Metal Replacement nel settore aeronautico

La sostituzione dei metalli con materiali plastici avanzati (metal replacement) consente di ottenere riduzioni di peso significative e, di conseguenza, altrettanto significativi vantaggi economici e ambientali.

Infatti, a peso inferiore equivale un minore consumo di carburante. Utilizzare l’approccio del metal replacement significa avere la grande opportunità di ridurre gli effetti negativi dei viaggi aerei sull’ambiente e ridurre il costo stesso del volo. Nella direzione del metal replacement stanno agendo sia i produttori di materiali che i costruttori di aerei che il mondo accademico. Qui descriviamo contributi in questi tre ambiti.

Utilizzo della stampa 3D

Per perseguire innovazione e la realizzazione di un mondo più sostenibile, Airbus ha messo in atto una collaborazione con Autodesk. Infatti, le due società hanno in comune l’esplorazione costante di tecnologie avanzate allo scopo di cambiare radicalmente il modo in cui le cose saranno prodotte e creare l’industria aeronautica del prossimo futuro. In particolare, Airbus sta ripensando molte componenti infrastrutturali degli aerei applicando il generative design di Autodesk. L’obiettivo è sviluppare parti più leggere che superino gli standard di sicurezza e prestazionali. Inoltre, Airbus sta prendendo in considerazione anche gli spazi fisici in cui le componenti di un aereo vengono costruite; spazi dotati di logistica ottimizzata per migliorare le condizioni di lavoro dei dipendenti e aumentarne la produttività. Di conseguenza, l’impiego del generative design è funzionale alla progettazione di fabbriche conformi agli standard DGNB e LEED.

Autodesk inventor è un sofware di modellazione 3D per la progettazione meccanica, prodotto da Autodesk, la “software house” produttrice di Autocad. Nasce nel 1999 con la versione 1, commercializzata solo in America e poi dalla versione 2 in tutto il mondo.

Partizione bionica 2.0

La “partizione bionica” è una versione di nuova generazione della paratia divisoria che separa l’abitacolo passeggeri dalla cambusa. Il progetto iniziale prevedeva un peso del 45% inferiore e la stessa solidità rispetto a quella in uso. Airbus ha stimato che il nuovo approccio avrebbe potuto consentire un risparmio di circa mezzo milione di tonnellate di emissioni di CO₂ all’anno se implementato su tutti gli aerei A320 in uso. Nel caso specifico di Airbus, questo ha significato poter usare il design generativo per creare uno stampo plastico in 3D della parete divisoria, per poi stampare la parte in una lega già qualificata per il volo. La parete divisoria bionica 2.0 così ottenuta è forte e leggera come inizialmente pianificato e può essere prodotta su vasta scala in modo più sostenibile. Airbus utilizzerà il generative design per riprogettare altri componenti strutturali degli aerei, tra cui il bordo anteriore del piano di coda verticale dell’A320. Lo scopo di un VTP di un aereo è quello di garantire stabilità direzionale e ridurre l’inefficienza aerodinamica causata dal movimento laterale.

Politecnico di Milano (PoliMi)

Il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano ha collaborato con Crp Technology per la realizzazione di alcune parti installate sui dimostratori aeroelastici utilizzati nei progetti “Aeroelastic Flutter Suppression (AFS)” e “Gust Load Alleviation techniques assessment on wind tUnnel Model of advanced Regional aircraft (Glamour)”. Il progetto AFS è stato lanciato dal PoliMi e dall’University of Washington per verificare in galleria del vento diverse tecnologie per la soppressione attiva del flutter (vibrazione anomala delle ali). Il progetto Glamour invece, era focalizzato sull’ottimizzazione tecnologica e la validazione sperimentale di sistemi di controllo attivo per l’alleviazione di carichi da raffica da installare su un velivolo regionale di nuova generazione GRA (Green Regional Aircraft) prodotto dal Leonardo Company-Aircraft Division. L’apporto di Crp Technology ha riguardato la costruzione in stampa 3D con materiale composito Windform XT 2.0 delle parti aerodinamiche dei due dimostratori aeroelastici (modelli in scala di prototipo di velivolo) per i test in galleria del vento afferenti i due progetti. Si tratta di settori aerodinamici che conferiscono la corretta forma esterna dell’ala e, allo stesso tempo, trasmettono i carichi aerodinamici alla struttura interna flessibile. Prima dell’avvento della stampa 3D professionale, i settori aerodinamici delle ali aeroelastiche venivano prodotti tramite laminazione a secco di tessuti in fibra di carbonio o di vetro, che avvolgevano blocchi di Styrofoam opportunamente tagliati per assumere la forma dell’ala. Questo processo di lavorazione richiedeva tempi molto lunghi e la finitura superficiale era di scarsa qualità. L’impiego della stampa 3D professionale ha rivoluzionato l’intero processo di costruzione e di verifica delle parti consentendo elevata velocità di produzione e possibilità di ottimizzare la forma interna di tali settori aerodinamici, per renderli più leggeri e rigidi possibile.

Creazione delle parti aerodinamiche

Grazie all’utilizzo della tecnologia di stampa 3D fornita da Crp Technology, il team del PoliMi ha potuto trasferire le risorse dalla fase di costruzione a quella di progettazione, riuscendo ad ottenere componenti molto più ottimizzati, anche grazie a operazioni di metal replacement.

I componenti alari dovevano risultare leggeri, rigidi, con parti caratterizzate da spessori sottili (per ottenere componenti più leggeri possibile, spesso il progetto CAD dei settori aerodinamici è spinto, e presenta zone con spessori molto piccoli) e con una superficie esterna liscia. Durante i test questi settori aerodinamici non vengono sottoposti a sforzi elevati, ma svolgono un compito molto importante: trasmettere in modo efficiente i carichi aerodinamici sul longherone dell’ala. L’attività del reparto stampa 3D di Crp Technology è stata improntata alla massimizzazione e al raggiungimento degli obiettivi richiesti, fornendo totale collaborazione al team del Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano. L’attività di CrpP Technology è partita da un’analisi dei disegni tridimensionali; grazie all’esperienza professionale maturata, CRP Technology ha suggerito al PoliMi modifiche che hanno reso possibile l’ottimizzazione delle geometrie dei pezzi, raggiungendo il target prefissato di peso e rigidità. Crp Technology ha potuto assistere il PoliMi nella scelta della tecnologia e del materiale più idonei per la riuscita del progetto: la sinterizzazione laser selettiva e il materiale composito caricato fibra di carbonio Windform XT 2.0, della gamma Windform TOP-LINE. Windform XT 2.0 sostituisce la formula precedente del Windform XT, con miglioramenti nelle proprietà meccaniche di assoluto rilievo (+8% sul carico di rottura, +22% sul modulo elastico e +46% sull’allungamento alla rottura) che hanno garantito al team del PoliMi l’ottenimento delle caratteristiche richieste, ovvero rigidezza, leggerezza, superficie esterna molto liscia. Per quanto riguarda il progetto AFS, il materiale Windform XT 2.0 unito alla stampa 3D, ha consentito che i settori alari venissero progettati per includere gli elementi per il collegamento al longherone principale e, nel caso delle superfici di controllo, le cerniere e i motori elettrici usati per la loro movimentazione. In riferimento al progetto Glamour, Windform XT 2.0 – grazie alla fibra di carbonio con cui è caricato – ha permesso di combinare gli obiettivi contrapposti su massa totale del velivolo e frequenze proprie di vibrare dell’ala.

Windform XT 2.0 è un eccellente materiale composito a base poliammidica caricato con fibre di carbonio, famoso tra i professionisti della stampa 3D per le sue caratteristiche meccaniche. È particolarmente adatto alle applicazioni ad alta prestazione, anche in metal replacement, proprie di settori come il motorsport e l’aerospaziale. È adatto alla tecnologia di sinterizzazione laser selettiva (SLS).

Metal Replacement dei componenti

Ensinger sta lanciando sul mercato una serie di prodotti innovativi destinati al comparto aerospaziale, a conferma della centralità di questo importante settore nella strategia della società. Una risposta alla tendenza generale di metal replacement con materiali plastici avanzati che – mantenendo le caratteristiche necessarie e rispondendo ai severi standard richiesti – consente di ottenere gli obiettivi indicati. Ensinger sta infatti presentando una vasta gamma di materiali termoplastici, come i nuovi autoestinguenti Tecamid 6 (PA6) FRT, Tecamid 66 (PA66) GF15 FRT e Tecanyl (PPE) VH2, in linea con gli standard necessari richiesti per le cabine passeggeri in tema di autoestinguenza. Tali prodotti risultano altresì idonei ai regolamenti internazionali per l’aviazione e gli standard previsti a livello di emissioni, fumi e tossicità. Quando non sono richieste elevatissime resistenze termiche, l’utilizzo di questi tecnopolimeri rappresenta una buona alternativa, anche dal punto di vista economico, per le attrezzature del settore aerospaziale. Ensinger ha inoltre completato di recente i test necessari ai fini dei requisiti previsti dal comparto aerospaziale in tema di autoestinguenza per altri prodotti come il Tecapeek (PEEK) naturale, GF30, CF30 e PVX; il Tecatron (PPS) naturale, GF40 e PVX, e, infine, il Tecapei (PEI) naturale e GF30. Grazie a questo variegato portfolio, Ensinger è in grado di coprire numerose applicazioni come ad esempio sedili, lampade, cappelliere e vani bagagli, cambuse o dispositivi nelle cabine di pilotaggio. I test di autoestinguenza sono stati eseguiti secondo lo standard FAR 25.853.

Un ulteriore vantaggio da sottolineare è costituito dal fatto che i prodotti Ensinger per le applicazioni aerospaziali sono “pronti all’uso”, cioè completi di tutte le informazioni necessarie affinché il cliente possa scegliere il materiale idoneo in funzione della specifica applicazione. Infatti, i maggiori produttori di velivoli e i fornitori Tier 1 degli OEM utilizzano – oltre al già citato Tecapeek (PEEK) – una quantità crescente di materiali tecnoplastici validati, come ad esempio il Tecaform (POM) AH e AD; il Tecamid 66 (PA) naturale, GF30, CF30 o il Tecasint (PI).

Oltre che per la variegata offerta di semilavorati, il Gruppo Ensinger si qualifica come un attore globale nell’industria aerospaziale anche grazie a due officine certificate AS/EN 9100, validate da Airbus per la lavorazione di particolari in materiale plastico, e per la molteplicità di competenze messe a disposizione al settore. La proposta si completa con i profili industriali, i filamenti per prototipazione additiva e gli innovativi compositi termoplastici, che consentono di realizzare soluzioni innovative e personalizzate per il cliente.