Rivoluzionare le strutture aerospaziali: una svolta nella progettazione di strutture sandwich leggere stampate con Roboze ARGO 500

Nel mondo dell'aeronautica, la costante ricerca di soluzioni per sviluppare strutture più leggere è diventata una priorità cruciale. L'obiettivo è chiaro: migliorare le prestazioni dei velivoli in termini di velocità, manovrabilità ed efficienza del carburante, riducendo contemporaneamente i costi di produzione e di servizio. Ogni avanzamento nella tecnologia e nei materiali può portare a significativi benefici in termini di prestazioni, efficienza e sicurezza degli aeromobili.

In un recente studio pubblicato sulla rivista Internazionale Aerospace Science and technology di Elsevier, il ricercatore Valerio Acanfora e i suoi colleghi del gruppo di strutture aerospaziali dell’Universita degli Studi della Campania “Luigi Vanvitelli”, guidato dal prof. Aniello Riccio, in collaborazione con l'Istituto per i Polimeri Compositi e Biomateriali, hanno esplorato un approccio alternativo ed efficace per ottenere una significativa riduzione di peso nei pannelli sandwich, utilizzando la stampante 3D Roboze ARGO 500.

Un pannello sandwich è una struttura composita costituita da strati di materiali diversi, combinati insieme per fornire proprietà specifiche di resistenza, isolamento termico, leggerezza e altre caratteristiche desiderate. Sono formati da uno strato superiore (o faccia esterna) che fornisce protezione dagli agenti atmosferici e, analogamente al lato esterno, lo strato inferiore (o faccia interna) che fornisce una superficie protettiva e può essere realizzato con gli stessi materiali o con altri adatti allo scopo. Nel cuore del pannello troviamo il nucleo che costituisce la maggior parte dello spessore. Il nucleo può essere realizzato con diversi materiali a seconda delle proprietà desiderate. Per mantenere i vari strati insieme, vengono utilizzati adesivi o leganti speciali che assicurano una forte adesione tra le facce esterne e il nucleo.

L'assemblaggio di questi strati crea un pannello che offre una combinazione di resistenza, leggerezza, isolamento termico e altre proprietà specifiche. I pannelli sandwich sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, ad esempio per la realizzazione di pareti divisorie, coperture, porte, pavimenti, carrozzerie di velivoli, e molto altro.

Lo studio del gruppo di ricerca si concentra sull'utilizzo della produzione additiva per la produzione di strutture sandwich in composito progettate ad hoc per il metodo additivo (DfAM). L’intuizione nasce dalla possibilità di regolare i parametri di infill (riempimento) al fine di ottenere una struttura che sia leggera e resistente. Durante questo processo, particolare attenzione è stata dedicata all'ottimizzazione del nucleo, mirando a massimizzare il rapporto energia-peso e migliorare l'assorbimento di carichi d'impatto. Il materiale scelto è stato il polipropilene (PP) per la parte interna del nucleo, mentre le facce esterne sono state realizzate con polimeri rinforzati con fibre di carbonio (CFRP). Questa combinazione di materiali e la regolazione dei parametri di infill contribuiscono a ottenere una struttura finale che soddisfa i requisiti desiderati in termini di leggerezza, resistenza e capacità di assorbire gli impatti.

Il confronto delle risposte post-impatto a 20 J, infatti, tra diverse configurazioni di sandwich ha dimostrato che questo innovativo approccio offre un incredibile alleggerimento delle strutture fino al 28%. Si è infatti registrato un decremento significativo del peso totale, passando da 261g a 189g. Ciò che rende questa innovazione ancor più significativa è la capacità di calibrare una rigidezza ad-hoc attraverso l'alternanza di strati e riempimento variabile. Tale personalizzazione della rigidezza ha dimostrato di potenziare l'efficacia del pannello nell'assorbire gli urti.

Come evidenziato nella figura, il parametro SEA, che rappresenta il rapporto tra l'energia assorbita dal pannello e la sua massa, è aumentato del 43.5% rispetto alla configurazione con tutti gli strati completamente riempiti. Questo approccio, dunque, consente non solo di ridurre il peso dei componenti, ma anche di adattarne la rigidezza in base al carico a cui sono sottoposti, generando strutture più performanti con una massa complessiva inferiore. Parallelamente, si è verificato un notevole miglioramento dell'efficacia strutturale, evidenziato da caratteristiche di assorbimento di energia superiori.

Il paper completo rivela che l'approccio additivo con la stampante 3D Roboze ARGO 500 si configura come una tecnologia rivoluzionaria per la produzione di strutture sandwich più leggere e performanti. Il lavoro offre un'analisi dettagliata delle variabili coinvolte, fornendo una chiara visione delle future possibilità. Per ulteriori dettagli e per esplorare le metodologie impiegate, vi invitiamo a consultare il paper scientifico completo su Elsevier (doi: 10.1016/j.ast.2023.108276).