Schiume metalliche e materiali per alleggerimento

 
Il tema dell'alleggerimento di strutture e componenti si pone sempre con maggiore forza sia per quanto riguarda gli aspetti dinamici che per quelli di risparmio energetico e, pertanto, è di grande interesse anche per il settore trasporti.
Fra i materiali di interesse per questo obiettivo le schiume metalliche si distinguono sia per una bassa densità associata, in generale, ad elevata rigidezza e resistenza.
Il Consorzio PROCOMP, perseguendo l'obiettivo del progetto NADIMOFER di realizzare un pantografo attivo innovativo, ha sviluppato una serie di competenze sulle schiume metalliche, mettendo a confronto le proprietà di diverse tipologie, realizzate con diversi processi di fabbricazione, e caratterizzate da un punto di vista fisico e meccanico.
Il processo che si è dimostrato di maggiore interesse per l'obiettivo del progetto è quello in cui la realizzazione della schiuma e della struttura alleggerita costituiscono due fasi distinte dello stesso processo.
In particolare la struttura alleggerita, es. di tipo tubolare, viene riempita da granuli cavi/alleggeriti consolidati, in modo da conferire la necessaria rigidezza, mediante un opportuno collante, es. una resina epossidica.
 
Sezione al SEM di un granulo cavo
Granuli rivestiti di collante epossidico Sezione della struttura consolidata dopo cura dell'adesivo epossidico
 
Lo sviluppo del processo è stato effettuato in collaborazione con l'Università di Saarbrücken, ed è stato completato con una approfondita caratterizzazione dei campioni realizzati.
Le proprietà di questa tipologia di schiuma metallica la rendono particolarmente interessante per la realizzazione di strutture alleggerite di geometria complessa (es. strutture tubolari, pale per generatori eolici), difficilmente realizzabili con i processi standard.
In particolare le proprietà fisiche e meccaniche sono, in alcune condizioni (es. rigidezza e resistenza a flessione, assorbimento di energia) superiori a quelle delle schiume metalliche di analoga o inferiore densità ed inoltre la limitata conducibilità termica (≈ 1,5% di quella dell'alluminio), inferiore a quella di schiume metalliche simili, ne consentono l'utilizzo anche in strutture esposte ad alta temperatura, es. paratie tagliafuoco.

 
Curva carico-spostamento della prova di flessione a tre punti
Frattura nella schiuma metallica da prova di flessione a tre punti
 
L'interesse PROCOMP per le schiume metalliche ha portato inoltre a sviluppare una tecnologia propria per la realizzazione dei granuli cavi/alleggeriti, in alternativa all'acquisto dei granuli prodotti da altre strutture.
L'attività è stata sviluppata dal socio ENEA ed è basata sulla formatura per granulazione di polvere di alluminio miscelata con un particolare additivo organico e successivo trattamento termico per  l'eliminazione della fase organica e per la sinterizzazione delle polveri metalliche.
Il risultato del processo è costituito da granuli porosi di dimensioni abbastanza disperse, utilizzabili per il riempimento di strutture metalliche e consolidabili con collante epossidico, analogamente alle schiume metalliche realizzate con i granuli di produzione tedesca.
Con il processo sviluppato è stata realizzata una produzione di granuli in grado di realizzare i campioni necessari per la caratterizzazione fisica e meccanica della schiuma.
I campioni per le prove, di varie geometrie, sono stati realizzati inserendo i granuli fra due lamiere di alluminio, in apposito stampo, e consolidandoli con la resina epossidica.

 
Granuli porosi di alluminio dopo trattamento termico
Campioni di schiuma metallica per prove di flessione  Campione di schiuma metallica per prove di flessione misure di conducibilità termica
 
La densità e le proprietà meccaniche rilevate, su campioni con diverso contenuto di resina, sono nello stesso range di quelle della schiuma realizzata con i granuli “commerciali” mentre la conducibilità termica è risultata mediamente ancora inferiore.
Il processo, attualmente messo a punto a livello laboratorio è potenzialmente implementabile su scala industriale con costi di investimento limitati.

 
Campione di schiuma metallica sottoposto a prova di flessione a tre punti
Risultati della misura di conducibilità su due campioni di schiuma metallica con diverso contenuto di resina
 


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