cylinders hybrid metal foam/composite component epoxy/s2-glass tube Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 18

19 Proprietà Meccaniche Hybrid component Three-point bending tests Somma Skin Foam Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 19

20 Proprietà Meccaniche Test a flessione a tre punti di elementi tubolari vuoto Riempito con schiuma Con un aumento di peso del 60% ottengo un carico max sei volte maggiore Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 20

21 Metodi di Produzione Metalli liquidi Tecniche di produzione di schiume metalliche a partire da Soluzione di ioni metallici Metalli sotto forma di vapore Metalli solidi in forma di polveri Ogni metodo può generare schiume aventi un campo di variabilità limitato per quanto concerne densità relativa e dimensione media delle celle; inoltre alcuni metodi consentono di ottenere strutture a celle aperte mentre altri consentono di ottenere strutture a prevalenza di celle chiuse. Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 21

22 Metodi di Produzione Powder compact melting technique by Fraunhofer-Institute di Brema (Germania) Fasi principali del processo Selezione delle polveri Miscelazione delle polveri Compattazione Sviluppo di precursore schiumabile Processo di foaming Formazione schiuma metallica Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 22

23 Metodi di Produzione Powder compact melting technique 1. Selezione delle polveri e miscelazione Polveri di lega di alluminio come matrice metallica Polveri di Idruro di Titanio (TiH 2 ) come agente schiumogeno wt% Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 23

24 Metodi di Produzione Powder compact melting technique 2. Compattazione Compattazione direttamente con pressatura a caldo o a freddo Estrusione o laminazione Realizzazione di precursore solido schiumabile Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 24

25 Metodi di Produzione Powder compact melting technique 3. Fase di foaming Riscaldamento dei precursori ad una temperatura prossima a quella di fusione della matrice metallica Decomposizione agente schiumogeno e rilascio di gas Espansione precursore Raffreddamento Realizzazione struttura porosa (schiuma metallica) Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 25

26 Metodi di Produzione Powder compact melting technique Schiuma di alluminio ottenuta per espansione libera (senza stampo) ρ = g cm 3 Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 26

27 Metodi di Produzione Powder compact melting technique Scelta delle polveri E importante che la temperatura di fusione della matrice metallica sia molto prossima alla temperatura di decomposizione dell agente schiumogeno Materiali più utilizzati e adatti per il campo aeronautico AlSi7Mg e AlSi12 (T f C) TiH 2 (T d C) Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 27

28 Metodi di Produzione Powder compact melting technique Scelta delle polveri Polveri di lega di alluminio: µm Polveri di TiH 2 : 5 10 µm Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 28

29 Metodi di Produzione Powder compact melting technique Difettosità interne legate alla fase di foaming Collasso: fenomeno di cedimento delle celle Coalescenza: formazione di macro-bolle a scapito di altre Drenaggio: flusso di liquido che si addensa in basso per effetto gravitazionale Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 29

30 Metodi di Produzione Replication Process by Sheffield University (England) Il metallo base (generalmente alluminio o una sua lega) viene posto all'interno di un crogiolo (di rame o di acciaio inox) riempito preventivamente da una miscela di sale. Lo stampo viene poi collegato ad una pompa in grado di creare il vuoto al suo interno e ad un sistema capace di insufflare argon; infine viene inserito nel forno. Il sistema viene portato ad una temperatura compresa tra quella del punto di fusione del metallo (660 C) e quella di fusione del sale (800 C) per un tempo di circa ore. A tal punto, avendo portato a fusione il metallo, viene aperta la valvola per consentire il passaggio dell'argon nel sistema: il fuso di alluminio viene «spinto» nel sale dal gas che viene «tirato» dal vuoto applicato nello stampo. Il campioncino viene successivamente estratto e poi immerso in acqua per filtrare il sale, ossia rimuovere il riempitivo e lasciare al suo posto la porosità.. Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 30

31 Fine Parte 1 Corso di Tecnologie dei Materiali Aerospaziali - Prof. Luigi Carrino 31