“Leggera e resistente, la fibra di vetro non è conduttiva e questo implica un netto vantaggio in aree con elevate quantità di cavi aerei rispetto alla sua controparte in alluminio”, afferma Robert Glass, Direttore Marketing presso Exel Composites.
Grazie a 60 anni di esperienza nei materiali compositi, Exel Composites lavora a stretto contatto con i clienti per progettare e produrre soluzioni composite di elevata qualità utilizzando fibra di carbonio, fibra di vetro e altri materiali ad alte prestazioni.
di Carlo Martelli
L’uso di materiali compositi è in aumento: dai telai per porte e finestre alle impugnature degli utensili, fino ai rinforzi per autoveicoli. I numerosi vantaggi dei materiali compositi pultrusi sono evidenti e trovano applicazione in un’ampia gamma di settori, come trasporti, edilizia, costruzioni e infrastrutture, oltre a contribuire a ridurre i costi dell’energia eolica. Questo perché i compositi aiutano a ridurre il peso, migliorare le prestazioni e diminuire i costi totali dell’intero ciclo vitale dei prodotti, contribuendo ad aumentare l’efficienza energetica e a supportare la sostenibilità ambientale.
La società tecnologica globale Exel Composites, con sede in Finlandia, è il più grande produttore al mondo di soluzioni composite a pultrusione e pullwinding (la pultrusione preceduta dall’avvolgimento delle fibre). La presenza globale del Gruppo nell’ambito di produzione, ricerca e sviluppo e vendite serve clienti operanti in un’ampia gamma di settori e applicazioni. La società può contare sul lavoro di circa 650 dipendenti innovativi e orientati al cliente in tutto il mondo ed è quotata alla borsa Nasdaq di Helsinki. Il know-how di Exel Composites offre agli ingegneri la più totale libertà di progettazione, mentre tecnologie come la pultrusione e il pullwinding offrono ai produttori la possibilità di realizzare alcuni dei profili più grandi e complessi presenti sul mercato.
“I materiali compositi trovano sempre maggiore impiego nella produzione di parti e componenti automobilistici”, spiega Jari Sopanen, Regional Manager presso Exel Composites.
IL “PUSH & PULL” DEI COMPOSITI
Dai produttori di porte e finestre ai giardinieri professionisti, la valutazione dei possibili materiali da utilizzare di solito si riduce ai costi, ma ci sono molti altri fattori da prendere in considerazione prima di effettuare un acquisto. Robert Glass, Direttore Marketing presso Exel Composites, prende in esame le diverse opzioni: “I pali telescopici per la potatura degli alberi possono essere realizzati con un’ampia varietà di materiali, dall’alluminio alla fibra di vetro e alla plastica; ognuno di essi presenta vantaggi specifici, ma per chiunque utilizzi utensili la sicurezza ha sempre la massima priorità. Leggera e resistente, la fibra di vetro non è conduttiva, e questo implica un netto vantaggio in aree con elevate quantità di cavi aerei rispetto alla sua controparte in alluminio. Inoltre, mentre a causa della frequenza d’uso e della forza spesso esercitata sui pali le impugnature degli utensili per la potatura degli alberi tendono a piegarsi o spezzarsi, i robusti tubi in fibra di vetro sono invece resistenti alla corrosione e ai colpi ripetuti contro i rami degli alberi e possono durare molto a lungo, facendo risparmiare denaro”.
DUE PROCESSI SPECIFICI
Molti produttori devono ancora scoprire i vantaggi dei materiali compositi. La possibilità di combinare la forza della fibra di vetro o di carbonio con l’adattabilità di un sistema a base di resina adattato su misura ed economico, volto a soddisfare esigenze e requisiti tecnici precisi, è certamente interessante per molti produttori. Exel Composites è specializzata in due tipi di processi di produzione continui, ovvero la pultrusione e il pullwinding.
La tecnologia di pultrusione offre forse la massima flessibilità in termini di progettazione del profilo e le possibilità strutturali sono pressoché illimitate. Il processo è il seguente: rotoli di fibre e materiali per stuoie opzionali vengono guidati e uniti contemporaneamente prima di essere saturati di resina. Le fibre vengono quindi tirate attraverso uno stampo riscaldato, che polimerizza il materiale composito prima che i profili vengano tagliati in base alla lunghezza desiderata alla fine della linea di produzione.
Il pullwinding è molto simile alla pultrusione, con la differenza che le fibre vengono avvolte attorno a un profilo prima di entrare nello stampo riscaldato. Il vantaggio sta nelle possibilità di allineamento delle fibre sia in direzione trasversale sia longitudinale: ciò consente di fornire una gamma più ampia di soluzioni e persino pareti dei profili più sottili, come quelle utilizzate per i tubi.
NELL’AUTOMOTIVE
Nel 2012 l’EPA (Environmental Protection Agency) statunitense ha stabilito che il parco automobilistico nazionale debba raggiungere una media di 54,5 mpg (miglia per gallone) entro il 2025, al fine di ridurre al minimo le emissioni; molte altre nazioni hanno a loro volta adottato nuove norme simili. Per soddisfare questi nuovi standard, l’industria automobilistica ha dovuto trovare nuovi modi per rendere le auto più leggere, senza sacrificare robustezza e integrità strutturale.
Jari Sopanen, Regional Manager presso Exel Composites, spiega perché i componenti termoindurenti rappresentano uno dei migliori sostituti dell’acciaio. “I compositi termoindurenti sono formati utilizzando fibre di vetro, carbonio o aramide, che vengono combinate con resine come poliesteri, esteri di vinile, epossidici o resine fenoliche. Questi materiali compositi sono utilizzati in vari settori, ma sono particolarmente importanti nella produzione di componenti di aeromobili e veicoli spaziali. Grazie alla ricerca e allo sviluppo nel settore aerospaziale, i materiali compositi vengono utilizzati anche in altre forme di trasporto a causa dell’elevata domanda di veicoli e componenti leggeri. Questa tendenza, chiamata light-weighting, cerca di utilizzare materiali innovativi per ridurre il peso dei prodotti. Di conseguenza, i materiali compositi trovano sempre maggiore impiego nella produzione di parti e componenti automobilistici”.
Secondo le associazioni statunitensi di produttori di materiali compositi, la fibra di vetro è uno dei materiali di rinforzo chiave utilizzati nel settore dei compositi termoindurenti statunitense. Grazie alle sue proprietà durevoli, costituisce un buon sostituto dell’acciaio nei componenti strutturali per veicoli, come alberi di trasmissione, paraurti ed elementi portanti del tettuccio.
Ridurre il peso dei componenti è fondamentale per aumentare l’efficienza dei sistemi automobilistici. La fibra di carbonio ha proprietà paragonabili a quelle dell’acciaio, ma con solo un quinto del peso.
MENO PESO, PIÙ VANTAGGI
Ridurre il peso dei componenti è fondamentale per aumentare l’efficienza dei sistemi automobilistici. La fibra di carbonio, ad esempio, ha proprietà paragonabili a quelle dell’acciaio, ma con solo un quinto del peso. Indipendentemente dalla modalità di trasporto, è facile osservare i benefici che si possono ottenere eliminando questa quantità di peso da un veicolo.
Inoltre, se confrontati direttamente con l’acciaio, i materiali compositi sono in grado di soddisfare o superare le esigenze relative alle proprietà dei materiali dell’industria automobilistica, come bassi coefficienti di espansione termica per la conduzione del calore, stabilità dimensionale per il mantenimento della forma, resistenza alla corrosione in condizioni di umidità, e resistenza agli impatti in modo da resistere all’uso ripetuto.
Il peso ridotto dei componenti compositi contribuisce inoltre a fornire un adeguato assorbimento acustico e garantisce prestazioni complessivamente più silenziose. I veicoli elettrici possono trarre enormi vantaggi dai componenti compositi. Le batterie di queste auto sono pesanti e, sebbene la tecnologia stia facendo progressi, è molto probabile che il loro peso complessivo non diminuisca, poiché verrà utilizzata qualsiasi miniaturizzazione al fine di installare più batterie per aumentare l’autonomia e la potenza. Ridurre al minimo il peso dei componenti è, quindi, fondamentale, e le alternative in fibra di vetro e fibra di carbonio sono estremamente adatte per questo tipo di light-weighting, specialmente per i veicoli elettrici. Le batterie dei veicoli elettrici, ad esempio, devono essere conservate in apposite scatole per proteggerle, ma anche per evitare che le scariche causino shock ai passeggeri.
I metalli sono conduttivi, il che li rende inadatti, mentre la maggior parte dei materiali compositi non lo è. Questo significa che la realizzazione in materiali compositi, che possiedono un rapporto resistenza/peso superiore, risulta perfetta per questa applicazione. A causa dell’attuale distanza limitata percorribile dai veicoli elettrici, la riduzione del peso può produrre notevoli margini di guadagno.
UN MERCATO IN ESPANSIONE
Mentre il Nord America e l’Europa rappresentano una quota chiave del mercato globale dei compositi termoindurenti, che si sta espandendo per via delle industrie automobilistiche e aerospaziali locali presenti in queste regioni, si prevede anche un aumento della domanda di veicoli elettrici e leggeri per spingere il mercato dei materiali compositi nella regione Asia-Pacifico e oltre.
Visto che i governi di tutto il mondo desiderano adottare standard di efficienza energetica più rigidi, la riduzione del peso dei veicoli rappresenta un obiettivo raggiungibile che può aiutare i produttori di automobili a rispettare le normative. Grazie agli sviluppi che hanno interessato i materiali compositi, questi ultimi sono ora molto più adatti alle applicazioni automobilistiche rispetto all’acciaio ed è tempo che le case automobilistiche inizino a prendere in considerazione questi materiali come una soluzione praticabile.
Exel Composites lavora a stretto contatto con i produttori di turbine e pale per progettare, produrre e fornire soluzioni composite come spar cap in fibra di vetro e fibra di carbonio, nonché molte altre soluzioni utilizzate nelle turbine eoliche.
AUMENTO DI DOMANDA NELL’EOLICO
Mentre il mondo cerca di limitare l’uso di energia derivante da combustibili fossili, la domanda di energia rinnovabile sta aumentando. Fra le varie fonti, l’energia eolica sta diventando una risorsa particolarmente richiesta. Nel 2018, in Europa gli investimenti in energia eolica hanno riguardato il 63% delle energie rinnovabili, mentre nel 2017 erano solo il 52%. Per soddisfare la crescente domanda di energia eolica, i produttori stanno aumentando la potenza delle turbine e, di conseguenza, devono adattare il design delle pale.
Dag Kirschke, Titolare del segmento energia eolica presso Exel Composites, spiega la domanda di energia eolica e perché i materiali compositi costituiscono la risposta alla necessità di produrre turbine potenti ed efficienti: “Dato che i timori per i cambiamenti climatici stanno portando a una maggiore necessità di energia rinnovabile e sostenibile, le turbine eoliche costituiscono un elemento sostanziale della soluzione, con oltre 340.000 turbine di questo tipo già utilizzate per produrre energia in tutto il mondo. La Cina, ad esempio, responsabile di oltre un terzo della capacità eolica mondiale, nel 2015 ha installato più turbine eoliche dell’UE, mentre nel 2018 la Scozia ha generato abbastanza elettricità ricavata da questa fonte energetica per fornire energia all’equivalente di cinque milioni di case. Gli esperti del settore ritengono che, se la domanda di energia eolica continuerà di questo passo, entro il 2050 un terzo del fabbisogno mondiale di elettricità potrà essere soddisfatto con questo tipo di energia”.
Oggi, i produttori devono affrontare continue pressioni per ottenere rendimenti più elevati dalle turbine, con una maggiore efficienza dei costi e una maggiore potenza. Per raggiungere questo obiettivo, i costruttori stanno realizzando turbine con pale più lunghe che catturano più vento. Tuttavia, pale più lunghe comportano un aumento di peso. Per ottenere una turbina potente ed efficiente con pale più lunghe, quindi, servono materiali leggeri e più resistenti di quelli tradizionalmente utilizzati”.
UNA CHIARA SOLUZIONE
Gran parte della forza della pala di una turbina proviene da una trave di supporto, o spar cap, che percorre la lunghezza della pala stessa. Tradizionalmente, gli spar cap sono realizzati in fibra di vetro, un materiale che offre la necessaria resistenza e rigidità con un peso inferiore rispetto agli altri. Tuttavia, vista la pressione per ottenere pale più lunghe, viene utilizzata la fibra di carbonio che è più leggera rispetto a quella di vetro. Questo materiale consente alle pale più lunghe di catturare una maggiore quantità di energia eolica. Di norma, ogni produttore di pale determinerà nella progettazione il punto in cui la fibra di carbonio diventa la soluzione ottimale e lo spar cap sarà progettato di conseguenza.
Exel Composites lavora a stretto contatto con i produttori di turbine e pale per progettare, produrre e fornire soluzioni composite per questa destinazione d’uso, come spar cap in fibra di vetro e fibra di carbonio, nonché molte altre soluzioni composite utilizzate nelle turbine eoliche. L’esperienza di progettazione del Gruppo, combinata con la tecnologia di produzione, gli consente di aiutare i produttori a realizzare turbine più efficienti rivedendo le specifiche di progettazione e proponendo ogni volta una soluzione adeguata. ©TECNeLaB