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La sfida centrale delle costruzioni leggere ibride
Nei moderni concetti di design per automobilistico, aerospaziale ed elettronica, gli assemblaggi ibridi realizzati con diversi materiali leggeri come alluminio, acciaio e plastica rinforzata con fibre di carbonio (CFRP) vengono sempre più spesso uniti utilizzando la tecnologia dell’incollaggio. Questa tecnologia di giunzione consente la trasmissione bidimensionale della forza e geometrie ottimizzate per il design, ma deve affrontare una sfida tecnica centrale: i diversi coefficienti di espansione termica tra i partner di giunzione e gli adesivi. Questo cosiddetto problema delta-alfa (problema delta-a) può portare a tensioni interne e meccanismi di rottura critici, in particolare in presenza di carichi termici ciclici o legati al processo (European Aluminium Association 2015; Dietrich 2018).
Coefficienti di espansione termica specifici dei materiali e loro effetti
Ogni materiale ha un caratteristico coefficiente di espansione termica (α)che descrive la variazione di lunghezza in funzione della temperatura. L’intervallo di questi valori varia notevolmente tra i materiali utilizzati nei giunti di costruzione misti: l’acciaio ha valori di α ≈ 11,5-13,1 × 10-⁶ K-¹, mentre l’alluminio ha coefficienti di espansione significativamente più elevati, pari a α ≈ 22-25 × 10-⁶ K-¹. Gli adesivi a base di resina epossidica si collocano nell’intervallo α ≈ 45-200 × 10-⁶ K-¹, mentre i compositi CFRP mostrano proprietà di espansione fortemente anisotrope con valori compresi tra -1,0 e 1,5 nell’orientamento delle fibre e fino a 65 × 10-⁶ K-¹ trasversalmente all’orientamento delle fibre.
fibra (Dietrich 2018).
I conseguenti spostamenti relativi e le sollecitazioni che si verificano durante i cicli di temperatura – ad esempio durante i processi di produzione o durante il funzionamento nell’intervallo di temperatura da -40 °C a +200 °C – sottopongono il giunto incollato a notevoli sollecitazioni. Particolarmente critiche sono le aree vicine alla temperatura di transizione vetrosa (Tg), in cui gli adesivi passano da proprietà viscoelastiche a proprietà elastiche o plastiche, che possono avere un impatto significativo sulla resistenza e sulla durata del giunto (DFR Solutions n.d.).
Meccanismi di danneggiamento e conseguenze tecniche
I danni ai giunti incollati causati da diversi coefficienti di espansione termica si manifestano attraverso vari meccanismi. Valori α diversi determinano sollecitazioni di taglio e di trazione, che possono portare sia al cedimento dell’interfaccia sia alla frattura coesiva dell’adesivo stesso. Lo spessore della fessura dell’adesivo e le dimensioni del componente sono fattori decisivi per la distribuzione delle sollecitazioni. (European Aluminium Association 2015; NPL 1999).
L’anisotropia dell’espansione deve essere presa in considerazione, soprattutto nei giunti in CFRP, per cui anche la struttura del laminato e l’orientamento delle fibre hanno un’influenza significativa sullo sviluppo delle sollecitazioni. Questo aspetto deve essere preso in considerazione quando si progettano strutture leggere e compositi, poiché lo stress termico è causato sia dalla mancata corrispondenza dei partner di giunzione sia dalla contrazione dell’adesivo durante l’indurimento (Dietrich 2018).
L'umidità come ulteriore fattore di influenza
L’umidità, in combinazione con la temperatura, agisce come un ulteriore fattore d’influenza decisivo sulla resistenza del giunto. Può modificare in modo significativo le proprietà meccaniche degli adesivi, indebolire l’adesione al substrato e accelerare i danni legati all’età, come la delaminazione, la fessurazione o la deformazione dello strato adesivo. L’interazione con la temperatura aumenta la diffusione e il processo di degradazione idrolitica dell’adesivo, soprattutto nelle applicazioni esterne e nei componenti elettronici.
Previsione della vita utile e metodi di prova
La vita utile dei giunti incollati sotto carichi termici alternati può essere stimata in modo affidabile utilizzando una combinazione di test di invecchiamento accelerato, test di temperatura ciclici e moderni modelli di previsione. I test time-lapse simulano carichi a lungo termine con cicli di temperatura realistici per simulare il comportamento di rottura e lo sviluppo di cricche nell’adesivo. I moderni metodi di previsione a breve ciclo, come il Metodo Isotermico a Gradini (SIM) o il Metodo IsoStress a Gradini (SSM), consentono di determinare rapidamente il comportamento di scorrimento e gli effetti di rilassamento in relazione alla mancata corrispondenza termica dei diversi materiali di giunzione (NPL 1999).
I test di fatica e di shock termico registrano il numero di cicli di fatica e l’insorgenza di meccanismi di danneggiamento, che sono fondamentali per valutare la vita utile. I risultati sperimentali vengono sempre più spesso combinati con simulazioni numeriche e metodi di prova consolidati, come i test sui cambiamenti climatici, per consentire previsioni pratiche sulla durata di vita.
Combinazioni di materiali e sistemi adesivi ottimizzati
Le combinazioni di materiali adesivi e substrati con coefficienti di espansione termica simili sono particolarmente efficaci per ridurre al minimo il rischio di crepe, delaminazione o formazione di tensioni indotte dalla temperatura. Gli adesivi a base di resina epossidica in combinazione con substrati metallici come l’alluminio o l’acciaio sono particolarmente consigliati se la formulazione dell’adesivo viene modificata in modo specifico con riempitivi o flessibilizzanti per ridurre il coefficiente di espansione. coefficiente di espansione a quello del metallo (European Aluminium Association 2015; Dietrich 2018).
Grazie al loro basso modulo di elasticità o all’elevata elasticità, gli adesivi siliconici e i sistemi poliuretanici offrono proprietà vantaggiose con coefficienti di espansione termica molto variabili e riducono le cricche termiche e la fatica.
Soluzioni pratiche e consigli di progettazione
Diversi fattori sono cruciali per il successo dell’implementazione di giunti incollati affidabili nelle costruzioni leggere ibride. L’ottimizzazione del sistema adesivo con adesivi adatti e la flessibilizzazione aiuta a ridurre le sollecitazioni. La scelta della struttura del laminato CFRP e l’ottimizzazione della lunghezza di sovrapposizione, dello spessore del gap adesivo e della geometria di giunzione sono fattori decisivi. Il controllo del processo e la gestione della temperatura devono essere scelti in modo da evitare le aree critiche della temperatura di transizione vetrosa (DFR Solutions n.d.; NPL 1999).
Implicazioni per la pratica
Ci sono implicazioni pratiche specifiche per gli ingegneri di sviluppo dell’industria automobilistica e aerospaziale, per gli scienziati dei materiali e per i team di qualità. L’analisi e la simulazione del problema delta-alfa sono essenziali per progettare giunti incollati affidabili e duraturi nelle costruzioni leggere ibride. Metodi di prova come
Conclusione
I diversi gradi di espansione termica degli adesivi e delle parti di giunzione sono un fattore critico per l’integrità meccanica delle moderne giunzioni miste da costruzione. Modificando in modo specifico le proprietà dell’adesivo, ottimizzando la geometria dei componenti e delle giunzioni e utilizzando metodi di prova consolidati, gli ingegneri addetti allo sviluppo possono influenzare le prestazioni meccaniche in modo mirato e ridurre al minimo il rischio di guasti (Dietrich 2018; NPL 1999; DFR Solutions n.d.).
Elenco delle fonti
Dietrich, R. (2018). Analisi dell’incompatibilità dell’espansione termica delle strutture ibride FRP-metallo. Università tecnica di Monaco. Disponibile all’indirizzo: https://mediatum.ub.tum.de/1393107
European Aluminium Association (2015). Unire materiali dissimili. Disponibile all’indirizzo:
https://european-aluminium.eu/wp-content/uploads/2022/11/11-joining-dissimilar-materials_2015.pdf
NPL (1999). Test di fatica ciclica dei giunti adesivi. Disponibile all’indirizzo: https://www.researchgate.net/publication/237635154
DFR Solutions (n.d.). Cicli di temperatura e fatica nell’elettronica. Disponibile all’indirizzo:
https://www.ekwb.com/wp-content/uploads/2020/05/1-Temperature-Cycling-and-Fatigue-in-Electronics-White-Paper-1.pdf
