Nel contesto tecnologico e industriale attuale, i materiali compositi rappresentano un settore in crescita, sia sotto l’aspetto prestazionale sia, sotto l’aspetto della sostenibilità. Abbiamo intervistato l’ing. Lorenzo Menaldo, esperto del settore, che ci propone un approfondimento sull’argomento e la sua visione sul futuro dei compositi.
Team Wyconi: Ingegnere ci parli un po’ di sè e della sua esperienza nell’ambito dei materiali compositi.
Lorenzo Menaldo: Mi sono laureato in ingegneria dei materiali a Trento con una tesi nell’ambito dei materiali compositi. Ho poi iniziato a lavorare come ingegnere R&S in un’azienda automotive che produceva volanti di F1 e per vetture di alta e altissima gamma che avevano dei componenti estetici/strutturali realizzati in compositi di fibra di carbonio o in compositi/legno. In seguito ho continuato a dedicarmi ai compositi come libero professionista credendo in questi materiali estremamente versatili e progettati in funzione dell’impiego del prodotto di cui ne è costituito.
Team Wyconi: Potrebbe spiegare rapidamente che cosa sono i materiali compositi per chi non li conosce?
Lorenzo Menaldo: I compositi sono materiali costituiti da almeno due fasi distinte: il rinforzo (che ha il compito di fornire la resistenza meccanica al materiale) e la matrice (che protegge il rinforzo e mantiene la forma del prodotto). Esistono vari tipi di materiali compositi:
1) Metallici: in cui la matrice è un metallo ed il rinforzo può essere sotto forma di particelle o di placchette disperse nella matrice. Compositi metallici sono ad esempio le ghise costituite da una matrice ferrosa che ingloba lamelle o sfere di grafite che gli conferiscono proprietà meccaniche e termiche differenti. Altri esempi di compositi metallici sono le leghe di alluminio e di titanio utilizzate in campo aeronautico/aerospaziale e automobilistico.
2) Ceramici: in questi compositi la matrice è una ceramica in cui il rinforzo è costituito da placchette o fibre molto rigide che forniscono la resistenza meccanica alle alte temperature a cui questi componenti sono impiegati. I dischi carboceramici utilizzati in F1 appartengono a questa famiglia di compositi.
3) Polimerici: sono quei compositi in cui la matrice è un polimero (“plastica” nella terminologia generale) che viene rinforzata con fibre o particelle che fungono sia da rinforzo che da riempitivo. I compositi polimerici più famosi sono quelli epossidici rinforzati con fibre di carbonio. Sono caratterizzati da alte prestazioni meccaniche legate ad una leggerezza irraggiungibile dai compositi metallici o ceramici. Vengono applicati per costruire le parti strutturali ed aerodinamiche delle vetture di F1 e delle lussuose Supercar, dei componenti di aerei militari e commerciali, per articoli sportivi come le racchette da padel o gli alberi e gli scafi di barche a vela da competizione. Le fibre di rinforzo possono essere le fibre di carbonio, di vetro, aramidiche (di colore giallo) e, ultimamente, anche di origine vegetale.
Team Wyconi: Quali sono i vantaggi principali dei materiali compositi rispetto a quelli tradizionali, e come sta evolvendo la loro sostenibilità?
Lorenzo Menaldo: Concentriamoci sui compositi polimerici: il loro vantaggio rispetto ai materiali tradizionali è il rapporto tra le loro caratteristiche meccaniche ed i loro pesi specifici. Tali parametri sono tenuti in considerazione quando si deve progettare un prodotto che richiede delle caratteristiche di resistenza e di rigidezza ma che deve soddisfare anche requisiti di leggerezza. Campi di applicazione che hanno tali requisiti sono ad esempio l’aeronautica e l’aerospazio: nei moderni velivoli commerciali finalizzati a risparmiare carburante in ogni singolo volo, i razzi vettori da NASA e ESA.
Esistono anche le applicazioni “più terrestri” come imbarcazioni da diporto, vetture ad alte prestazioni o attrezzi sportivi come racchette da tennis o da padel in cui le prestazioni meccaniche legate alla leggerezza sono un “must have”. Anche gli utensili di lavoro per operatori che ripetono operazioni usuranti nell’industria si giovano dell’impiego dei compositi per ausili che riducono il carico muscolare durante l’intera giornata (bracci di reazione, di sollevamento).
La sostenibilità nei compositi è un requisito nato recentemente. E’ sorto in maniera significativa quando si sono dovute affrontare le sostituzioni delle pale delle turbine eoliche nei numerosi parchi eolici installati nel mondo ed in particolare in occidente. I più anziani parchi eolici hanno più di una
trentina d’anni di servizio e molte delle pale esistenti hanno raggiunto il limite della vita operativa per quanto riguarda danneggiamenti e riparazioni oppure perché negli anni a seguire sono state sviluppate pale più efficienti in termini aerodinamici e di peso minore che ne rendono necessaria la
sostituzione per mantenere prestazionali i parchi eolici che le utilizzano.
Le pale dismesse (alcune di loro lunghe anche ottanta metri) al momento finiscono in discarica (le più piccole) oppure vengono incenerite a volte in atmosfera libera, con impatti negativi sull’ambiente. Alcune nuove soluzioni stanno emergendo, come il riciclo delle pale per creare asfalto sostenibile o l’utilizzo in cementifici come combustibile per la produzione dei leganti (co-processing). Viste queste problematiche, si stanno sviluppando in Europa ed in USA materiali alternativi più facilmente riciclabili per le future pale.
Un’altra spinta alla sostenibilità sono le normative sulla fine vita delle automobili. Le direttive 2005/64/CE del Parlamento europeo e del Consiglio e 2009/1/CE prescrivono che i veicoli di categoria M1 (per trasporto fino a 8 passeggeri) e categoria N1 (trasporto di merci fino a 3.5t) saranno
costruiti per essere riutilizzabili e/o riciclabili per almeno l’85 % della loro massa e riutilizzabili e/o recuperabili per almeno il 95 % della loro massa. Questi requisiti impongono ai costruttori e alla filiera produttiva di spingersi in maniera sempre più massiccia verso compositi riciclabili.
Negli ultimi anni si è quindi puntato su materiali compositi detti “bio-based” aventi come rinforzi fibre vegetali (lino, iuta, canapa) e come matrici delle resine termoindurenti in cui si è arrivati ad un 30% in peso di resine di origine vegetale. Un ulteriore passo si è notato quest’anno in cui varie Case Auto presenteranno nuovi modelli con interni realizzati con compositi in matrici termoplastiche rinforzate con fibre vegetali che garantiscono un minore impatto ambientale della filiera produttiva e una più facile riciclabilità.
Anche il settore navale da diporto ha cominciato ad affrontare il problema dello smaltimento dei compositi e della loro riciclabilità. La maggior parte delle imbarcazioni da diporto fino ai 50 metri ha lo scafo realizzato in compositi “tradizionali” (matrici termoindurenti e fibre di vetro). Molti cantieri navali stanno ora affrontando il problema della progettazione di yacht con materiali più facilmente riciclabili o che presentino criticità minori nella fase di smaltimento. E’ notizia dell’ultimo Salone Nautico di Genova che alcuni costruttori utilizzeranno fibre di basalto come rinforzo per i compositi di scafi e dei ponti di coperta in modo da riutilizzare le fibre dopo la pirolisi delle resine.
Team Wyconi: Quali sono le sfide e ostacoli nell’implementazione di materiali compositi sostenibili?
Lorenzo Menaldo: Le sfide maggiori che i compositi sostenibili devono affrontare sono legati alle loro minori prestazioni meccaniche e di costi.
Le prestazioni meccaniche dei compositi “bio-based” sono ancora minori rispetto a quelle di compositi “tradizionali” realizzati con resine termoindurenti derivate dal petrolio (in particolare le epossidiche). Per tale motivo il loro impiego è limitato al 30% in miscela con le epossidiche tradizionali per non compromettere caratteristiche come resistenza e rigidezza del materiale.
Anche i costi dei compositi “bio-based” risultano ancora maggiori rispetto ai “tradizionali” in quanto per quest’ultimi si sfruttano le economie di scala realizzati in più di sette decenni per il loro sviluppo.
Ad ogni modo le industrie stanno lavorando per colmare entrambi i gap elencati sopra e tutto il settore è fiducioso che in breve tempo i compositi bio-based potranno essere, in determinate applicazioni, delle valide alternative ai tradizionali.
Team Wyconi: Quali settori industriali stanno adottando maggiormente i materiali compositi sostenibili?
Lorenzo Menaldo: Il settore che sta “spingendo” maggiormente per adottare compositi sostenibili è quello dell’auto. I compositi garantiscono coibentazione termica e insonorizzazione con minor peso rispetto ai metalli a alla plastiche non rinforzate. Tali caratteristiche sono molto richieste ed apprezzate dal mondo automotive in quanto forniscono l’opportunità di installare sulle vetture pannellature di interni estremamente leggere, efficaci e facilmente riciclabili o smaltibili rispetto ai materiali precedentemente utilizzati (esempio poliuretani o multistrati di vetro/epoxy/poliuretano). Tali materiali sono impiegati ad esempio all’interno delle porte o nei fondi delle vetture per smorzare rumori esterni e vibrazioni oltre che isolare termicamente l’abitacolo in modo da diminuire il consumo di carburante necessario per la sua climatizzazione.
Team Wyconi: Può condividere qualche esempio di progetti o prodotti che utilizzano materiali compositi sostenibili?
Lorenzo Menaldo: Nei prossimi mesi i compositi a base termoplastica rinforzati con fibre vegetali verranno presentati come materiali decorativi per interni auto: inserti plancia e di porte verranno realizzati con questi materiali. In tal modo verranno “smarcate” le loro nuove applicazioni estetiche: non più solo componenti fonoassorbenti e coibentanti ma anche componenti di pregio nelle nuove vetture europee.
Team Wyconi: Quali tecnologie innovative sono promettenti per il riciclo dei compositi, e quali limiti presentano?
Lorenzo Menaldo: La sostenibilità dei materiali compositi è un tema diventato sempre più rilevante, con progressi significativi ma anche sfide da affrontare.
Grazie alla loro leggerezza e resistenza portano vantaggi ambientali poiché essi riducono il consumo energetico e le emissioni di gas serra di veicoli in settori come l’aerospaziale e l’automobilistico. Ad esempio, l’uso di compositi negli aeromobili ha portato a una riduzione del peso del 20% nei nuovi
velivoli, con un risparmio di carburante del 10-15%.
Allo stesso tempo pongono la grande sfida del riciclo: attualmente, solo una piccola percentuale dei rifiuti di compositi viene riciclata. In Europa, si stima che entro il 2025 saranno prodotte circa 680.000 tonnellate di rifiuti di compositi, ma la capacità di recupero è limitata a 100.000 tonnellate. Si stanno quindi sviluppando modelli per integrare i compositi in un’economia circolare, promuovendo il riutilizzo e il riciclo. Tecnologie come la pirolisi e il co-processing nei cementifici sono tra le soluzioni più promettenti. Gli stessi materiali “bio-based” come il lino e le resine PLA (acido polilattico) e il PHA (poliidrossialcanoati) essendo biodegradabili affiancati da matrici termoplastiche comuni come il polipropilene, sono in crescita come applicazioni, poiché hanno un impatto ambientale inferiore rispetto alle fibre sintetiche.
La strada verso una piena sostenibilità è ancora lunga, ma l’attenzione crescente e gli investimenti in ricerca e sviluppo stanno accelerando il progresso.