«Compositi per la produzione seriale delle auto, ecco la soluzione»

di NICOLA CATENARO

In occasione del convegno dell'AIMAT - Associazione Italiana Ingegneria dei Materiali - a Catania, nelle sale delll'Hotel Plaza, dal 28 maggio al 1^ giugno, abbiamo intervistato il professor Gerhard Ziegmann*  sulle nuove tecnologie per la produzione seriale di componenti in composito che ha messo a punto durante le sue ultime ricerche. 

Professore Ziegmann, parliamo di questo nuova macchina per la produzione seriale che ha realizzato.
«Dunque, si tratta di una macchina che utilizza un processo noto in principio, ma che inverte la sequenza di lavorazione. Di solito, il cosiddetto processo di prepreg implica che una struttura tessile, in fibra di carbonio o in fibra di vetro, venga prodotta online. E poi, da parte dell'utente finale o del produttore, la struttura viene ritagliata da un unico strato di prepreg continuo. Con forme complesse, si ottiene circa, diciamo, tra il 20 e il 30% di scarto. Quello scarto è già impregnato con un sistema epossidico, il che rende il riciclo di quel materiale molto costoso o quasi impossibile. Noi vogliamo invertire le fasi di quel processo in un modo diverso, tagliando la fibra secca nella forma finale della struttura. E impregniamo solo in modo molto preciso quel singolo strato di tessuto secco che viene ritagliato. Ciò significa che la fibra secca o lo scarto della fibra secca può essere riciclato abbastanza facilmente sfruttandone al massimo le prestazioni. Ad esempio, è possibile filare nuovamente un filo continuo e, impregnando solo quella struttura, riduciamo la quantità di scarto per i sistemi epossidici a circa il 5%. Questo è un aspetto. L'altro aspetto è che - attraverso questo processo - possiamo selezionare l'epossidico o qualsiasi altro sistema in relazione al processo e alla velocità del processo al fine di migliorare la velocità e la lavorabilità all'interno di quella tecnologia».

In quale settore potremmo fare le prime applicazioni di questo processo?
«Penso che uno dei settori potrebbe essere l'industria automobilistica, ma diciamo che l'industria automobilistica è molto cauta nell'uso dei materiali compositi, purtroppo. L'altro aspetto sicuramente molto interessante è nell'industria degli articoli sportivi, diciamo snowboard, sci o altro, dove si hanno strutture piatte che possono essere impregnate in modo molto semplice».

Il processo potrebbe essere integrato della produzione delle auto con pressa, è così? Quindi si parte dai materiali e si arriva...
«... alla pressa. Sì. Il nostro processo, come è realizzato ora con la nostra macchina, taglia direttamente la struttura tessile, la trasferisce nell'area di impregnazione e da lì possiamo passare direttamente alla grande pressa, quindi possiamo seguire tutto il percorso. Nel mezzo c'è un passaggio in cui, a seconda della scala temporale, possiamo riscaldare quel materiale pre-impregnato in modo che la reazione di cura sia già in corso, che il processo di cura nella pressa possa essere ridotto in termini di tempo, che il passaggio di lavorazione possa essere notevolmente migliorato e accelerato».

In termini di costi, tempi e qualità, quali saranno i vantaggi?
«Partiamo dalla selezione del materiale. Oggi, quando si acquista un sistema prepreg, si ha solo la possibilità di selezionare tra un numero limitato di sistemi di resina che sono piuttosto costosi perché devono essere conservati a -20 per alcuni mesi. Quindi è necessario un frigorifero, servono materiali a lenta cura. Nel nostro nuovo concetto di processo, possiamo adattare direttamente i sistemi di resina alla velocità del processo. Quindi, quando parliamo di un sistema epossidico a cura rapida, possiamo davvero arrivare ad alcuni minuti nell'intera catena di processo. L'altro aspetto è che, una volta che abbiamo laminati spessi e dobbiamo ottenere, ad esempio, caratteristiche di resistenza agli urti elevate, possiamo impilare diversi tipi di strati di resina. Possiamo utilizzare resine diverse che sono, diciamo, sistemi rigidi o più resistenti agli urti. Possiamo combinare in modi diversi e ottimizzare i requisiti strutturali. E il terzo punto riguarda, ad esempio, i contenitori delle batterie delle auto elettriche. Devono essere leggeri, resistenti agli urti e resistenti al fuoco. Una volta che stiamo riempiendo una resina epossidica con materiali ignifughi come l'idrossido di alluminio o altro, la viscosità migliora notevolmente. Dunque non puoi usare quel tipo di resina, ad esempio, nell'RTM ad alta pressione perché non scorre e le particelle verranno filtrate. Ora, quando stiamo impregnando dall'alto, devi solo realizzare la permeabilità nel settore d'azione di alcuni millimetri. Non avremo un effetto di filtraggio e potremo migliorare la qualità in termini di resistenza al fuoco o caratteristiche di resistenza agli urti applicando nanoparticelle senza effetto di filtraggio. Questi sono alcuni aspetti che devono essere tenuti a mente e che dobbiamo trasferire all'industria automobilistica e all'industria degli articoli sportivi per mostrare loro vantaggi e aspetti tecnici, ma anche aspetti finanziari in modo che si possa migliorare la velocità di lavorazione e selezionare in modo migliore le combinazioni di materiali».

I materiali compositi cresceranno più dei metalli?
«Speriamo. Vede, le fibre di carbonio sono considerate come fibre che necessitano di una elevata quantità di energia per essere prodotte perché devono essere ossidate e carbonizzate a temperature piuttosto elevate, intorno ai 1500°C. Quando applichi queste fibre in una struttura che richiede molta energia durante il ciclo di vita, per esempio, la struttura di un'auto o di un vagone ferroviario o qualcos'altro, la riduzione energetica della costruzione leggera è drammaticamente alta. Quella bassa quantità di energia nella produzione rispetto all'acciaio può essere controllata abbastanza facilmente tramite la riduzione di energia durante l'utilizzo di quella struttura. Ed è quello che stiamo cercando di fare. Non è facile convincere le persone nell'industria automobilistica perché sono convinte che questa sia una nuova tecnologia e finché sono soddisfatte delle soluzioni tecniche che stanno usando ora, non si concentrano davvero sulla costruzione leggera con nuove soluzioni. Nelle aziende più piccole, con un tasso di produzione più basso come Lamborghini o Ferrari, si stanno orientando sempre di più verso la comprensione dei materiali compositi. Potrebbe essere un passo in cui possiamo dimostrare che il trasferimento dei materiali compositi in strutture pesanti è interessante. Da lì a una produzione in serie in BMW o Mercedes, Alfa Romeo o altro ci vorrà del tempo, poiché convincere ingegneri che si sono formati nel settore dei metalli e hanno accumulato una grande esperienza con quelle categorie di materiali a trasferirsi ai compositi non è facile ed è una grande sfida per il futuro prossimo».

* Senior Professorship Composite Materials - Institute for Polymer Materials and Plastics Engineering; Clausthal University of Technology