capitolo 36 tecnologie e materiali per le strutture sandwich

TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 36 -TECNOLOGIE E MATERIALI PER LE STRUTTURE SANDWICH
CAPITOLO
36
36 TECNOLOGIE E MATERIALI PER LE STRUTTURE
SANDWICH
le modalità di danneggiamento e di conseguente
riparazione. Tutti questi aspetti verranno perciò trattati in
maggior dettaglio nel presente capitolo.
Sinossi
L
e strutture sandwich sono costituite da pannelli
sandwich, i quali possono essere considerati un
caso particolare dei laminati in materiale composito,
dove le lamine interne sono sostituite da uno strato di
materiale a bassa densità (schiuma polimerica,
struttura a nido d’ape o legname leggero), con lo scopo
di distanziare le lamine esterne rimanenti, aumentando
così il momento d’inerzia del pannello con minimo
aggravio ponderale. Traggono vantaggio da una tale
soluzione strutturale la resistenza flessionale e il carico
ultimo di instabilità dei pannelli. La migliorata
efficienza strutturale che ne consegue viene sfruttata
nella costruzione di attrezzi sportivi, di mezzi di
trasporto veloci e, soprattutto, nelle costruzioni
spaziali e aeronautiche1. L’adozione di una soluzione
sandwich deve però prevedere un’attenta analisi
tecnologica, che ne consideri le numerose peculiarità,
quali la compatibilità tra le pelli (strati esterni) ed il
riempitivo (strato interno), la natura del riempitivo
stesso e dell’adesivo, le tecniche di fabbricazione e di
giunzione, le procedure di ispezione e di prova, nonché
36.1 Struttura sandwich
L
e strutture sandwich sono costituite da compositi
stratificati, ottenuti incollando due pelli (skin) sottili a
un riempitivo (core) spesso, come mostrato in Figura 36.1.
Esse danno luogo ad un tipo particolare di rivestimento
collaborante, nel quale le pelli resistono praticamente a
tutte le sollecitazioni agenti nel piano ed applicate lungo i
bordi, nonché ai momenti flettenti fuori dal piano 2. Le
2 Le strutture sandwich traggono ispirazione dalla natura (favi degli
alveari) e vennero prodotte dall’uomo per la prima volta in Cina circa
2000 anni fa (nido d’ape di carta). Sebbene il loro impiego in parti
strutturali si fa risalire addirittura al 1820, l’adozione definitiva di tale
idea si consolidò solo 110 anni dopo, grazie allo sviluppo degli adesivi
strutturali in Inghilterra e negli Stati Uniti nel corso degli anni ’30. Tale
sviluppo fu reso possibile dalla messa a punto dei gomma-fenolici e dei
vinil-fenolici. Tali materiali (prima fra i quali la colla Redux) aderivano
bene sia al legno che al metallo, possedevano una resistenza piuttosto
alta e prevedibile e fornirono così lo stimolo per una rivoluzione nella
tecnologia dell’incollaggio. Ulteriori importanti sviluppi seguirono nel
giro di pochi anni: nuovi metodi di sgrassaggio per le pelli metalliche;
riempitivi con struttura a nido d’ape leggeri, rigidi e resistenti; adesivi
tenaci, forniti in forma di film semi-reticolati (B-stage); resine ad alte
prestazioni con cicli di reticolazione a più bassa temperatura e pressione;
rinforzi pre-impregnati con contenuto in resina controllato. Venne inoltre
In quest’ultimo caso, per altro, la convenienza ponderale di
sostituire le tradizionali strutture in parete sottile irrigidita da
correnti con le strutture sandwich è ancora dibattuta a causa
dell’intrinseca incapacità da parte di queste ultime di funzionare in
regime post-critico.
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Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
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TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 36 -TECNOLOGIE E MATERIALI PER LE STRUTTURE SANDWICH
pelli sottili, separate dal riempitivo, forniscono inoltre
alla struttura quasi tutta la sua rigidezza flessionale. Il
riempitivo distanzia le pelli e trasmette il taglio tra di
esse, in modo da renderle collaboranti rispetto ad un
comune piano neutro. Inoltre il riempitivo fornisce la
maggior parte della rigidezza a taglio della struttura.
della bassa rigidezza a taglio del riempitivo. Il crimping
avviene istantaneamente ed in genere provoca il
cedimento locale a taglio del riempitivo oppure la rottura a
taglio dell’adesione pelli/riempitivo. Il crimping può
verificarsi anche quando l’instabilità euleriana, che ha
cominciato a manifestarsi, viene seguita immediatamente
da un cedimento locale dovuto ai forti sforzi di taglio
all’estremità della forma di instabilità globale: non appena
appare il crimping, l’instabilità euleriana può scomparire.
Figura 36.1 - Componenti della struttura sandwich
Scegliendo opportunamente i materiali delle pelli e del
riempitivo si possono ottenere valori di rigidezza
specifica molto elevati. Il principio progettuale di base
consiste nel distanziare pelli sottili e resistenti in
misura sufficiente da ottenere una sufficiente
efficienza strutturale. Il riempitivo, che deve fornire le
necessarie rigidezza e resistenza a taglio, deve inoltre
essere in grado di stabilizzare le pelli, cui sono
collegate per mezzo di incollaggio, brasatura o
saldatura. Di fatto, una struttura sandwich è
assimilabile ad una “trave a I”, nella quale le solette
sopportano direttamente la trazione e la compressione
(come fanno le pelli del sandwich) mentre l’anima
sopporta i carichi di taglio (come fa il riempitivo del
sandwich). Per essere leggeri, i riempitivi vengono di
solito realizzati con materiali a bassa densità (schiume,
legnami leggeri, strutture corrugate o a nido d’ape). A
causa di ciò, l’approccio progettuale deve tener conto
della cedevolezza del riempitivo, in considerazione
della sua bassa rigidezza a taglio. Quindi, la principale
differenza tra le metodologie di progetto di una
struttura omogenea rispetto ad una struttura sandwich
consiste nel fatto che, in quest’ultimo caso, viene
considerata la cedevolezza a taglio del riempitivo per
poter valutare sforzi, deformazioni e comportamento
ad instabilità. Poiché le pelli sottili di un sandwich
sono utilizzate per sopportare i carichi, vanno
preventivamente valutate le possibilità di cedimento
localizzato (cfr. Figura 36.2) dovuto all’applicazione
lungo i bordi di carichi nel piano e di momenti flettenti
(così come va considerato il crippling locale dei
correnti per le strutture a semi-guscio).
Figura 36.2 - Tipici modi di cedimento delle strutture
sandwich sotto l’azione di carichi applicati ai bordi
Perciò, cedimenti imputati a crimpling o instabilità a
taglio sono spesso da ascriversi ad instabilità globale, poi
degenerata in crimping. Se il riempitivo è costituito da una
struttura a nido d’ape o corrugata, è possibile che le pelli
si instabilizzino in corrispondenza dello spazio tra le
pareti del nido d’ape: si tratta del meccanismo di
dimpling. Esso può essere tanto grave da provocare
deformazioni permanenti anche dopo la rimozione del
carico;
inoltre,
l’ampiezza
caratteristica
della
deformazione può essere tanto estesa da propagarsi lungo
le pareti della cella del nido d’ape, fino a provocare il
wrinkling delle pelli. Il fenomeno di wrinkling può
verificarsi allorché la pelle del sandwich, sollecitata a
compressione lungo i bordi, si instabilizza come una
piastra su di una fonazione elastica. La pelle può
instabilizzarsi verso l’interno o l’esterno, a seconda del
rapporto tra la resistenza a compressione nel piano del
riempitivo e quella a trazione nel piano dell’adesivo. Se il
legame tra le pelli e l’adesivo è forte, le pelli possono
andare incontro a wrinkling, fino a provocare cedimento a
trazione del riempitivo. Perciò il carico di wrinkling
dipende dalla rigidezza e dalla resistenza della fondazione
In realtà, il crimping appare come un modo di
cedimento locale, ma di fatto rappresenta una forma di
instabilità euleriana globale, nella quale la lunghezza
d’onda della deformazione è molto piccola a causa
dimostrato l’ottimo comportamento delle strutture sandwich alla
fatica sonora.
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elastica, ovvero del riempitivo e dell’adesivo tra
questo e le pelli. Inoltre, poiché le pelli non sono mai
perfettamente piane, il carico di wrinkling può
dipendere anche dal valore dell’imperfezione
(ondulazione). I modi locali di cedimento possono
manifestarsi sotto l’azione di carichi applicati lungo i
bordi o in direzione normale. Oltre all’instabilità
globale e ai modi locali di cedimento, le strutture
sandwich devono essere progettate rispetto alla rottura
a trazione, compressione e taglio delle pelli; all’azione
combinata dei carichi nel piano e fuori dal piano; alla
rottura a taglio, trazione o compressione nel piano del
riempitivo e dell’adesivo, causata da carichi normali. I
principi di base possono essere così riassunti:
La scelta dei materiali, dei metodi di assemblaggio del
sandwich e delle proprietà usate per il progetto devono
essere compatibili con l’ambiente entro cui il sandwich
dovrà svolgere la propria funzione. Per esempio,
l’adesione tra le pelli ed il riempitivo deve possedere una
resistenza a trazione ed a taglio nel piano sufficiente a
garantire al sandwich la resistenza attesa nell’ambiente
operativo. Alla definizione di ambiente operativo
concorrono gli effetti dovuti a temperatura, acqua/umidità,
fluidi o atmosfere corrosive, fatica, scorrimento viscoso e
ogni altra condizione che possa influire sulle proprietà dei
materiali. Alcune caratteristiche aggiuntive, quali
conduttività termica, resistenza all’abrasione superficiale,
stabilità dimensionale, permeabilità e proprietà elettriche
dei materiali costituenti il sandwich devono infine essere
tenute in considerazione per arrivare ad un progetto in
grado di soddisfare completamente i requisiti funzionali.
Tipiche applicazioni delle strutture sandwich sono:
 le pelli devono avere spessore sufficiente per
resistere ai carichi ultimi applicati al sandwich;
 il riempitivo deve avere spessore e rigidezza e
resistenza a taglio sufficienti per evitare il
verificarsi di instabilità euleriana e di cedimenti
a taglio sotto l’azione dei carichi ultimi
applicati al sandwich;
 aeronautica
 pannelli del pavimento e del soffitto
 pannelli di rivestimento degli interni
 il riempitivo deve possedere un modulo elastico
sufficiente e il sandwich deve possedere una
resistenza a trazione e a compressione nel piano
sufficienti ad evitare il verificarsi di wrinkling
sotto l’azione dei carichi ultimi applicati al
sandwich;
 pannelli delle cambuse
 pannelli delle cappelliere
 pannellature delle gondole motore
 superfici di controllo
 freni aerodinamici
 se il riempitivo è costituito da una struttura a
nido d’ape o corrugata ed il dimpling delle pelli
non è consentito, la dimensione delle celle o il
passo
del
corrugato
deve
essere
sufficientemente piccolo da impedire il
verificarsi del dimpling di entrambe le pelli
sotto l’azione dei carichi ultimi applicati al
sandwich;
 inversori di spinta
 pale di rotore
 portelli
 spoilers
 radomes
 spazio
 il riempitivo deve avere sufficiente resistenza a
compressione per resistere al crushing dovuto ai
carichi limite applicati normalmente alle pelli o
dai carichi di compressione dovuti alla
flessione.
 strutture dei satelliti
 pannelli delle capsule
 scudi ablativi per i coni di prua
 contenitori e protezioni dell’elettronica
Di conseguenza, i passi progettuali consistono in:
I riempitivi con struttura a nido d’ape vengono altresì
usati nei dispositivi per l’assorbimento di energia, per la
schermatura delle radiazioni ad alta frequenza, per la
diffusione della luce, nonché per convogliare flussi
aerodinamici e come trappole sonore nei dispositivi per la
coibentazione acustica. Infine i sandwich sono largamente
adottati nella costruzione dei container, degli shelter, degli
scafi e degli interni di navi e barche, nelle strutture e negli
interni della gran parte dei veicoli terrestri, così come
degli attrezzi sportivi e delle costruzioni civili (pareti,
porte, divisori).
 definizione dei carichi
 definizione dei vincoli
 definizione della deflessione ammissibile max.
 selezione del materiale delle pelli
 calcolo dello spessore del sandwich
 selezione dello spessore delle pelli
 selezione del materiale del riempitivo
 verifica della deflessione effettiva
 verifica del crimping, wrinkling e dimpling
36.2 Materiali
 verifica della resistenza all’ambiente esterno
U
n qualsiasi pannello sandwich è sempre costituito da
tre componenti, ciascuno dei quali svolge un
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Tabella 36.1 - Caratteristiche meccaniche e ponderali dei
principali materiali utilizzate per la pelli dei sandwich
compito imprescindibile:
 pelli
 riempitivo
 adesivo
pelli – esse assolvono molteplici funzioni, a seconda
dell’applicazione, ma in ogni caso esse sopportano la
maggior parte dei carichi applicati. Infatti la rigidezza,
la forma, la stabilità e, in stragrande parte, la resistenza
del sandwich sono demandate alla resistenza delle
pelli, ancorché stabilizzate dal riempitivo. Per svolgere
tali funzioni, le pelli devono essere adeguatamente
solidarizzate ad un riempitivo di sufficiente qualità.
Talvolta le pelli svolgono anche altre funzioni: ad
esempio fornire un profilo a bassa resistenza
aerodinamica oppure una superficie scabra ad elevato
attrito oppure un rivestimento duro e resistente
all’abrasione. Per meglio assolvere a tali funzioni,
talvolta una pelle può essere realizzata con uno
spessore o con una modalità produttiva leggermente
diversa dall’altra3. Qualsiasi lamiera o laminato sottile
può essere utilizzato come pelle di un sandwich: la
scelta più oculata deve basarsi anche sulla valutazione
delle proprietà meno scontate, quali tenacità o fragilità,
modalità di cedimento, durabilità e resistenza
all’invecchiamento ambientale, massima temperatura
di funzionamento4, comportamento alla fiamma5,
isolamento termico e smorzamento acustico,
assorbimento di umidità, compatibilità con gli elementi
di giunzione e di tutti gli attributi che possano in
qualche maniera influire sull’efficienza del manufatto,
anche ove non direttamente coinvolti nelle prestazioni
strutturali e nella riduzione ponderale. Il recepimento
di tali criteri ha, per esempio, comportato la
sostituzione di pelli in alluminio con pelli in composito
vetro/epossidica e di riempitivi in vetro-resina con
riempitivi aramidico-fenolici nella maggior parte delle
pannellature interne dei velivoli passeggeri. Lo stesso
motivo ha portato all’adozione di pelli rinforzate con
tessuti ibridi carbonio/aramidica nella maggior parte
delle strutture sandwich dei velivoli Boeing. In Tabella
36.1 vengono riportate le caratteristiche dei principali
materiali adottati per realizzare le pelli. Per la
trattazione dettagliata si rimanda ai rispettivi capitoli.
riempitivo – la funzione primaria del riempitivo consiste
nello stabilizzare le pelli e nel sopportare la maggior parte
della sollecitazione di taglio trasverso. Per svolgere tale
ruolo in maniera efficiente, il riempitivo deve essere il più
rigido e leggero possibile e deve garantire proprietà
prevedibili, uniformi nello spazio e costanti nel tempo,
tenendo conto dell’ambiente in cui è chiamato ad operare.
Nel seguito vengono considerate la principali tipologie di
riempitivo adottate nelle costruzioni aerospaziali:
legname: costituisce il più antico materiale riempitivo e
viene ancor’oggi adottato negli scafi delle imbarcazioni
(fino a 15m), come nei pavimenti dei velivoli passeggeri e
cargo. Il tradizionale vantaggio del basso costo si è
ridotto, mentre la difficoltà di approvvigionamento è
cresciuta. Ciononostante, l’utilizzo del legno è andato
crescendo, grazie alla facilità d’uso, nonché all’eccellente
durabilità ed elevata resistenza/rigidezza a compressione.
Viene utilizzato quasi esclusivamente il legno di balsa,
mentre abete, mogano e pioppo vengono adottati solo per
inserti e finiture. La balsa offre eccellente incollabilità,
buon comportamento all’impatto ed alla fatica, elevata
resistenza specifica e bassa densità. Quest’ultima deriva
dalla particolare struttura (cfr. Figura 36.3) costituita da
celle chiuse6, allungate e direzionate (simili al nido d’ape).
3
Ad esempio, nei sandwich adottati per gli scafi delle imbarcazioni
ad alte prestazioni, può accadere che solo la pelle esterna venga
rinforzata con un tessuto ibridizzato con fibre polimeriche (p.e.
Dyneema), tenaci e resistenti all’impatto dovuto ai carichi d’onda,
ma meno rigide delle fibre di carbonio. Per ovviare a questa carenza
di rigidezza, tale pelle viene realizzata con un spessore lievemente
maggiorato.
4
In base alle massime temperature di esercizio, le strutture sandwich
(pelli+riempitivo) vengono divise in 4 categorie: fino a 82°C, fino a
121°C, fino a 232°C e fino a 288°C. Talune soluzioni
particolarmente sofisticate arrivano a sopportare per brevi periodi
temperature di 427°C.
5
In base alla resistenza alla fiamma, i sandwich vengono suddivisi
in 3 categorie: ignifughi, autoestinguenti ed infiammabili.
Poiché le fibre di cellulosa sono disposte parallelamente
all’asse delle cellule, le massime prestazioni meccaniche
della balsa vengono ottenute disponendo il riempitivo con
Tale caratteristica dona alla balsa ridotta propensione all’assorbimento
di umidità ed efficiente incollabilità, in quanto prevengono l’eccessivo
imbibimento di adesivo.
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le fibre disposte in direzione perpendicolare (endgrain) alla superficie del pannello sandwich (cfr.
Figura 36.4).
Figura 36.4 - Schema di pannello sandwich con riempitivo in
balsa
Figura 36.3 - Microstruttura del legno di balsa
Tabella 36.2 - Caratteristiche fisico/meccaniche dei legnami di balsa
Com’è ovvio che sia, le prestazioni meccaniche sono
inversamente proporzionali alla densità della balsa,
come messo in evidenza dai dati riportati nella Tabella
36.2.
ampliato l’applicazione. La più nuova di tali tecniche
comporta l’uso di uno stampo cavo freddo, nel quale viene
iniettata la schiuma in un unico passo tecnologico (foamin-place). Grazie all’accurata messa a punto della reazione
di reticolazione ed all’effetto pozzo di calore prodotto
dallo stampo, si crea un sandwich naturale, nel quale le
pelli sono costituite da una forma a più elevata densità
dello stesso polimero che costituisce il riempitivo. La
semplicità ed il basso costo di tale processo produttivo
hanno portato a numerose applicazioni nell’industria dei
mezzi di trasporto. Un’altra tecnologia particolarmente
efficiente prevede il posizionamento nello stampo chiuso
delle pelli e degli eventuali inserti: la schiuma iniettata in
un secondo tempo realizza sia il riempitivo che l’adesivo
per solidarizzare il riempitivo alle pelli. Le schiume sono
inoltre capaci di conferire al sandwich ulteriori proprietà,
quali l’isolamento termo-acustico o la radio-trasparenza.
Le schiume di polistirene sono quelle a più basso costo,
ma sono state largamente soppiantate da quelle poliuretaniche nelle coibentazioni strutturali. Le schiume di
poli-vinil-cloruro (PVC) erano estesamente adottate come
riempitivi dei pavimenti nelle costruzioni aeronautiche,
schiuma: per ovviare ai principali svantaggi dei
riempitivi naturali, in particolare la variabilità delle
caratteristiche e la difficoltà di approvvigionamento,
sono stati sviluppati riempitivi sintetici con
caratteristiche molto soddisfacenti, sia di natura
polimerica che metallica. In particolare, i polimeri
vengono trasformati in schiume, espansi o lavorati in
altro modo per ridurne la densità. Viceversa, le
schiume riempitive metalliche vengono ottenute
miscelando le leghe (tipicamente di alluminio e di
titanio) con agenti schiumogeni e raffreddando poi la
miscela in modo da ottenere un solido poroso.
Vengono altresì prodotte anche schiume di vetro e di
grafite per impieghi a temperature particolarmente
elevate. La disponibilità di svariate tipologie ha fatto sì
che l’uso delle schiume come riempitivo strutturale sia
diventato estensivo. I recenti sviluppi delle tecnologie
di iniezione delle schiume hanno ulteriormente
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ma sono state soppiantate dai nidi d’ape aramidici.
Poiché la citata tecnologia del foam-in-place comporta
continui problemi di ripetibilità dell’adesione tra
riempitivo e pelli, l’industria aerospaziale spesso
adotta schiume polimeriche fornite sotto forma di
lastre spesse pre-reticolate, le quali possono essere
facilmente
lavorate
alla
macchina
utensile,
tagliate/contornate con la tecnica del filo caldo e,
quando costituite da polimero termo-plastico, termoformate. Un’altra caratteristica di fondamentale
importanza per le schiume risiede nella morfologia delle
celle: il fatto che esse siano aperte o chiuse influisce in
modo determinante su numerose caratteristiche funzionali:
assorbimento di umidità, conducibilità termica,
smorzamento acustico, capacità di lavorare nello spazio
(ambiente ad alto vuoto). Come sempre accade, a parità di
natura del materiale, le caratteristiche meccaniche sono
dipendenti dalla densità (cfr. Errore. L'autoriferimento
non è valido per un segnalibro.a-b) relative alla schiuma
in polimetacrilato più usata nelle costruzioni aerospaziali).
Tabella 36.3a-b - Proprietà meccaniche delle schiuma Rohacell. Tipo IG per impieghi generali. Tipo WF per formatura in autoclave
(temperatura massima 182 °C, pressione massima 7 Bar per 2 ore)
a
b
Questo va tenuto in conto allorché si vogliano
realizzare pannelli sandwich con la tecnologia della
formatura in autoclave o in pressa a piani caldi: infatti
talune schiume polimeriche a più bassa densità non
sono in grado di sopportare le pressioni di formatura e/o di
incollaggio. La Tabella 36.4 riassume le principali
proprietà di alcuni tipi di schiuma di natura polimerica
usati come riempitivi.
Tabella 36.4 - Proprietà di alcune schiume polimeriche
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Le schiume di natura metallica (generalmente leghe di
alluminio o titanio) possono essere a struttura
trabecolare, ed allora vengono utilizzate nei processi
catalitici o come dispositivi per ridurre i fenomeni di
sloshing (movimento del carburante all’interno dei
serbatoi durante le manovre dell’aeromobile), oppure a
cella chiusa, ed allora vengono adottate per realizzare
sistemi di assorbimento di energia 7 o come riempitivi
delle strutture sandwich. La Tabella 36.5 riassume le
proprietà fisiche e meccaniche delle schiume
metalliche in lega d’alluminio al magnesio o silicio.
Tabella 36.5 - Proprietà di alcune schiume metalliche
Figura 36.5 - Processi produttivi del nido d’ape: espanso o
corrugato
Viceversa, numerose altre proprietà sono influenzate dalla
geometria del nido d’ape:
 densità: tutte le caratteristiche
migliorano al crescere della densità;
meccaniche
 forma della cella: tutti i tipi di nidi d’ape sono
ortotropi; le proprietà dipendenti dalla direzione
vanno perciò adattate alle modalità di carico. La
Figura 36.6 evidenzia le ragioni topologiche che
stanno alla base del comportamento ortotropo.
nido d’ape: si tratta dell’esempio più lampante di
struttura bio-mimetica8. Esso può venir realizzato in
carta impregnata di resina, con carta aramidica, con
tessuti in fibre di vetro o grafite impregnati di resina e
con diversi tipi di polimero o di leghe d’alluminio.
Meno di frequente vengono utilizzate leghe di titanio o
acciai inossidabili. La gran parte dei nidi d’ape viene
realizzata incollando assieme in maniera selettiva
sottili fogli (o lamiere) del materiale, sottoposto poi ad
un’operazione di espansione. Nel caso si voglia
ricavare nido d’ape metallico a partire da lamierini più
spessi, questi ultimi vengono corrugati e poi
solidarizzati tramite incollaggio, brasatura o saldatura
LASER o EBW, come mostrato in Figura 36.5.
Figura 36.6 - Topologia e notazione del nido d’ape: W
width, L length, T thickness
Le proprietà fisiche e meccaniche del nido d’ape sono
fortemente dipendenti dalle caratteristiche del
materiale con cui esso è fabbricato.
Inoltre, alcune forme (cfr. Figura 36.7.1) sono più
facilmente formabili di altre (cfr. Figura 36.7.2).
Esse sono quindi più adatte alla realizzazione di
parti curve di spessore rilevante (cfr. Figura 36.8).
7
In questa applicazione risultano particolarmente apprezzate la
duttilità (a differenza di alcune schiume o nidi d’ape polimerici) e la
struttura isotropa (a differenza di tutti i nidi d’ape) del riempitivo,
che consente di creare dispositivi ad assorbimento omni-direzionale
non preferenziale.
8
Studiata e descritta ampiamente già nel 1859 da Charles Darwin
nell’ “Origine delle specie” (con la collaborazione del matematico
Miller di Cambridge), tramite la struttura a nido d’ape “…le api
hanno risolto praticamente un difficile problema matematico,
costruendo le loro celle di una forma tale da contenere la maggior
quantità possibile di miele, col minor possibile consumo della
preziosa cera…”. Vale a dire, esse hanno risolto un problema di
ottimizzazione, massimizzando il volume occupato dalla struttura,
minimizzando nel contempo la quantità di materiale usato per
realizzarla, ovvero il peso.
Le variazioni nella forma della cella possono venir
specificamente richieste al fornitore oppure
inavvertitamente causate dall’utilizzatore (sovra- o
sotto-espansione). In questi due casi possono
variare in maniera rilevante (sino al 30%) sia la
densità che il grado di ortotropia del materiale;
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 dimensione della cella: sebbene essa tenda a
costituire una variabile secondaria per la
maggior parte delle proprietà meccaniche del
riempitivo, essa è fondamentale per definire la
resistenza dell’incollaggio pelli/riempitivo e per
fissare il livello di sforzo in corrispondenza del
quale si verifica il buckling intracellulare o il
dimpling delle pelli;
 spessore: lo spessore dei fogli dai quali viene
ricavato il nido d’ape influisce direttamente sulla
densità, sulle caratteristiche meccaniche globali del
riempitivo e sui valori limite delle diverse forme di
instabilità locale.
1
2
Figura 36.7 1,2 - Forme di celle formabili e non formabili
Il nido d’ape in carta (eventualmente impregnato con il
10-35% in volume di resina fenolica) è stato il primo ad
essere prodotto (circa 2000 anni or sono), ma non offre
prestazioni meccaniche sufficientemente elevate per poter
essere adottato nelle costruzioni aerospaziali. Il nido d’ape
polimerico rinforzato con fibre di vetro è di comune
impiego nei componenti elettricamente sensibili, quali
radomes e antenne, oppure quando è necessario creare un
isolamento termico. Esso ha trovato altresì applicazione
come materiale ospite dei rivestimenti ablativi non
strutturali (gomme siliconiche o schiume epossidiche
sintattiche)  p.e. nei veicoli di rientro Gemini e Apollo.
Il nido d’ape più usato è tuttora quello in alluminio, in
quanto è il più versatile ed il più favorevole in termini di
rapporto prestazioni/costo. Esso viene prodotto sin dal
1950 ed è disponibile in cinque forme di celle, numerosi
spessori dei fogli e quattro diverse leghe:
 3003-H19, la meno costosa e meno resistente, non
per uso aerospaziale;
Figura 36.8 - Esempio di formatura a doppia curvatura
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 5052-H39, la più usata nelle applicazioni
aerospaziali; disponibile anche con rivestimento
anti-corrosivo, le sue proprietà sono riassunte nella
Tabella 36.6;
Tabella 36.6 - Proprietà meccaniche del nido d’ape 5052-H39
Tabella 36.7 - Proprietà meccaniche dei nidi d’ape 5052 e 2024
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CAP. 36 -TECNOLOGIE E MATERIALI PER LE STRUTTURE SANDWICH
 5056-H39, la più resistente per le applicazioni
aerospaziali; disponibile anche con rivestimento
anti-corrosivo, le sue proprietà sono riassunte
nella Tabella 36.7;
realizzato con fibre aramidiche discontinue, espanso così
come il nido d’ape d’alluminio e poi impregnato per
immersione con resina fenolica. Le proprietà meccaniche
sono inferiori a quelle del nido d’ape d’alluminio (specie
in modulo). Per contro esso sopporta sovraccarichi in aree
localizzate, senza danneggiarsi permanentemente: per
questo motivo esso è particolarmente adatto a realizzare le
pannellature interne dei velivoli, tanto da farne il secondo
riempitivo più usato (dopo l’alluminio) nelle costruzioni
aerospaziali, ad onta del costo elevato e della parziale
incombustibilità. Le sue proprietà meccaniche sono
riassunte nella Tabella 36.8.
 2024-T81, la più resistente al calore;
disponibile anche con rivestimento anticorrosivo, le sue proprietà sono riassunte nella
Tabella 36.7.
Il nido d’ape in carta aramidica è costituito da un
materiale completamente sintetico, estremamente
tenace e resistente al danno, brevettato dalla DuPont
con il nome commerciale di Nomex. Esso viene
Tabella 36.8 - Proprietà meccaniche del nido d’ape in Nomex
Nel caso di nido d’ape in carta aramidica, l’intrinseca
tenacità e resistenza del materiale rende il riempitivo
leggero (16-48 Kgm-3) e particolarmente adatto per
realizzare i pannelli interni delle pareti e del soffitto
delle cabine di velivoli, anche con pelli molto sottili
(0.25mm) di composito vetro/epossidica. Viceversa, il
nido d’ape metallico, in virtù della sua duttilità e
tenacità, costituisce il golden standard per la
realizzazione dei telai delle vetture di F.1, di solito
accoppiato con pelli di carbonio9.
formare una serie di corrugazioni sinusoidali. La Figura
36.9 esemplifica i tipi di sandwich a singola e doppia linea
di corrugazioni. Queste corrono parallelamente alle pelli,
al contrario degli assi delle celle del nido d’ape, che sono
ad esse perpendicolari. I riempitivi corrugati possono venir
formati solo a singola curvatura. Un tipo particolare di
corrugazione deriva dall’uso delle cosiddette lamiere a
cialda, che si ottengono stampando le lamiere metalliche
o formando i pre-impregnati in composito così da ottenere
una tessitura di imbutiture di forma quadrata, rettangolare
o triangolare.
corrugato: il riempitivo corrugato viene prodotto
tramite lo stampaggio di una lamiera metallica o la
formatura di un pre-impregnato in composito per
adesivo – esso rappresenta il terzo elemento costitutivo
del sandwich, ma non certo per importanza. Gli adesivi
per le strutture sandwich spesso costituiscono una
tipologia a sé rispetto agli adesivi per impiego generale:
infatti il progettista deve anche tenere conto che possono
liberarsi prodotti gassosi di reticolazione, tali da provocare
conseguenze inaspettate e potenzialmente pericolose per il
riempitivo:
9
Le pelli ed il riempitivo devono essere scelti in modo da evitare
ogni tipo di incompatibilità termo-elastica ed elettro-chimica. In
genere l’accoppiamento pelli di carbonio/riempitivo metallico non
rispetta tale criterio, ma viene considerato ammissibile in assenza di
umidità atmosferica (veicoli spaziali) o quando la vita operativa del
componente è sufficientemente breve da non configurare problemi
di corrosione galvanica (vetture di F.1).
 pressurizzazione
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CAP. 36 -TECNOLOGIE E MATERIALI PER LE STRUTTURE SANDWICH
 separazione
 liquido viscoso
 dislocazione
 pasta o stucco
 corrosione
 schiuma sintattica
 film supportato con tessuto di vetro o nylon
 film non supportato
 film auto-adesivo
36.3 Fabbricazione
P
er fabbricare una struttura sandwich è necessario
affrontare e risolvere le seguenti problematiche:
 preparazione del riempitivo
 preparazione delle pelli
 preparazione dell’adesivo
 unione di pelli e riempitivo
Questi aspetti verranno considerati in maggior dettaglio
nel presente paragrafo, mentre i problemi connessi con le
giunzioni, gli inserti ed i dettagli di progetto in generale
verranno presi in considerazione nel paragrafo seguente.
preparazione del riempitivo – dal punto di vista del
produttore della struttura sandwich, il riempitivo è da
considerarsi un materiale grezzo che deve essere tagliato,
contornato, formato e giuntato. Le specifiche modalità
operative per effettuare tali operazioni dipendono dalla
natura del riempitivo. I riempitivi a nido d’ape vengono
tagliati con seghe a nastro a denti fini e velocità di taglio
di 500-3000 mmin-1 con precisioni dell’ordine di 0.100.20mm. Previa stabilizzazione10, essi possono essere
contornati (come mostrato in Figura 36.10)
Figura 36.9 - Pannelli sandwich con riempitivo
corrugato
Inoltre, rispetto agli adesivi convenzionali, gli adesivi
per sandwich devono possedere maggior tenacità
(resistenza all’avanzamento della cricca al bordo
dell’incollaggio), adattabilità (capacità di riempire
eventuali imperfezioni dimensionali o errori di
giustapposizione), capacità di creare il menisco alla
giunzione tra la pelle ed il bordo della cella, capacità
di resistere allo squeezing dovuto alla pressione
eccessiva. Le principali tipologie in grado di
rispondere a questi requisiti sono:
utilizzando utensili di forma speciale (cfr. Figura 36.11) e
velocità di taglio variabili da 1200 a 30000 giri al minuto.
I nidi d’ape possono anche essere termo-formati (quando
polimerici) o calandrati (cfr. Figura 36.12). L’operazione
è semplificata se si adottano celle di forma
intrinsecamente formabile, che altresì non inducono forme
anticlastiche.
 fenoliche (neoprene-fenoliche, nitrile-fenoliche,
poli-vinil-fenoliche);
 epossidiche (epossidico-fenoliche, epossidicopoliammidiche,
epossidiche
a
bassa
temperatura)
Le tipiche modalità di giunzione tra porzioni di nido d’ape
sono mostrate in Figura 36.13. La soluzione di tipo
interlocked possiede le migliori prestazioni strutturali.
 poli-aromatiche (poli-benzimidazoliche, poliimidiche, co-poli-imidiche-amidiche);
I riempitivi ottenuti per schiumatura in-situ derivano dalla
reazione esotermica di resine alchidiche e iso-cianati, con
produzione di anidride carbonica. Per essere conformata,
la miscela viene versata nello stampo, dove si espande alla
temperatura di 15 – 95 °C, prima di essere reticolata a
temperature lievemente superiori.
 uretaniche
 inorganiche (ceramiche).
Tra queste, la scelta specifica deve essere effettuata
sulla base del ciclo di reticolazione, della massima
temperatura operativa, del coefficiente di dilatazione
termico, delle prestazioni meccaniche ed ambientali
attese, nonché della natura di pelli e riempitivo che
devono essere incollati. Un ulteriore aspetto molto
importante che deve essere considerato risiede nella
forma con cui l’adesivo viene reso disponibile, ovvero:
Stante la sostanziale inconsistenza dei nidi d’ape allo stato espanso, è
praticamente necessario procedere sempre alla loro stabilizzazione prima
di qualsiasi lavorazione con utensili solidi. La stabilizzazione può essere
effettuata riempiendo le celle con acqua, la quale viene poi congelata,
oppure con poli-etilen-glicole o con qualsiasi altro tipo di schiuma
polimerica solubile in acqua.
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Figura 36.10 - Contornatura di un blocco di nido d’ape
sintetico
Figura 36.13 - Tipiche modalità di giunzione del nido d’ape:
A interlocked; B di testa; C di testa aperto;
preparazione delle pelli – perché venga garantita una
buona adesione tra il riempitivo e le pelli metalliche,
queste ultime devono essere preliminarmente liberate da
qualsiasi residuo di grasso, cera, olio, ossido. Con alcuni
metalli viene ritenuto indispensabile procedere con un
attacco chimico; con altri, facilmente corrodibili, si opta
per l’applicazione di speciali rivestimenti protettivi. In
ogni caso, una volta effettuata l’operazione, vanno usate
tecniche CND (tipo water-film test), prima di procedere
all’incollaggio, da eseguirsi al massimo entro 8 ore. Ogni
metallo ha la propria specifica tecnica di preparazione:
 alluminio: pulizia con solvente (acetone/toluene)
sgrassaggio con vapore di tricloroetilene, attacco
chimico in soluzione acquosa di bi-cromato di
sodio e acido solforico a 70 °C;
Figura 36.11 - Utensili speciali per la contornatura dei
nidi d’ape
 magnesio: trattamento al bi-cromato di sodio,
anodizzazione seguita da protezione con primer al
cromato di zinco;
 acciao inox: vapour blasting seguito da attacco
chimico in soluzione acquosa di bi-cromato di
sodio e acido solforico;
 titanio: pulizia con solvente non clorinato,
immersione in soluzione alcalina calda, abrasive
blasting seguito da attacco chimico in soluzione
acquosa di acido idrofluoridrico e acido nitrico.
preparazione dell’adesivo – dopo che il riempitivo e le
pelli sono state preparate, deve essere applicato l’adesivo,
secondo un metodo che dipende dalla forma con cui esso
viene fornito: a spruzzo per le formulazioni più fluide, a
pennello o rullo per quelle più viscose. Le applicazioni
aeronautiche prescrivono spesso adesivi in film, i quali
devono semplicemente essere messi in posizione. La
quantità di adesivo da applicare dipende da diversi fattori,
quali la sua natura, il tipo delle superfici da incollare, il
flusso durante l’incollaggio. Al termine del processo deve
risultare uno spessore ottimale di 0.05-0.12mm
(spruzzo/pennello) oppure 0.07-0.70mm (film), il che
Figura 36.12 -Calandratura del nido d’ape
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CAP. 36 -TECNOLOGIE E MATERIALI PER LE STRUTTURE SANDWICH
corrisponde a circa 75-900 gm-2. Gli spessori maggiori
devono essere usati in caso di riempitivi in nido d’ape.
Nel caso vengano usati adesivi molto fluidi per
incollare pelli e nido d’ape, essi si devono applicare a
quest’ultimo. Il tempo di assemblaggio, che è il tempo
che intercorre tra la distribuzione dell’adesivo e
l’applicazione della pressione e della temperatura di
reticolazione, deve essere attentamente controllata, in
modo da consentire ai solventi volatili di fuoriuscire
dal film e da provocare un’iniziale stabilizzazione
dell’adesivo. Tale stabilizzazione non deve essere
eccessiva, per non ridurre troppo la fluidità e la
bagnabilità dell’adesivo durante la fase finale
dell’incollaggio. La stabilizzazione può avvenire ad
assemblaggio aperto oppure con gli aderenti in
posizione. Nel caso delle strutture sandwich, di solito
si adotta la prima soluzione. Il tempo di assemblaggio
può variare da mezz’ora (adesivi fluidi con tempi di
reticolazione rapidi) a 8-24 ore (adesivi polimerizzabili
a elevata temperatura). Spesso la stabilizzazione
dell’adesivo viene velocizzata con un ciclo di prereticolazione in forno a circolazione forzata (da 30
minuti a 2 ore, ad una temperatura di 80-110 °C. I
valori dei parametri del ciclo di reticolazione vero e
proprio dipendono dalla formulazione dell’adesivo, dal
tipo di giunzione e dalle sue condizioni operative: di
solito si adottano temperature nel range 163 a 177 °C
per durate variabili da 30 minuti a 2 ore. Nel contempo
deve essere applicato un adeguato livello di pressione
al fine di
pressione che il riempitivo è in grado di sopportare
(tipicamente da 1 a 14 bar). Nel contempo va esercitato un
controllo continuo per evitare il crushing. Da ultimo va
sottolineato che, nelle strutture sandwich metalliche per
utilizzo ad alta temperatura, il riempitivo e le pelli
vengono solidarizzati per saldatura o brasatura. Dopo
sgrassaggio e attacco acido, la brasatura deve venir
effettuata in vuoto o in atmosfera inerte per evitare
fenomeni di corrosione; gli agenti di brasatura sono
costituiti da leghe al nickel o all’argento. Quando invece il
riempitivo consiste in lamiere corrugate, esse vengono
solidarizzate alle pelli tramite una saldatura per punti.
unione di pelli e riempitivo – i componenti sandwich delle
strutture aerospaziali possono derivare da infinite
combinazioni di pelli e riempitivo e possono assumere le
configurazioni più diverse: piane, a semplice e doppia
curvatura. Di conseguenza, deve essere scelta una tecnica
di fabbricazione facilmente adattabile alla specifica
combinazione dei componenti, alla forma e dimensioni del
componente. Le tecniche di fabbricazione possono essere
suddivise in classi a seconda dell’entità della curvatura,
della natura delle pelli e del riempitivo, del tipo di
impianto utilizzato o del metodo di applicazione della
pressione; secondo tale ultimo criterio si può avere:
 applicata tramite un fluido: si tratta di una tecnica
del tutto assimilabile ai processi di formatura dei
materiali compositi. Essa consiste nella
deposizione di pelli e riempitivo su di uno stampo
della forma voluta e nel loro incollaggio tramite
l’apporto di calore e pressione fornita da un fluido
tramite un sacco. Il fluido può essere aria, vapore,
miscela aria-vapore o gas inerte. Questa tecnica è
limitata ai casi in cui non sono utilizzabili altri
metodi: presenza di curvature doppie, di curvature
singole molto accentuate, di spessori variabili, di
dimensioni tanto grandi da sconsigliare l’adozione
di stampi e controstampi o di serie produttive
molto limitate. In Figura 36.14 sono rappresentate
3 tecniche di unione tra pelli e riempitivo con
pressione applicata da un fluido.
 ottenere uno spessore uniforme di adesivo
 vincere gli effetti di viscosità dell’adesivo
 vincere la pressione interna generata dai
solventi
 ovviare alle imperfezioni superficiali delle pelli.
La pressione non è la medesima per tutti gli adesivi e
per tutti gli incollaggi; al contrario essa dipende dalle
dimensioni delle parti da incollare, dalla loro
precisione, dalla viscosità dell’adesivo e dalla
pressione generata dai solventi. Come regola aurea,
dovrebbe essere applicato il massimo livello di
Figura 36.14 - Incollaggio pelli-riempitivo: A) in forno e sacco da vuoto; B) in autoclave; C) con camera di pressurizzazione
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CAP. 36 -TECNOLOGIE E MATERIALI PER LE STRUTTURE SANDWICH
 pressione applicata da stampi semirigidi: talvolta,
per riprodurre l’azione esercitata da un fluido,
vengono adottati piani o stampi con superfici
costituite da un materiale deformabile (tessuto,
feltro, gomma). Questo materiale garantisce una
più uniforme distribuzione di pressione rispetto a
uno stampo rigido, purché le sue caratteristiche
siano compatibili con quelle del sandwich da
produrre. L’uso di un solo stampo semirigido dà
luogo ad una superficie liscia (quella a contatto con
lo stampo rigido) ed una irregolare (quella a
contatto con lo stampo semirigido. L’adozione di
due stampi semirigidi produce sandwich con
entrambe le superfici irregolari. Perciò la prima
tecnica è adatta a produrre componenti esposti al
flusso aerodinamico, la seconda a realizzare
centine, ordinate, pavimenti e paratie interne;
Per quanto riguarda gli stampi ed i materiali di
consumo, vale quanto riportato nel Cap.37;
 pressione applicata da stampi rigidi: la forza è
impressa da pistoni idraulici11 o da meccanismi
a vite, avendo cura di prevedere dei fine-corsa
per evitare il crushing del riempitivo. In questo
caso le tolleranze dimensionali del riempitivo
ed il valore della pressione di incollaggio
rivestono un ruolo fondamentale nella buona
riuscita della operazione. Nel caso di pannelli
piani, per evitare disuniformità di pressione, i
piani della pressa devono essere realizzati con
estrema accuratezza, mentre le tolleranze di
spessore del sandwich devono essere molto
strette. Poiché tali requisiti sono di solito
difficili da rispettare, spesso si adottano
attrezzature supplementari, in grado di
applicare pressione idraulica ad un lato del
sandwich, tipicamente consistenti in sottili
vesciche in gomma riempite di un fluido non
comprimibile, come quella mostrata in Figura
36.15.
 pressione applicata dal riempitivo espandibile: in
tal caso la pressione è generata dal riempitivo
stesso allorché viene creato con la tecnica della
schiumatura in-situ. Non è necessario applicare una
pressione esterna, ma semplicemente uno stampo
esterno di contenimento riscaldato, che fornisca il
calore necessario per far espandere e reticolare il
riempitivo. La tecnica prevede la preliminare
preparazione delle pelli ed il loro posizionamento
nello stampo chiuso, cui segue l’iniezione del
polimero liquido non reticolato, che espande e
reticola, generando nel contempo l’adesione tra
riempitivo e pelli (cfr. Figura 36.16).
Figura 36.15 - Intensificatore di pressione realizzato con
una vescica in gomma riempita di olio o di un altro
fluido incomprimibile
Un set di stampi rigidi per la produzione di
sandwich a semplice o doppia curvatura è
molto costoso e conveniente solo per serie
produttive numerose. In questi casi, per
ottimizzare i cicli produttivi, gli stampi sono
dotati di sistema di riscaldamento (e
eventualmente raffreddamento) tramite la
circolazione di olio diatermico, vapore
surriscaldato o l’inserzione di resistori elettrici.
Ciononostante, il reale valore della pressione
applicata in ogni punto di un sandwich da una
coppia di stampi rigidi, raramente può essere
conosciuto, a causa dell’influenza di numerosi
fattori (grado di curvatura, accuratezza di forma
e dimensioni, rigidezza di sandwich e stampi):
perciò l’adozione di questa metodologia non è
consigliabile per la produzione di parti
strutturali.
Figura 36.16 - Schema di stampo riscaldato per la tecnica
della schiumatura in-situ del riempitivo
Per la buona riuscita dell’operazione occorre che le
superfici delle pelli siano liberate da qualsiasi
traccia di contaminazione (per esempio dovuta a
residui di distaccante), tramite sabbiatura.
L’impianto tipico consiste in una pressa idraulica servocontrollata, dotata di piani riscaldati
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CAP. 36 -TECNOLOGIE E MATERIALI PER LE STRUTTURE SANDWICH
Componenti caratterizzati da una lieve singola
curvatura possono essere prodotti conformando il
riempitivo + le pelli in uno stampo concavo e
applicando poi la pressione con uno stampo
complementare o con un sacco da vuoto. Quando la
curvatura è più pronunciata, diventa difficile
conformare il sandwich allo stampo e tenerlo solidale
ad esso. Inoltre, la curvatura anticlastica, che la
maggior parte dei riempitivi tende a assumere quando
viene flessa, provoca delle difficoltà anche a curvature
moderate. Ciò è particolarmente vero nel caso dei nidi
d’ape: l’entità dei problemi dovuti alla curvatura
anticlastica varia al variare dello spessore. Lo spessore
gioca un ruolo importante anche per quanto riguarda il
raggio di curvatura che può essere impresso al
riempitivo senza provocare cedimenti. In Tabella 36.9
è riportata la correlazione tra lo spessore del riempitivo
ed il minimo raggio di curvatura ammissibile:
Il riempitivo da curvare è vincolato da due fine-corsa sulla
tension sheet e curvato su di un opportuno stampo, in
modo che la lamiera sopporti l’intera sollecitazione di
trazione ed il riempitivo sia deformato per compressione.
L’entità della doppia curvatura che un componente
sandwich può assumere è limitata dalle caratteristiche del
riempitivo, delle pelli o di entrambi. In genere, parti con
doppia curvatura rilevante presentano sempre difficoltà di
realizzazione tecnologica. Parti con una modesta doppia
curvatura possono essere realizzate one-step, così come
parti piane o a semplice curvatura: quando è possibile, il
riempitivo in un pezzo unico viene deposto tra le pelli,
altrimenti –se la rigidezza o lo spessore sono troppo alti–
esso viene suddiviso in pezzi più piccoli e poi ricomposto.
Nel caso di doppia curvatura molto rilevante, possono
essere adottate tecniche one- two o three-step:
 one-step: per pelli e nido-d’ape in composito con
matrice termo-indurente impregnata a umido o
termoplastica termo-formabile;
Tabella 36.9 - Minimi raggi di curvatura che i riempitivi
possono assumere a seconda del loro spessore
Spessore del
riempitivo [mm]
3.00
5.00
6.50
8.00
9.50
11.00
13.00
 two step: formatura delle pelli (composite o
metalliche) e schiumatura in-situ del riempitivo;
Minimo raggio
di curvatura [mm]
150.00
300.00
450.00
600.00
800.00
1000.00
1250.00
 three step: formatura delle pelli metalliche, preformatura del riempitivo in balsa, incollaggio.
Infine, va ricordato che tutte le tecniche che prevedono il
contatto tra le pelli del sandwich e gli stampi devono
prevedere l’uso di lubrificanti e distaccanti, per evitare
l’adesione e la deformazione del manufatto durante la
sformatura. I distaccanti più comunemente utilizzati sono:
Quando sono necessari raggi di curvatura più piccoli,
devono
essere
adottate
tecniche
diverse:
approvvigionare riempitivi pre-formati; termo-formare
il riempitivo (per polimeri termoplastici); impregnare a
posteriori (polimeri termoindurenti). Spesso viene
adottata anche una tecnica simile a quella della
formatura a vapore del legname. Essa comporta
l’incollaggio del riempitivo ad una sola pelle, che
viene conformata su di uno stampo, con la pelle sul
lato convesso; la seconda pelle viene poi incollata sul
lato concavo in un secondo momento (cfr.Figura
36.17).
 cera liquida o in pasta
 resina siliconica
 lecitina vegetale
 metil-cellulosa
 poli-vinil-alcool
 butirrato di acetato di cellulosa
 stearato di alluminio o di zinco
 poli-vinil-fluoruro
Se le pelli dovessero essere successivamente incollate o
verniciate, ogni traccia di distaccante deve venir rimossa,
tipicamente tramite un’operazione di sabbiatura.
In conclusione è conveniente elencare alcuni accorgimenti
che è opportuno mettere il atto allo scopo di garantire una
buona qualità produttiva delle strutture sandwich:
1) occorre sincerarsi che il riempitivo abbia l’esatto
volume che gli è riservato, onde evitare vuoti e/o
eccessi incontrollati di adesivo;
2) se il riempitivo è costituito da nido d’ape, con la
presenza di inserti solidi, tener conto che lo spessore
dello strato dell’adesivo reticolato in corrispondenza
del riempitivo risulterà maggiore di quello in
corrispondenza degli inserti. Perciò lo spessore del
Figura 36.17 - Formatura del riempitivo tramite tension
sheet
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CAP. 36 -TECNOLOGIE E MATERIALI PER LE STRUTTURE SANDWICH
riempitivo dovrà essere maggiore di circa 0.25mm
rispetto a quello degli inserti;
deformazione, peso, costo. A questo fine è utile ricordare
alcune regole auree:
3) la temperatura di incollaggio tra il riempitivo e le
pelli deve essere misurata accuratamente solo in
corrispondenza dello strato di adesivo, meglio se
tramite termocoppie, da lasciare in-situ;
- ottimizzare la sequenza di fabbricazione: il costo di una
struttura sandwich viene valutato all’atto del progetto, ma
la scelta tra diverse alternative produttive può portare a
rilevanti variazioni di tale quantificazione preliminare. Ad
esempio, entrambe le chiusure del bordo illustrate in
Figura 36.18 svolgono lo stesso compito allo stesso peso,
ma la soluzione con le ali verso l’esterno risparmia il
costo della duplice fresatura del riempitivo e la difficoltà
di inserimento del riempitivo e dell’adesivo entro il
profilo;
4) la maggior parte degli adesivi fluisce ben presto
durante il ciclo di reticolazione, riducendo lo
spessore e portando ad un movimento reciproco tra
i componenti da incollare: gli stampi devono
consentire ciò, come fanno i piatti della pressa;
5) le strutture sandwich molto leggere possono
distorcersi durante il raffreddamento a causa della
presenza di inserti di grande massa termica o di
pelli di diverso spessore/materiale, i quali hanno
ratei di riscaldamento e raffreddamento differenti.
Occorre curare la distribuzione delle masse
termiche ed i gradienti termici;
Figura 36.18 - Confronto tra soluzioni funzionalmente
equivalenti, ma tecnologicamente ed economicamente
diverse
6) la progettazione tecnologica deve prevedere un
opportuno drenaggio dell’aria e dei gas, in modo da
evitare che essi rimangano intrappolati entro il
sandwich durante la fase di incollaggio;
- usare il giusto tipo di riempitivo: è opportuno usare
riempitivi di diversa densità in un singolo pannello, scelti
in base all’entità del carico che grava su ciascuna regione,
incollati come mostrato nella Figura 36.19;
7) lo spessore e la rigidezza delle caul plates usate
all’interno del sacco da vuoto devono essere
accuratamente progettati: se molto elevati, la
finitura superficiale delle pelli è buona, ma
l’incollaggio avviene solo in corrispondenza degli
inserti più rigidi; se molto bassi, l’incollaggio
avviene sia sul riempitivo che sugli inserti, ma
l’aspetto superficiale delle pelli può essere
irregolare. In genere, lo spessore delle caul plates
non dovrebbe essere maggiore di 2-3 volte lo
spessore delle pelli del sandwich;
8) è necessario assicurarsi che riempitivo, inserti,
bordi e pelli abbiano tolleranze dimensionali
sufficientemente strette (-/+0.1mm) da garantire il
valore ottimo dello spessore di adesivo e, di
conseguenza, la massima resistenza meccanica.
36.4 Giunzioni, insertature e dettagli
Figura 36.19 - Giunzione di riempitivi a nidi d’ape di
diversa densità tramite un nastro di adesivo ad espansione
I
principali obbiettivi che la progettazione delle
strutture sandwich si prefigge sono il risparmio in
peso, l’aumento di rigidezza o la limitazione dell’uso
di costosi materiali delle pelli. Talvolta vengono
perseguiti altri obbiettivi, come la riduzione dei costi
delle attrezzature, il miglioramento della finitura
aerodinamica, la riduzione del rumore o l’incremento
della durabilità nei confronti dell’energia acustica.
D’altro canto, la progettazione tecnologica deve
risolvere al meglio pochi ma importanti problemi,
come introdurre e trasferire i carichi, collegare
elementi strutturali, proteggere il
sandwich
dall’ambiente esterno: deve in pratica realizzare
efficienti particolari di progetto rispettando vincoli di
- usare diverse tecniche di giunzione nella stessa parte:
gli inserti inglobati in una struttura sandwich posso essere
prodotti per forgiatura, saldatura, rivettatura o essi stessi
per incollaggio. Esistono adesivi con i quali è possibile
effettuare incollaggi secondari a temperature tra i 16 ed i
177 °C senza degradare le proprietà dei sotto-assemblaggi
incollati;
- usare bulloni e rivetti per sopportare i carichi: quando
lo spazio disponibile non consente di usare doublers o
estesi coprigiunti incollati per sopportare carichi elevati,
l’adozione di bulloni o rivetti costituisce la sola soluzione,
sebbene essi aumentino il peso e riducano la vita a fatica;
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autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
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CAP. 36 -TECNOLOGIE E MATERIALI PER LE STRUTTURE SANDWICH
- usare doublers localizzati anziché spessori delle pelli
maggiorati indiscriminatamente: l’adozione di
doublers, sebbene aumenti i costi di produzione,
migliora la qualità del manufatto; l’accorgimento è
particolarmente facile da adottare nel caso di pelli
costituite da laminati compositi;
- porre grande cura nella progettazione dei rinforzi dei
bordi e nei particolari di introduzione dei carichi: tutti i
componenti sandwich sono collegati tra di loro e/o alla
struttura primaria del velivolo: perciò vanno predisposti i
mezzi atti a trasferire le sollecitazioni introdotte nei punti
concentrati di attacco. In generale le strutture sandwich
sono vincolate lungo il contorno: è quindi opportuno
predisporre una struttura perimetrale atta a facilitare il
trasferimento dei carichi. Sono disponibili diverse
soluzioni, da scegliersi in base all’entità dei carichi, al tipo
di pelli e riempitivo, alle esigenze di funzionalità
aerodinamica. Alcune di esse sono mostrate in Fig.36.21.
- usare doublers esterni piuttosto che interni: i
doublers interni richiedono la lavorazione del
riempitivo. La Figura 36.20a mostra un pannello i cui
bordi assolvono alla stessa funzione strutturale, ma la
soluzione di sinistra è notevolmente più costosa. La
Figura 36.20b mostra lo stesso pannello con entrambe
le estremità realizzate “a basso costo”, pur mantenendo
(a dx) la continuità aerodinamica della superficie. Con
lamiere metalliche di basso spessore (0.25mm) e con
la maggior parte dei pre-impregnati in composito è
possibile realizzare doublers sottili senza dover
lavorare il riempitivo, facendo in modo che il loro
spessore venga “assorbito” dallo spessore dell’adesivo,
talvolta
aggiungendo
all’uopo
uno
strato
supplementare: un esempio di tale tecnica è mostrato
nella Figura 36.20c.
a
b
Figura 36.21 - Esempi di soluzioni per la protezione dei
bordi
c
Esse rendono agevole il collegamento con la struttura
adiacente, come mostrano gli esempi di Figura 36.22a,b:
Figura 36.20 a-c - Esempi di realizzazione di doublers
per sandwich
a
b
Figura 36.22a,b - Esempi di collegamento tra pannelli sandwich e tra pannello sandwich e struttura primaria del velivolo
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CAP. 36 -TECNOLOGIE E MATERIALI PER LE STRUTTURE SANDWICH
ma forniscono anche la sigillatura rispetto all’umidità
ed ai fluidi presenti nell’ambiente esterno. Soluzioni
simili vengono adottate anche per costituire una
cornice attorno alle aperture e sopportare la
conseguente concentrazione di carico. I materiali usati
possono essere profilati metallici o polimerici,
materiali compositi, legnami massello (mogano o
abete), stratificati o compensati.
Inoltre, il progetto di una struttura sandwich deve far sì
che i carichi possano venir trasferiti da o verso punti
concentrati lontani dai bordi. A questo fine devono
essere predisposti degli inserti, alcuni tipologie dei
quali sono mostrate in Figura 36.23. Essi possono
assumere la forma di strisce oppure di tasselli
localizzati ad elevata densità.
natura dell’elemento di collegamento; la Figura 36.25
mostra alcune tipologie di questi inserti.
Figura 36.24 - Esempi di collegamento tra pelli in lamiera
metallica
Figura 36.25 - Alcune tipologie di inserti per le strutture
sandwich. Tutte chiamano a collaborare entrambe le pelli
Figura 36.23 - Esempi di inserti ad elevata densità e
resistenza
E’ assolutamente consigliabile progettare attacchi che
distribuiscano il carico su entrambe le pelli, limitando
soluzioni che impegnano una sola pelle (cfr. Figura 36.26)
ai soli casi in cui i carichi trasferiti sono estremamente
lievi.
- porre cura nella progettazione dei collegamenti e
degli attacchi: se le dimensioni dei pannelli sandwich
sono superiori a quelle disponibili delle pelli, vanno
progettati i metodi di collegamento tra queste ultime.
Questo non è difficile se le pelli sono realizzate con
laminati compositi; viceversa pelli in lamiera devono
venir collegate nei modi illustrati in Figura 36.24,
tenendo conto delle osservazioni di natura economica
e funzionale elencate in precedenza.
Da ultimo, va ricordato che i pannelli sandwich
vengono collegati tra di loro tramite viti o bulloni e
che anche gli accessori, come supporti, squadrette,
golfari sono collegati allo stesso modo. La maggior
parte di questi attacchi richiede forature (passanti o
cieche), predisposte in modo tale da adattarsi alla
Figura 36.26 - Esempio del collegamento di un corrente al
pannello tramite incollaggio su di una sola pelle (solo per
carichi lievi)
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ispezioni sistematiche per verificare l’omogeneità nel
tempo dei lotti forniti e per garantire che esso non venga
utilizzato allorché le sue proprietà si fossero deteriorate in
conseguenza di un immagazzinamento improprio o del
superamento della data di scadenza (shelf life). Oltre alla
resistenza della giunzione, viene valutato l’aspetto fisico e
sono misurati il pH, la viscosità, la densità ed il contenuto
in solidi.
36.5 Prova ed ispezione
U
na volta fabbricato, è estremamente difficile
determinare la qualità di un componente
realizzato con la tecnologia sandwich. Devono essere
condotte ispezioni sistematiche sui materiali di
partenza (pelli, riempitivo e adesivo), facendo
riferimento alle specifiche dei materiali. Allo stesso
modo, deve essere verificata la stretta aderenza del
metodo produttivo alle specifiche di processo. Spesso
il solo modo per verificare la conformità a tali
specifiche consiste nell’applicazione dei metodi di
controllo non distruttivo. Questi ultimi rappresentano
un passo essenziale durante il processo di produzione
delle parti staccate e l’ispezione in servizio della
struttura completa. Se necessario, essi possono essere
applicati a tutti i processi, componenti ed assiemi.
Molte delle indicazioni che provengono dalle tecniche
di controllo non distruttive sono qualitative, non
quantitative, e la loro interpretazione comporta
valutazioni soggettive basate sull’esperienza. La
correlazione tra le discontinuità e le prestazioni dei
materiali e delle strutture dipendono fortemente dalle
condizioni di servizio e dall’ambiente operativo. La
significatività di tali indicazioni dovrebbe essere
verificata inizialmente tramite prove distruttive, che
supportino le successive valutazioni. Senza pretesa di
sistematicità, nel seguito vengono indicati i principali
metodi di prova ed ispezione dei materiali di partenza,
delle parti e delle strutture finali:
riempitivo: normalmente, le specifiche definiscono la
variabilità accettabile della densità ed i valori minimi
di resistenza. I riempitivi naturali (come la balsa)
vanno soggetti ad una variabilità ponderale maggiore
rispetto a quelli sintetici, cosicché la verifica della
conformità della densità è di primaria importanza. Le
prove di trazione e compressione nel piano (Figura
36.27 e Figura 36.28) e fuori dal piano del pannello
(Figura 36.29) e di flessione (Figura 36.30) intendono
verificare il soddisfacimento dei requisiti di resistenza,
come pure, indirettamente, altre caratteristiche (grado
di reticolazione della resina nei riempitivi sintetici).
Figura 36.27 - Prova di trazione nel piano
pelli: i materiali utilizzati per la pelli, come vari tipi di
leghe metalliche e di compositi, non presentano
problemi particolari di ispezione. Normalmente i
metalli devono conformarsi alle specifiche militari e
devono essere esenti da contaminazioni, corrosione e
graffi, mentre i rinforzi dei compositi non devono
presentare
contaminazioni,
devono
essere
opportunamente apprettati e (nel caso dei tessuti)
devono presentare una struttura uniforme.
adesivi: per prima cosa, gli adesivi devono essere
valutati in base al tipo di applicazione e di ambiente
operativo: alcune specifiche richiedono che le prove
vadano ripetute a intervalli specifici per verificare che
non si verifichino deterioramenti. Una volta che un
particolare adesivo è stato scelto, vanno condotte
Figura 36.28 - Prova di compressione nel piano
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presenza di carichi ripetuti (fatica) o costanti nel tempo
(scorrimento o rilassamento). Inoltre vengono indagate le
prestazioni dell’incollaggio in presenza delle componenti
di sforzo tipiche dell’adesivo, ovvero il taglio (Figura
36.31) e lo strappamento (Figura 36.32).
Figura 36.29 - Prove di trazione e compressione fuori
dal piano
Figura 36.31 - Prove di taglio trasverso per la valutazione
della resistenza a taglio del riempitivo e dell’adesivo
Figura 36.30 - Prova di flessione su quattro punti
adesione pelli-riempitivo: è opportuno che essa venga
valutata tramite test su provini realizzati con i materiali
(pelli, riempitivo e adesivo) costituenti la struttura
reale. Viene misurata la resistenza meccanica
dell’incollaggio nelle sue reali condizioni di servizio,
come l’esposizione a temperature estremamente basse
o alte, l’assorbimento di umidità, l’immersione in vari
tipi di fluidi (lubrificante, carburante, anti-ghiaccio), la
Figura 36.32 - Prove drum peel test per la valutazione della
resistenza a peeling (strappamento) dell’adesivo
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CAP. 36 -TECNOLOGIE E MATERIALI PER LE STRUTTURE SANDWICH
Invece, per quanto riguarda i componenti e le strutture
sandwich, viene verificata la loro conformità per
quanto riguarda le dimensioni, il peso, la resistenza,
l’uniformità e la configurazione. L’importanza relativa
e la tolleranza ammissibile di ciascuna di queste
caratteristiche dipende dall’applicazione: le carenature
dei radar e delle antenne richiedono pannelli di
spessore esatto e uniforme, mentre i pannelli strutturali
primari richiedono soprattutto la certificazione della
resistenza meccanica; parti strutturali secondarie sono
meno critiche dal punto di vista della resistenza
meccanica, ma devono garantire le dimensioni e la
forma. I radome, dopo l’ispezione visiva per valutare
la conformità ai requisiti dimensionali, vengono
sottoposti alla misura dell’efficienza della trasmissione
elettrica e della possibile distorsione del segnale. Le
parti strutturali devono essere ispezionate per
individuare aree di dubbia adesione tra le pelli ed il
riempitivo. Le aree scollate sono velocemente
individuate tramite i metodi convenzionali di controllo
non distruttivo, mentre le aree di incollaggio subottimale sono più difficilmente individuabili. Spesso,
durante la produzione, vengono realizzati anche
provini sacrificali da sottoporre a prove distruttive per
valutare la consistenza della metodologia produttiva e
del controllo di processo, nonché l’integrità strutturale.
Le più comuni tecniche di controllo non distruttivo dei
sandwich sono:
provocando il cedimento delle zone parzialmente scollate.
36.6 Riparazione
A
nche per le strutture sandwich, come per ogni altro
tipo di costruzione, è inevitabile che si verifichino
dei danni. Durante le fasi di produzione, laddove esiste il
pericolo della caduta di utensili o di urto contro le
attrezzature, si possono evitare danni alle parti sandwich
proteggendone gli spigoli e utilizzando rivestimenti
protettivi temporanei. Tali accorgimenti possono ridurre i
danni, ma quando questi si verificano, devono essere
disponibili opportuni metodi di riparazione. Stante le
infinite possibilità di combinare materiali diversi entro lo
stesso sandwich, è praticamente impossibile definire delle
procedure operative di validità generale, cosicché nel
seguito verranno illustrate le metodologie adatte ai tipi di
sandwich più utilizzati nelle costruzioni aerospaziali.
Le procedure di riparazione vengono messe a punto con
l’obiettivo di ripristinare, il più strettamente possibile, le
caratteristiche meccaniche originarie della struttura, con il
minimo aggravio di peso ed il minimo deperimento delle
prestazioni aerodinamiche. Ciò può essere garantito solo
sostituendo il materiale danneggiato con del materiale
identico o approvato. Allo scopo di eliminare pericolose
concentrazioni di sforzo, è necessario evitare, per quanto
possibile, brusche variazioni di sezione tramite opportuna
rastremazione dei giunti; inoltre le “pezze” devono avere
forma circolare o ellittica anziché rettangolare; infine gli
angoli di tutte le riparazioni di grandi dimensioni devono
venir arrotondati. Specie per i velivoli molto veloci, la
continuità della superficie aerodinamica non deve essere
modificata tanto da comprometterne le prestazioni: perciò
occorre evitare “pezze” che protrudano dalla superficie
originaria; quando ciò non fosse possibile, i bordi devono
essere generosamente smussati. Ancora: nelle riparazioni
dei radomes, è di fondamentale importanza non variare lo
spessore originario delle pelli e del riempitivo 13. Esistono
diversi tipi di riparazione; temporanea o permanente; con
singola o doppia accessibilità (di solito i radome vengono
rimossi per garantire la doppia accessibilità, mentre i
pannelli alari, i pavimenti e le ordinate vengono riparati in
situ, con singola accessibilità). Il MIL-HDBK-23A
suddivide in quattro classi i danni riparabili dei sandwich:
 ispezione visiva
 percussione (tapping)
 spur wheel12
 ultrasuoni
 radiografia
 termografia
 vibrometria
Tali metodi sono descritti in maggior dettaglio nel
Cap.59.
Da ultimo non vanno dimenticate le tecniche di prova
dell’incollaggio
pelli-riempitivo
basate
sull’applicazione di pressione. Esse presuppongono
che sia le pelli che il riempitivo siano a tenuta
pneumatica. Le prove vengono condotte in una camera
a vuoto o tramite una sorta di ventosa in grado di
applicare localmente il vuoto ad una porzione della
superficie del sandwich. La depressione così generata
induce una sovrappressione dall’interno verso
l’esterno, che sollecita a peeling l’adesione tra pelli e
riempitivo, evidenziando le zone totalmente scollate e
Classe 1: indentazioni, graffi, rigature o erosione delle
pelli, non accompagnati da piccoli fori o fratture;
Classe 2: piccoli fori o fratture in una sola pelle,
eventualmente accompagnata da danneggiamento del
riempitivo, ma non della pelle opposta;
13
Le tecniche di riparazione descritte nel seguito devono considerarsi
“riparazioni sul campo”. Inoltre, le riparazioni maggiori non devono
essere eseguite su parti nuove; per altro, anche le riparazioni minori su
parti nuove non dovrebbero essere eseguite, a meno che esse siano in
accordo con specifiche norme militari. In ogni caso, la riparazione deve
essere eseguita da personale precedentemente addestrato ad operare su
quel tipo specifico di sandwich (pelli, riempitivo, adesivo, tecnologia).
12
La tecnica dello spur wheel si può considerare un affinamento di
quella del tapping: infatti l’operatore, anziché di un semplice
martelletto, dispone di una ruota dentata, la quale viene fatta rotolare
sulla superficie del sandwich e produce un rumore periodico che
cambia di tono in corrispondenza di un’area scollata tra riempitivo e
pelli.
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CAP. 36 -TECNOLOGIE E MATERIALI PER LE STRUTTURE SANDWICH
Classe 3: fori o danneggiamenti che interessano
l’intero spessore del sandwich, ovvero entrambe le
pelli ed il riempitivo;
La riparazione di Classe 2 prevede che il riempitivo
danneggiato venga accuratamente asportato secondo una
forma arrotondata, fino alla pelle opposta. I bordi della
pelle danneggiata devono essere rastremati (rapp. 1:100);
il riempitivo è sostituto con una porzione dello stesso
materiale di dimensioni coincidenti, ricoperto su tutti i lati
dalla resina. La pelle danneggiata viene ripristinata con
“pezze” di rinforzo impregnate (50%) di dimensioni
variabili e compatibili con la rastremazione, in numero
tale da riprodurre lo spessore originario. La riparazione
viene ricoperta con il film protettivo sigillato sui bordi;
viene applicata la pressione tramite un sacco da vuoto e
riscaldando per mezzo di lampade fino alla reticolazione
della resina; dopo aver rimosso il film, viene eseguita una
sabbiatura finale. Tutto ciò è mostrato in Figura 36.34.
Classe 4: danneggiamento esteso, tale da richiedere la
sostituzione dell’intera parte o di più parti.
Nel seguito vengono esemplificate le metodologie di
riparazioni per i più comuni tipi di sandwich
strutturali.
Riparazione di sandwich polimerici: si tratta
tipicamente della riparazione dei radomes. Le pelli
devono venir preventivamente pulite a caldo, usando
però sostanze che non ne compromettano la durabilità
ambientale. Le resine adottate per la riparazione non
devono necessariamente coincidere con la matrice del
composito: devono però essere compatibili ed essere in
grado di reticolare in breve tempo a temperatura
ambiente. Per applicare la pressione in maniera
uniforme devono venir usate coperte in poli-vinilalcool, vinilite o cellophane (materiali in grado di
essere drappati su superfici a doppia curvatura)
sigillate lungo i bordi. Nel caso si rendesse necessario
l’uso di stampi locali, essi devono venir
preliminarmente trattati con distaccanti. Nel caso di
danni di Classe 1, il metodo consiste nel sabbiare la
superficie da riparare fino ad una distanza almeno 100
volte superiore alla profondità del danno, rivestire la
zona con uno strato di resina e poi con pezze di
rinforzo impregnato a umido nella stessa resina (50%
percentuale in volume), come mostrato in Figura 36.33
e ricoprire la zona con il film protettivo fino a
completa reticolazione della resina; segue una
sabbiatura finale.
Figura 36.34 - Riparazione di Classe 2 per un sandwich in
composito
La riparazione di Classe 3 può venir eseguita secondo due
metodologie: con giunto a bisello (simile a quello usato
per riparazioni di Classe 2) oppure con giunto a gradini,
descritto nel seguito. La prima metodologia è adatta per
riparare danni non più estesi di 100mm con pelli sottili.
Negli altri casi si preferisce la seconda tecnica. I dettagli
della riparazione con giunto a bisello sono in Figura
36.35.
Nel caso della riparazione con giunto a gradini, mostrata
in Figura 36.36, gli strati che costituiscono la pelle
superiore vengono tagliati e poi “pelati via” in modo da
presentare una superficie a gradini. La pelle inferiore
viene temporaneamente ripristinata con una rondella
tenuta in posto da una piastra, in modo da poter inserire la
porzione di materiale che sostituisce il riempitivo
asportato. Le pezze per la riparazione vengono
dimensionate (con una sovrapposizione di circa 30mm),
impregnate (50% resina), posizionate e reticolate. Una
volta asportato il film protettivo, la superficie viene
Figura 36.33 - Riparazione di Classe 1 per un sandwich
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CAP. 36 -TECNOLOGIE E MATERIALI PER LE STRUTTURE SANDWICH
in lega d’alluminio (tipo 2014, 2024 o 7075), usando
adesivi epossidici in grado di reticolare a temperatura
ambiente; è importante che il riempitivo sia sostituito con
materiale identico o equivalente. Le riparazioni di Classe
1 sono eseguite, previa sabbiatura e pulizia chimica
superficiale, tramite riempimento del danno (non più
esteso di 5mm) con resina epossidica, la quale viene poi
reticolata con lampade a infrarosso. L’operazione finale
consiste nella rimozione della resina in eccesso ed una
lieve sabbiatura. Nel caso delle riparazioni di Classe 2, per
prima cosa la pelle danneggiata ed il riempitivo vengono
asportate con le metodologie mostrate in Figura 36.37:
sabbiata, prima di ripetere la medesima procedura
sull’altra pelle del sandwich.
Figura 36.35 - Riparazione di Classe 3 per un sandwich
in composito usando la tecnica del giunto a bisello
Figura 36.37 - Tecniche di asportazione della parte
danneggiata di un pannello sandwich metallico incollato
Figura 36.38 - Pelle superiore di un pannello sandwich
preparata per la riparazione con giunto a gradini o con
giunto a bisello
Figura 36.36 - Riparazione di Classe 3 per un sandwich
in composito usando la tecnica del giunto a gradini
La cavità così ottenuta deve essere liberata da eventuali
detriti/contaminanti ed i bordi accuratamente sbavati. Nel
caso si voglia ripristinare la continuità aerodinamica, la
pelle superiore deve essere lamata ad uno spessore pari
alla metà dello spessore iniziale o con una rastremazione
Riparazione di sandwich metallici incollati: le pelli
vengono normalmente riparate con “pezze” di lamiera
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CAP. 36 -TECNOLOGIE E MATERIALI PER LE STRUTTURE SANDWICH
 “a sovrapposizione” con i bordi della “pezza” a
spessore rastremato; se il rapporto tra sormonto
della giunzione e spessore della lamiera è > 125, la
continuità strutturale è praticamente garantita;
preparatoria di un giunto a bisello (vedi Figura 36.38).
Talvolta, per meglio garantire l’ancoraggio dell’inserto
di riempitivo, viene ricavato un sottosquadro, cfr.
Figura 36.39:
 “a gradino” (cfr. Figura 36.41), che ripristina il
100% della continuità aerodinamica, ma solo il
50% di quella strutturale;
Figura 36.39 - Realizzazione del sottosquadro prima
dell’inserimento del tassello di riempitivo
Una volta ottenuto il sottosquadro, la parte
danneggiata di riempitivo viene sostituita con uno dei
metodi illustrati nella Figura 36.40, utilizzando
riempitivo dello stesso tipo o balsa oppure – per i
danni di minor dimensione – resina caricata con fibre
discontinue/microsfere di vetro ovvero polvere
metallica, avendo cura di eliminare le micro-bolle di
aria intrappolata. Per i danni di maggior dimensione, il
riempitivo e la pelle possono essere sostituiti con una
laminazione di tessuto di vetro e resina, avendo cura di
verificare che gli strati di rinforzo più esterni, quelli
che coincidono con la pelle, ne abbiano la stessa
orientazione. Alla fine, in ogni caso 14, si procede alla
reticolazione tramite lampade, alla sabbiatura e alla
verniciatura finale.
Figura 36.40 Metodi per la sostituzione del riempitivo
danneggiato in pannello sandwich metallico
Una volta sostituita la porzione di riempitivo
danneggiato, deve venir ripristinata la continuità della
pelle metallica, per mezzo di una ”pezza”, che può
essere di diverso tipo:
Figura 36.41 - Riparazione “a gradino” della pelle di un
sandwich metallico

 “a tappo”, che si attaglia esattamente con la
sede ricavata nella pelle, ne ripristina la
continuità aerodinamica, ma non quella
strutturale;
“a sovrapposizione”, in cui sia la “pezza”, sia la
pelle hanno i bordi rastremati, per ripristinare la
continuità aerodinamica e strutturale;
 “a sovrapposizione” con una “pezza” costituita da
tessuto di vetro impregnato a umido anziché da
lamiera (cfr. Figura 36.42); facile da realizzare
anche sul campo, efficiente dal punto di vista
aerodinamico, ma non da quello strutturale.
La pressione e la temperatura necessarie alla reticolazione
possono essere ottenute con metodi diversi, a seconda
della criticità della riparazione:
14
Tutte le superfici da incollare hanno dovuto essere
preventivamente liberate da qualsiasi residuo di olio, grasso, cera o
vernice per mezzo di sabbiatura leggera e sgrassaggio chimico
tramite metil-etil-chetone. Grande attenzione va posta perché non sia
lasciato alcun residuo liquido all’interno della zona riparata o,
peggio, entro il nido d’ape.
 con sacchi di sabbia, a temperatura ambiente;
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 con morsetti, rivetti o viti autofilettanti e piastre
di pressione in compensato (cfr. Figura 36.43);
Figura 36.42 - Riparazione “a sovrapposizione” della
pelle di un sandwich metallico tramite tessuto di vetro
impregnato a umido
Figura 36.44 – Apporto di pressione tramite sacco da vuoto
vinilico e di calore tramite coperta flessibile riscaldata
elettricamente.
Figura 36.45 - Apporto di pressione tramite sacco da vuoto
vinilico e di calore tramite blocchi rigidi riscaldati
elettricamente
 con coperta/blocchi riscaldanti e lampade a raggi
infrarossi15, retro-azionate con termocoppie.
Le riparazioni di Classe 3 possono venir effettuate con le
stesse metodiche descritte sopra, a patto che il pannello sia
accessibile, ripetendo le operazioni sulle due facce. Se
invece il pannello non è accessibile, deve essere applicata
la seguente procedura:
Figura 36.43 - Applicazione della pressione tramite
piastre tenute in posizione da viti autofilettanti
 con sacco da vuoto in vinile e coperta riscaldata
elettricamente, di tipo flessibile (cfr. Figura
36.44);
 rimuovere la pelle ed il riempitivo danneggiati;
 approntare la piastra di supporto (cfr. Figura
36.47);
 con sacco da vuoto in vinile e blocchi
riscaldanti elettricamente, di tipo rigido (cfr.
Figura 36.45);
 sgrassare le superfici della piastra e della pelle;
 applicare l’adesivo sulla piastra e posizionarla;
 con camera a vuoto rigida e blocco riscaldante
elettricamente, pure rigido ma collegato tramite
una guarnizione flessibile (cfr. Figura 36.46);
 sostituire la porzione di riempitivo danneggiato;
15
In alternativa possono essere utilizzati sacchi di sabbia riscaldata, che
apportano contemporaneamente calore e pressione.
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CAP. 36 -TECNOLOGIE E MATERIALI PER LE STRUTTURE SANDWICH
 applicare la caul plate con le viti autofilettanti;
continuità di servizio: sono ammesse riparazioni solo in
condizioni di emergenza, dopo di che la parte deve essere
sostituita appena possibile (cfr. esempio di Figura 36.48).
 dopo la reticolazione dell’adesivo rimuovere le
viti e la caul plate;
 riparare la pelle superiore con le metodologie
descritte in precedenza.
Il calore per la reticolazione può essere apportato con
coperte termiche, lampade ad infrarossi o sacchi di
sabbia riscaldata, ma – stante la difficoltà di riscaldare
l’adesivo interno – è bene che questo possa reticolare a
temperatura ambiente.
Figura 36.48 - Riparazione di un pannello accessibile da un
solo lato
Figura 36.46 - Apporto di pressione tramite camera a
vuoto rigida e di calore tramite blocco rigido riscaldato
elettricamente
36.7 Durabilità
P
er essere accettabile, una struttura sandwich, oltre a
possedere delle ben definite proprietà fisiche iniziali,
deve dimostrarsi relativamente inerte all’esposizione alle
condizioni ambientali derivanti dal utilizzo in esercizio.
Nel caso di nuovi materiali non è possibili dimostrare tale
insensibilità sulla base di dati storici, ma occorre riferirsi
ai risultati di campagne sperimentali di invecchiamento
accelerato, condotte nelle condizioni reputate essere le più
gravose per il materiale/componente in esame. A tale
riguardo, gli effetti sull’incollaggio pelli/riempitivo sono
più gravi negli ambienti caldo/umidi rispetto a quelli più
temperati o freddi. Inoltre, per quanto riguarda l’ambiente
spaziale, risulta che i polimeri convenzionali epossidici,
poliestere, fenolici, siliconici non mostrano un misurabile
rateo di perdita massica d’equilibrio (in alto vuoto e T <
100 °C). L’esposizione a temperature più elevate riduce
fortemente la resistenza delle resine poliestere, ma non
quella degli altri polimeri. Nel caso di sandwich con pelli
in alluminio e adesivi epossidico-fenolici e nitrile-fenolici
non si sono manifestati effetti deleteri dopo 5 anni di
esposizione né all’ambiente esterno, né al contatto con il
carburante JP4. Nel caso invece di sandwich con pelli in
Figura 36.47 – Apporto di calore tramite lampada a
raggi infrarossi retroazionata con termocoppie.
Riparazione di sandwich metallici brasati: nel caso di
indentazioni superficiali o di danni leggeri, esse
possono essere effettuate iniettando elastomeri
siliconici, adesivi polimerici o potting compounds.
Fori di piccole dimensioni vengono riparati brasando
“pezze” metalliche. Regioni fortemente danneggiate
non possono essere riparate in modo da garantire la
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CAP. 36 -TECNOLOGIE E MATERIALI PER LE STRUTTURE SANDWICH
[2]
composito, i dati (affetti da una considerevole
dispersione)
mostrano
un’influenza
esercitata
dall’ambiente operativo. In particolare, l’atmosfera in
nebbia salina (caratteristica dei velivoli imbarcati) si
dimostra la più danneggiante, fino a provocare
l’esposizione delle fibre. I sandwich sono anche in
grado di resistere ai solventi, ad eccezione degli
sverniciatori, i quali ne degradano drasticamente le
proprietà meccaniche. Comunque, il più serio
problema d’esercizio per i sandwich risiede nella
possibilità di assorbimento di umidità da parte del
riempitivo. L’acqua accumulata può danneggiare il
pannello a causa del congelamento o, nel caso dei
velivoli supersonici d’alta quota, dell’ebollizione;
entrambi i fenomeni possono provocare il cedimento
del riempitivo. L’assorbimento di umidità può inoltre
provocare corrosione all’incollaggio pelli/riempitivo,
aumento di peso e sbilanciamento dinamico delle
superfici di controllo e delle pale dei rotori
d’elicottero. Eventuali fluidi assorbiti dai radome ne
peggiorano la funzionalità elettronica. Inoltre, in molti
casi, i riempitivi costituiti da schiume o legno di balsa
cedono all’interfaccia con le pelli a causa delle
vibrazioni, e consentono così l’infiltrazione di umidità
e l’innesco di fenomeni di corrosione. Durante
l’esercizio, l’umidità viene assorbita principalmente
nel corso della discesa, poiché il ritardo nei valori di
pressione e temperatura sperimentati dall’interno del
pannello fa sì che la pressione interna sia inferiore a
quella esterna, cosicché l’umidità viene “aspirata”
dall’esterno verso l’interno attraverso porosità,
cricche, interstizi; ulteriori condizioni pericolose
derivano da:
ASTM Vol.15.03:
“Space Simulation; Aerospace and Aircraft; Composite Materials”
ASTM International, West Conshohocken - PA, 2010.
[3]
Allen, H.G.:
“Analysis and Design of Structural Sandwich Panels”
Pergamon Press, Oxford, 1969.
[4]
Gibson, L.J., Ashby, M.F.:
“Cellular Solids – Structure & Properties”
Cambridge University Press, Oxford, 1997.
[5]
Hoskin, B.C., Baker, A.A.:
“Composite Materials for Aircraft Structures”
AIAA Education Series, New York, 1986.
[6]
Lubin, G.:
“Handbook of Composites”
Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1982.
[7]
Military Handbook – MIL-HDBK-23A:
“Structura l Sandwich Composites”
Department of Defense, Washington, 1972.
[8]
Scott Burton, W., Noor, A.K.:
“Structural Analysis of the Adhesive Bond in a Honeycomb Core
Sandwich Panel”
Finite Elements in Analysis and Design, Vol.26, Pagg.213-227,
1997.
[9]
Vinson, J.R., Sierakowsky, R.L.:
“The Behaviour of Structures Composed of Composite Materials”
 elevati livelli di vibrazione sonora che provoca
il cedimento del sigillante;
Martinus Nijhoff Publishers, Dordrecht, 1987.
 eccessiva deformazione strutturale;
 pressione differenziale;
 insufficiente sovrapposizione dei bordi di
incollaggi;
 danni accidentali esterni (impatto);
 sigillatura inadeguata;
 sforzi termo-elastici ciclici;
 invecchiamento del sigillante;
 proprietà del materiale inadeguate.
Per sigillare i bordi dei pannelli sandwich ed evitare
l’assorbimento vengono usate resine epossidiche o
poli-sulfidiche caricate con fibre corte o microsfere di
vetro.
Bibliografia
[1]
AA. VV.:
“Composites”
ASM International, Metals Park - Ohio, 1987.
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