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Da tempo dipendenti dai materiali termoindurenti in fibra di carbonio per realizzare parti strutturali composite molto resistenti per gli aerei, gli OEM aerospaziali stanno ora abbracciando un'altra classe di materiali in fibra di carbonio poiché i progressi tecnologici promettono la produzione automatizzata di nuove parti non termoindurenti ad alto volume, a basso costo e peso più leggero.

Anche se i materiali compositi termoplastici in fibra di carbonio “sono in circolazione da molto tempo”, solo di recente i produttori aerospaziali hanno potuto prendere in considerazione il loro uso diffuso nella realizzazione di parti di aeromobili, compresi i componenti strutturali primari, ha affermato Stephane Dion, vicepresidente dell'ingegneria presso l'unità Advanced Structures di Collins Aerospace.

I compositi termoplastici in fibra di carbonio offrono potenzialmente agli OEM aerospaziali numerosi vantaggi rispetto ai compositi termoindurenti, ma fino a poco tempo fa i produttori non potevano realizzare parti con compositi termoplastici a ritmi elevati e a basso costo, ha affermato.

Negli ultimi cinque anni, gli OEM hanno iniziato a guardare oltre la produzione di parti con materiali termoindurenti man mano che si sviluppava lo stato della scienza della produzione di parti composite in fibra di carbonio, prima per utilizzare tecniche di infusione di resina e stampaggio a trasferimento di resina (RTM) per realizzare parti di aerei, e poi utilizzare compositi termoplastici.

GKN Aerospace ha investito molto nello sviluppo della propria tecnologia di infusione di resina e RTM per la produzione di componenti strutturali di aeromobili di grandi dimensioni in modo conveniente e a ritmi elevati. GKN ora produce un longherone alare composito monopezzo lungo 17 metri utilizzando la produzione con infusione di resina, secondo Max Brown, vicepresidente della tecnologia per l'iniziativa di tecnologie avanzate Horizon 3 di GKN Aerospace.

Secondo Dion, negli ultimi anni gli ingenti investimenti degli OEM nella produzione di compositi hanno incluso anche la spesa strategica per lo sviluppo di capacità per consentire la produzione in grandi volumi di parti termoplastiche.

La differenza più notevole tra materiali termoindurenti e termoplastici risiede nel fatto che i materiali termoindurenti devono essere conservati in celle frigorifere prima di essere modellati in parti e, una volta modellata, una parte termoindurente deve essere sottoposta a polimerizzazione per molte ore in un'autoclave. I processi richiedono una grande quantità di energia e tempo, quindi i costi di produzione delle parti termoindurenti tendono a rimanere elevati.

La polimerizzazione altera irreversibilmente la struttura molecolare di un composito termoindurente, conferendo alla parte la sua resistenza. Tuttavia, allo stato attuale dello sviluppo tecnologico, la polimerizzazione rende anche il materiale della parte inadatto al riutilizzo in un componente strutturale primario.

Tuttavia, secondo Dion, i materiali termoplastici non richiedono la conservazione a freddo o la cottura in forno quando vengono trasformati in parti. Possono essere stampati nella forma finale di una parte semplice (ogni staffa per i telai della fusoliera dell'Airbus A350 è una parte composita termoplastica) o in una fase intermedia di un componente più complesso.

I materiali termoplastici possono essere saldati insieme in vari modi, consentendo di realizzare parti complesse e altamente sagomate da semplici sottostrutture. Oggi viene utilizzata principalmente la saldatura a induzione, che consente di realizzare solo parti piatte e di spessore costante da sottoparti, secondo Dion. Tuttavia, Collins sta sviluppando tecniche di saldatura a vibrazione e attrito per unire parti termoplastiche, che, una volta certificate, si prevede consentiranno alla fine di produrre “strutture complesse veramente avanzate”, ha affermato.

La capacità di saldare insieme materiali termoplastici per realizzare strutture complesse consente ai produttori di eliminare viti, elementi di fissaggio e cerniere metallici richiesti dalle parti termoindurenti per unire e piegare, creando così un vantaggio in termini di riduzione del peso di circa il 10%, stima Brown.

Tuttavia, secondo Brown, i compositi termoplastici si legano meglio ai metalli rispetto ai compositi termoindurenti. Sebbene la ricerca e sviluppo industriale mirata a sviluppare applicazioni pratiche per tale proprietà termoplastica rimanga “a un livello di maturità tecnologica precoce”, potrebbe alla fine consentire agli ingegneri aerospaziali di progettare componenti che contengono strutture ibride integrate termoplastiche e metalliche.

Una potenziale applicazione potrebbe, ad esempio, essere un sedile passeggero monoblocco e leggero per aereo di linea contenente tutti i circuiti metallici necessari per l'interfaccia utilizzata dal passeggero per selezionare e controllare le opzioni di intrattenimento a bordo, l'illuminazione del sedile, il ventilatore a soffitto. , reclinabilità del sedile controllata elettronicamente, opacità delle tendine dei finestrini e altre funzioni.

A differenza dei materiali termoindurenti, che necessitano di polimerizzazione per produrre la rigidità, la resistenza e la forma richieste dalle parti in cui vengono realizzati, secondo Dion le strutture molecolari dei materiali compositi termoplastici non cambiano quando vengono trasformati in parti.

Di conseguenza, i materiali termoplastici sono molto più resistenti alla frattura in caso di impatto rispetto ai materiali termoindurenti, offrendo allo stesso tempo una tenacità e una resistenza strutturale simili, se non più elevate. "In questo modo è possibile progettare [parti] con spessori molto più sottili", ha affermato Dion, il che significa che le parti termoplastiche pesano meno di qualsiasi parte termoindurente che sostituiscono, anche a parte le ulteriori riduzioni di peso derivanti dal fatto che le parti termoplastiche non richiedono viti o elementi di fissaggio metallici. .

Anche il riciclaggio delle parti termoplastiche dovrebbe rivelarsi un processo più semplice rispetto al riciclaggio delle parti termoindurenti. Allo stato attuale della tecnologia (e per qualche tempo a venire), i cambiamenti irreversibili nella struttura molecolare prodotti dalla polimerizzazione dei materiali termoindurenti impediscono l’uso di materiale riciclato per realizzare nuove parti di resistenza equivalente.

Il riciclaggio delle parti termoindurenti comporta la macinazione delle fibre di carbonio nel materiale in piccoli pezzi e la combustione della miscela di fibre e resina prima di riprocessarla. Il materiale ottenuto per il ritrattamento è strutturalmente più debole del materiale termoindurente da cui è stata ricavata la parte riciclata, quindi il riciclaggio di parti termoindurenti in parti nuove in genere trasforma “una struttura secondaria in una struttura terziaria”, ha affermato Brown.

D'altra parte, poiché le strutture molecolari delle parti termoplastiche non cambiano nei processi di produzione e unione delle parti, possono semplicemente essere fuse in forma liquida e rielaborate in parti resistenti quanto gli originali, secondo Dion.

I progettisti di aeromobili possono scegliere tra un'ampia selezione di diversi materiali termoplastici disponibili nella progettazione e produzione di parti. È disponibile “una gamma piuttosto ampia di resine” in cui possono essere incorporati filamenti di fibra di carbonio unidimensionali o trame bidimensionali, producendo diverse proprietà del materiale, ha affermato Dion. "Le resine più interessanti sono quelle a basso punto di fusione", che fondono a temperature relativamente basse e quindi possono essere modellate e formate a temperature più basse.

Secondo Dion, diverse classi di materiali termoplastici offrono anche diverse proprietà di rigidità (alta, media e bassa) e qualità complessiva. Le resine di altissima qualità costano di più e l’accessibilità economica rappresenta il tallone d’Achille per i materiali termoplastici rispetto ai materiali termoindurenti. In genere, costano più dei materiali termoindurenti e i produttori di aeromobili devono considerare questo fatto nei loro calcoli di progettazione costi/benefici, ha affermato Brown.

In parte per questo motivo, GKN Aerospace e altri continueranno a concentrarsi maggiormente sui materiali termoindurenti nella produzione di parti strutturali di grandi dimensioni per aeromobili. Utilizzano già ampiamente materiali termoplastici per realizzare parti strutturali più piccole come impennaggi, timoni e spoiler. Presto, tuttavia, quando la produzione in grandi volumi e a basso costo di parti termoplastiche leggere diventerà una routine, i produttori le utilizzeranno in modo molto più ampio, in particolare nel fiorente mercato eVTOL UAM, ha concluso Dion.

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