Materiali compositi e giunti di trasmissione

La domanda di compositi leggeri e resistenti è in crescita in molti settori, compreso quello dei giunti di trasmissione. La ricerca di materiali sempre più performanti alimenta l’innovazione, portando a impianti di lavorazione sempre più sofisticati.

Robusti, leggeri e in grado di dar vita a forme complesse, i materiali compositi nel tempo hanno sostituito particolari metallici strutturali e non in varie applicazioni, con un notevole risparmio di peso e dimensioni, non ottenibili per mezzo di altre tecnologie esistenti. Negli ultimi anni questi materiali hanno conosciuto una particolare diffusione e successo anche per il loro vasto campo di utilizzo. Sono infatti utilizzati nel settore dell’automobile, aerospaziale, aeronautico, della nautica, delle costruzioni, dell’elettronica, delle attrezzature sportive e nel packaging per il settore alimentare.

Il mercato è in crescita: le prospettive per l’intera industria dei compositi sono ottime e i potenziali enormi. L’Italia è in linea con la tendenza: archiviata una fase di rallentamento, il comparto sta infatti registrando una progressione costante e le stime per il 2019 sono molto positive. Le materie plastiche rinforzate con fibre di vetro (GFRP), con una quota di mercato del 95% rappresentano ancora il più importante gruppo di materiali del segmento.

Macchinari e componenti sempre più sofisticati

Importanti novità arrivano dal fronte dei macchinari per la produzione di questi materiali, area che negli ultimi anni ha segnato notevoli progressi tecnologici soprattutto per quanto riguarda l’automatizzazione dei processi. Anche i produttori di componenti mettono a frutto le proprietà di questi materiali: è il caso di R+W, che grazie alle fibre di carbonio realizza giunti particolarmente leggeri e performanti, con un’inerzia molto bassa e in grado pertanto di essere veicolati a velocità molto elevate a fronte di uno sforzo-motore quanto mai contenuto. Inoltre, il carbonio assicura valori di rigidità torsionale notevolissimi. Soprattutto nella produzione di alberi di trasmissione, le prestazioni raggiunte col carbonio sarebbero impossibili da conseguire utilizzando l’alluminio. Il guadagno prestazionale è del 50%, coerentemente con una diminuzione del peso che è a sua volta calcolabile nell’ordine dei 50 punti percentuali. Un tubo per un giunto 150-300 con diametro da 100 millimetri e spessore da 3-4 millimetri, costruito in carbonio pesa la metà di quelli tradizionali ed è di gran lunga più rigido. Questo fa sì che si possano costruire dei componenti di precisione con un fabbisogno energetico a sua volta significativamente inferiore.

Gli alberi di trasmissione della serie ZAL di R+W nascono già con un tubo centrale sviluppato in carbonio e sono rivolti ai produttori di macchine utensili, per i quali questi componenti costituiscono un investimento dai rapidi ritorni, anche in considerazione delle minori spese di movimentazione.

I giunti di trasmissione in materiale composito

I giunti di trasmissione in materiale composito consentono di ottenere un giusto compromesso tra esigenze di alleggerimento e miglioramento delle prestazioni, sia in termini di resistenza a fatica che di necessità di abbattimento dei costi di manutenzione.

Compito del progettista è quello di determinare la soluzione ottimale, alla luce dei maggiori costi da sostenere per il loro impiego, in modo da poterne individuare i vantaggi anche nelle situazioni in cui i livelli di resistenza sembrano comparabili a quelli dei giunti realizzati con materiali classici.

La funzione principale dei giunti di trasmissione è quella di collegare due alberi in maniera semipermanente. Tenendo presente le due categorie fondamentali di giunti, ovvero:
• giunti rigidi (per il collegamento di alberi coassiali, con minimi aggiustamenti assiali durante l’assemblaggio);
• giunti flessibili (per il collegamento di alberi con piccoli disallineamenti radiali, angolari e assiali).

Caratteristiche e componenti dei materiali compositi

I materiali strutturali vengono suddivisi in quattro categorie fondamentali:
• metalli
• polimeri
• ceramici
• compositi.

I materiali compositi, formati da due o più materiali diversi combinati in un’unità strutturale, sono generalmente composti da opportune combinazioni delle altre tre tipologie di materiali.

I moderni materiali compositi venivano, inizialmente, realizzati a mano, per cui i loro costituenti venivano processati su base macroscopica. All’avanzare della tecnologia dei materiali compositi negli ultimi decenni, i materiali costituenti (e i materiali di rinforzo in particolare) sono gradatamente diminuiti in dimensione.

Il più comune esempio di materiale composito è dato da una fibra continua immersa in un legante o matrice. Rinforzi a particelle o a fiocchi costituiscono una scelta alternativa, con prestazioni comunque inferiori a quelle delle fibre continue.

Il motivo principale per cui si ricorre a un rinforzo fibroso è dato dal fatto che molti materiali sono molto più resistenti sotto forma di fibra che sfusi.

Le fibre polimeriche, ad esempio, sono più forti e resistenti dei polimeri sfusi in quanto le catene polimeriche sono altamente allineate ed estese nelle fibre, mentre nel polimero sfuso le catene polimeriche sono orientate in maniera random. Un simile effetto si riscontra nei materiali cristallini come la grafite. Non solo: un cristallo singolo tende ad avere una più bassa densità di dislocazioni di un solido policristallino; di conseguenza, i materiali filiformi a cristallo singolo (whisker) risultano decisamente più resistenti dello stesso materiale in forma policristallina sfusa (Figura 1).

Attualmente, i nanotubi di carbonio (CNT), dalle dimensioni dell’ordine dei nanometri, sono i materiali di rinforzo più rigidi e resistenti a disposizione (Figura 2).

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Le esigenze di rinforzo trasversale vengono risolte ricorrendo ad opportune orientazioni delle fibre alla luce del campo tensionale stimato nel componente in questione; ciò ha portato alla realizzazione di diverse tipologie di composito (Figura 3).

Per quanto riguarda i componenti dei materiali compositi di maggior diffusione, le plastiche rinforzate con fibra di vetro hanno costituito la prima soluzione storica per i compositi strutturali. Gli attuali compositi che utilizzano fibre di vetro o altre fibre a basso modulo (>83 GPa) sono impiegati nella realizzazione di grossi volumi di produzione, come nel caso di alcune componentistiche del settore automotive. Questi compositi, a causa della loro economicità, vengono spesso chiamati compositi base.

I compositi avanzati sono invece realizzati con fibre di carbonio, di carburo di silicio (carborundum), di polimeri aramidici (come il Kevlar inventato nel 1965 da Stephanie Kwolek, ricercatrice della DuPont), di boro e di altri materiali (Spectra, Technora, Zylon, PBO) tutti caratterizzati da alta resistenza e bassa densità e, quindi, da valori estremamente elevati di resistenza specifica. Il loro principale ambito di impiego è quello che comprende tutte le applicazioni per le quali i loro costi molto elevati possono essere giustificati dall’incremento di prestazioni, come nel settore aerospaziale.

Applicazione dei materiali compositi nei giunti di trasmissione

Sulla base della precedente rassegna delle caratteristiche e dei componenti dei materiali compositi, è possibile fare un’osservazione fondamentale: data la vasta gamma delle attuali applicazioni di tali materiali, risulta evidente come l’impiego degli stessi per la realizzazione di componentistica meccanica fornisca notevoli vantaggi a tutti quei settori industriali i cui prodotti e sistemi fanno uso di quella componentistica.

Tale osservazione trova riscontro nella realizzazione dei primi alberi di trasmissione in fibra di carbonio e resina, per impieghi in ambito automobilistico e aeronautico, sviluppati sin dagli inizi degli anni ‘70. Prima di scendere nel dettaglio di come tali componenti abbiano influito nell’attuale produzione dei giunti di trasmissione, è opportuno accennare brevemente al loro metodo di fabbricazione: l’avvolgimento di fibre (Figura 4).

Tra i parametri sopra indicati, l’angolo di avvolgimento risulta quello di primaria importanza nei tubi soggetti a torsione, ovvero non solo negli alberi di trasmissione ma anche nei giunti con allunga in composito.

In particolare, la realizzazione di tali componenti prevede anche il ricorso all’utilizzo di nastri preimpregnati (prepreg) in fibra di carbonio (Figura 5).

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Un’altra interessante applicazione riguarda la sostituzione dei pacchi lamellari in acciaio ad elevata elasticità dei relativi giunti flessibili con elementi flessibili in materiale composito. Tale soluzione consiste quindi in una flangia in composito (brevetto US005724715A), con costi, capacità di collegamento e di trasferimento della coppia quasi pari a quelle metalliche, ottenuta tramite deposizione di strati multipli di fibre di vetro intrecciate che racchiudono un anello di fibre di vetro. L’accoppiamento cinematico ottenuto è mostrato nella figura seguente.

L’elemento flessibile (brevetto US006905416B2) è un disco realizzato in composito avanzato (fibra di grafite-matrice epossidica), che incorpora le boccole in acciaio inossidabile, come mostrato nell’immagine seguente.

Tale componente viene quindi incapsulato in poliuretano, per prevenire sfregamento e corrosione. Nelle condizioni operative previste, questo elemento fornisce elevati livelli di compensazione dei disallineamenti ed una durata a fatica teorica praticamente infinita.
Inoltre, tale elemento consente un’elevata semplicità di installazione e una drastica riduzione dei costi di manutenzione. Questo approccio consente comunque di aggiornare elementi flessibili già concepiti in precedenza, estendo il campo di impiego dei giunti in cui vengono impiegati in termini di ampiamento delle capacità di resistenza a fatica e ad atmosfere corrosive. È il caso, ad esempio, del giunto flessibile brevetto US005221232A.

Tale brevetto costituisce una soluzione per giunti di precisione con assenza di gioco, leggeri, con bassa inerzia e alta rigidezza torsionale per le applicazioni con servomotori, realizzati con configurazione a singolo e doppio elemento flessibile.

Il ruolo del fornitore di componenti

L’impiego di giunti di trasmissione in materiale composito ben si integra con l’esigenza di conseguire alti livelli di alleggerimento, richiesti per la particolare catena cinematica da progettare e realizzare. R+W, realtà leader nella produzione di giunti e alberi di trasmissione, è in grado di mettere la sua esperienza a disposizione del progettista. Nei contesti che richiedono alti livelli di alleggerimento R+W fornisce, oltre al già citato giunto con allunga in fibra di carbonio della serie ZAL (ben più leggero delle leghe d’alluminio), anche una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione quali i giunti a soffietto metallico della serie BKM, i giunti a elastomero EKL e i limitatori di coppia SLP.

I giunti a soffietto metallico BKM con fissaggio a morsetto, precisi e senza gioco, sono molto apprezzati per il basso momento di inerzia, la totale assenza di necessità di manutenzione, la durata praticamente infinita e soprattutto la totale affidabilità. I giunti compatti a elastomero EKL con serraggio a morsetto sono facili da montare; privi di gioco, presentano ottime caratteristiche di smorzamento delle vibrazioni e isolamento elettrico. Molti elementi condizionano la progettazione dei giunti a elastomero: da fattori quali il carico, l’avviamento e la temperatura dipende la durata dell’inserto. L’elemento elastomerico è disponibile in diverse durezze shore, per trovare sempre un compromesso adatto fa le proprietà di smorzamento, la rigidità torsionale e la correzione dei disallineamenti per la maggior parte delle applicazioni. I limitatori di coppia SLP con cava per chiavetta pesano il 60% in meno della serie standard; compatti e senza gioco, resistenti alla corrosione, sono del tutto privi di necessità di manutenzione. La coppia di sgancio è regolabile; come tutti i limitatori di coppia R+W, sono in grado di svincolare la parte motrice dalla parte condotta in caso di sovraccarico nel giro di pochi millisecondi, prevenendo danni a macchina e prodotto lavorato.

R+W Italia si propone sul mercato come partner ideale per la fornitura di giunti, alberi di trasmissione e limitatori di coppia standard e “speciali”, sviluppati su specifica richiesta del cliente con l’obiettivo di offrire il giunto corretto per ogni singola applicazione: l’ampia gamma di prodotti comprende soluzioni per tutte le esigenze. Inoltre, R+W offre al cliente un servizio completo che parte dalla fase progettuale, passa dalla fase commerciale e arriva fino alla logistica.

Per una consulenza personalizzata, consultare il sito www.rw-giunti.it oppure i canali social del gruppo (#progettisicuri).

di Stefano Vinto

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