L’attività di ricerca effettuata durante il periodo di dottorato ha riguardato lo studio di componenti in composito a matrice termoindurente e termoplastica fibro-rinforzati per l’industria delle infrastrutture di reti elettriche, telefoniche e dei trasporti. Nello specifico sono stati presi in considerazione, materiali e tecnologie per la produzione di componenti di media-grande serie per svariate applicazioni industriali in cui l’aspetto economico assume un’importanza rilevante, pari almeno all’aspetto tecnico. L’obiettivo della tesi di Dottorato sviluppata in collaborazione con l’azienda N.T.E.T. S.p.A. è stato quello di sviluppare delle nuove formulazioni dei compositi in modo da ottenere pali in vetroresina, con le stesse caratteristiche prestazionali, ma con una sensibile riduzione del peso di circa il 5% rispetto a quelli prodotti. L’attività di ricerca è divisa in 3 fasi: La prima fase della ricerca è stata focalizzata sulle prove sperimentali di caratterizzazione dei materiali presenti nell’azienda N.T.E.T. S.p.A. Nello specifico sono stati indagati materiali realizzati con le tecnologie di: stampaggio a compressione, pultrusione, centrifugazione e stampaggio a iniezione. Per gli stampati a compressione e i pultrusi è stata fatta esclusivamente una caratterizzazione meccanica di trazione mentre per i centrifugati e gli stampati a iniezione è stata fatta una caratterizzazione completa del materiale effettuando le seguenti prove: 1) prove per determinare la percentuale di fibre di vetro; 2) prove dielettriche; 3) prove di assorbimento di acqua; 4) prove di autoestinguenza; 5) prove di caratterizzazione meccanica (trazione, compressione, flessione, taglio interlaminare); 6) prove di caratterizzazione chimico-fisica (resistenza ai raggi UV, stabilità termica a +70 °C/-30 °C, resistenza agli agenti chimici). Durante le prove di trazione e compressione sono state applicate tecniche sperimentali a campo intero, del tipo contactless: la Digital Image Correlation (DIC) e la termografia ad infrarossi (IRT). Utilizzando queste tecniche sperimentali è stato possibile ottenere utili informazioni sulle proprietà locali dei materiali compositi investigati. Tale indagine è molto utile poiché i materiali compositi per loro natura hanno una struttura non omogenea ed un comportamento fortemente anisotropo. Completate tutte le prove sperimentali è stato fatto un confronto dei materiali termoindurenti realizzati definendo vantaggi e limitazioni di ogni tecnologia di produzione. Nello specifico per tutti i materiali termoindurenti analizzati si è potuto notare un comportamento meccanico a trazione migliore per i materiali pultrusi, intermedio per i materiali centrifugati e peggiore per gli stampati. La seconda fase dell’attività di ricerca è stata incentrata sul reparto centrifugati andando a ricercare nuove soluzioni per ottenere pali più leggeri mantenendo sempre ottime caratteristiche meccaniche. Per ottenere tale obiettivo sono stati impostati dei modelli analitici e numerici. Questi modelli sono stati validati da tutte le prove sperimentali di collaudo cui deve sottostare ogni prototipo realizzato prima di entrare in regime di produzione. Confrontando le varie prove di collaudo sperimentale per vari prototipi si è notato: 1) una riduzione del peso di 6,87 %; 2) una riduzione del costo di produzione su singolo palo pari a 6,78 %; 3) un leggero incremento della deflessione massima di 4,02 %; Successivamente è stato effettuato un confronto tra i modelli analitici e numerici e le prove di collaudo sperimentale per ogni singolo prototipo in modo da poter apprezzare la bontà dei modelli impostati. Il confronto è stato effettuato al variare del carico applicato durante la prova di collaudo. Al valore di forza massima applicata (5000 N) si è registrata una variazione media della deflessione per ogni prototipo di circa pari a:  variazione del 4% tra il valore calcolato dal modello analitico e quello sperimentale;  variazione del 8% tra il valore calcolato dal modello numerico e quello sperimentale. Parallelamente, è stata svolta una seconda attività di ricerca, la quale è stata incentrata sulla progettazione di nuovi prototipi di pali dove i requisiti richiesti, secondo le normative di riferimento, ponevano come obiettivo da raggiungere non più la leggerezza del palo ma la rigidezza dello stesso in modo da rientrare nei valori di deflessione richiesti dal committente in fase di progettazione. Anche per questi nuovi prototipi di pali è stata fatta una iniziale progettazione e una successiva prova di collaudo sperimentale. Successivamente effettuando un confronto analitico-sperimentale al valore della forza massima applicata è stata registrata una variazione media della deflessione per ogni prototipo di circa pari a:  variazione del 1,5% tra il valore calcolato dal modello analitico e quello sperimentale per i prototipi_L;  variazione del 1,5% tra il valore calcolato dal modello analitico e quello sperimentale per i prototipi_R. Parte di questa fase è stata svolta durante un periodo di ricerca svolto a Ningbo (Cina), presso la sede dell’azienda N.T.E.T. S.p.A., durante la quale sono state svolte le seguenti attività: 1) progettazione – realizzazione – collaudo dei cappellotti testa – base palo dei prototipi L e R; 2) progettazione – realizzazione – collaudo dei collari in acciaio dei prototipi L e R; 3) realizzazione – collaudo reggipali SMC. Durante la terza fase di ricerca sono state condotte delle analisi di Life Cycle Assessment (LCA). L’obiettivo, in conformità con le indicazioni fornite dalla International Organization for Standardization (ISO) è stato quello di confrontare l’impatto ambientale di due diversi prodotti (pali per illuminazione e pali per linee aeree di telecomunicazione) e processi di produzione. Sono stati analizzati tre casi studio. Nei primi due casi sono stati confrontati gli impatti ambientali di pali per illuminazione pubblica prodotti in acciaio zincato e in vetroresina. L’obiettivo di questi pali è quello di garantire un supporto di illuminazione ad una altezza da terra di 6 e 8 metri, per un periodo di 60 anni (unità funzionale), considerando che i pali siano installati a distanza equivalente. La vita di utilizzo di un palo in acciaio è di circa 60 anni così per il periodo in esame è sufficiente una quantità. Nel caso del palo in vetroresina la vita di utilizzo è stimato in circa 20 anni, quindi sono necessari 3 pali per coprire l’intero periodo (tutti gli impatti ambientali ricavati pertanto devono essere moltiplicati per 3). Il confine del sistema è stato definito dall’utente (dall’estrazione delle materie prime alla fase di smaltimento) e le aree geografiche di produzione di questi pali sono due diversi impianti nel Sud Italia (S.I.P.A. S.p.A e N.T.E.T. S.p.A.). Nel terzo caso studio sono stati valutati e confrontati gli impatti ambientali di tre prototipi di pali in vetroresina realizzati per il committente Telecom Italia presso lo stabilimento dell’N.T.E.T. S.p.A. L’unità funzionale definita in questo caso è di 20 anni. I risultati ottenuti con il metodo CML 2001 sono normalizzati dividendoli per un valore preso come riferimento (palo in acciaio). Ogni caso studio ha riportato i seguenti impatti ambientali:  LCA al variare del materiale (palo 6 - 8 metri illuminazione). Per quanto riguarda i primi due casi studio si è notato come tutti gli eco-indicatori di impatto ambientale, del palo in vetroresina sono sempre inferiori a quelle del palo in acciaio eccezion fatta per il potenziale di eutrofizzazione (EP) ovvero l’esaurimento dell’ossigeno in un ambiente marino. Per il palo 6 metri in vetroresina, l’indice della potenziale ecotossicità terrestre (TETP) è più elevato rispetto al palo 8 metri dello stesso materiale e ciò indica la non linearità del comportamento degli indicatori di impatto rispetto alla lunghezza del palo. La differenza principale nei due diversi processi produttivi è il peso del materiale utilizzato. Il ciclo vita del palo in acciaio è fortemente influenzato dalla massa e dall’energia introdotta nel processo (ad esempio la notevole quantità di energia esercitata durante l’estrazione delle materie prime).  LCA al variare del prototipo di palo in vetroresina (palo 8 metri telecomunicazione). Nello specifico si nota come grazie alla riduzione del peso che si è fatta in fase di progettazione dei tre prototipi, si è riscontrato anche una riduzione delle emissioni in fase di produzione e quindi degli impatti ambientali verso l’ambiente. Tutti gli eco-indicatori del prototipo attualmente in produzione sono inferiori rispetto al prototipo preesistente in azienda. Nello specifico è stata riscontrata una riduzione di circa 6,25% degli impatti totali sul singolo palo. Infine è stata fatta un analisi sul riciclaggio dei materiali compositi termoindurenti definendo tutte le possibili forme di smaltimento e successivamente una soluzione a costi non molto elevati. La soluzione messa a punto dalla N.T.E.T. S.p.A., definita RBMC - Recycled Bulk Molding Compound, prevede un processo di frantumazione economico ed efficace per la realizzazione di nuovi compound che poi saranno riutilizzati per altre applicazioni in cui sono richieste prestazioni inferiori.

“OTTIMIZZAZIONE DI COMPONENTI IN COMPOSITO PER L’INDUSTRIA DELLE INFRASTRUTTURE DI RETI ELETTRICHE, TELEFONICHE E DEI TRASPORTI”

MOLINO, SALVATORE
2017-02-23

Abstract

L’attività di ricerca effettuata durante il periodo di dottorato ha riguardato lo studio di componenti in composito a matrice termoindurente e termoplastica fibro-rinforzati per l’industria delle infrastrutture di reti elettriche, telefoniche e dei trasporti. Nello specifico sono stati presi in considerazione, materiali e tecnologie per la produzione di componenti di media-grande serie per svariate applicazioni industriali in cui l’aspetto economico assume un’importanza rilevante, pari almeno all’aspetto tecnico. L’obiettivo della tesi di Dottorato sviluppata in collaborazione con l’azienda N.T.E.T. S.p.A. è stato quello di sviluppare delle nuove formulazioni dei compositi in modo da ottenere pali in vetroresina, con le stesse caratteristiche prestazionali, ma con una sensibile riduzione del peso di circa il 5% rispetto a quelli prodotti. L’attività di ricerca è divisa in 3 fasi: La prima fase della ricerca è stata focalizzata sulle prove sperimentali di caratterizzazione dei materiali presenti nell’azienda N.T.E.T. S.p.A. Nello specifico sono stati indagati materiali realizzati con le tecnologie di: stampaggio a compressione, pultrusione, centrifugazione e stampaggio a iniezione. Per gli stampati a compressione e i pultrusi è stata fatta esclusivamente una caratterizzazione meccanica di trazione mentre per i centrifugati e gli stampati a iniezione è stata fatta una caratterizzazione completa del materiale effettuando le seguenti prove: 1) prove per determinare la percentuale di fibre di vetro; 2) prove dielettriche; 3) prove di assorbimento di acqua; 4) prove di autoestinguenza; 5) prove di caratterizzazione meccanica (trazione, compressione, flessione, taglio interlaminare); 6) prove di caratterizzazione chimico-fisica (resistenza ai raggi UV, stabilità termica a +70 °C/-30 °C, resistenza agli agenti chimici). Durante le prove di trazione e compressione sono state applicate tecniche sperimentali a campo intero, del tipo contactless: la Digital Image Correlation (DIC) e la termografia ad infrarossi (IRT). Utilizzando queste tecniche sperimentali è stato possibile ottenere utili informazioni sulle proprietà locali dei materiali compositi investigati. Tale indagine è molto utile poiché i materiali compositi per loro natura hanno una struttura non omogenea ed un comportamento fortemente anisotropo. Completate tutte le prove sperimentali è stato fatto un confronto dei materiali termoindurenti realizzati definendo vantaggi e limitazioni di ogni tecnologia di produzione. Nello specifico per tutti i materiali termoindurenti analizzati si è potuto notare un comportamento meccanico a trazione migliore per i materiali pultrusi, intermedio per i materiali centrifugati e peggiore per gli stampati. La seconda fase dell’attività di ricerca è stata incentrata sul reparto centrifugati andando a ricercare nuove soluzioni per ottenere pali più leggeri mantenendo sempre ottime caratteristiche meccaniche. Per ottenere tale obiettivo sono stati impostati dei modelli analitici e numerici. Questi modelli sono stati validati da tutte le prove sperimentali di collaudo cui deve sottostare ogni prototipo realizzato prima di entrare in regime di produzione. Confrontando le varie prove di collaudo sperimentale per vari prototipi si è notato: 1) una riduzione del peso di 6,87 %; 2) una riduzione del costo di produzione su singolo palo pari a 6,78 %; 3) un leggero incremento della deflessione massima di 4,02 %; Successivamente è stato effettuato un confronto tra i modelli analitici e numerici e le prove di collaudo sperimentale per ogni singolo prototipo in modo da poter apprezzare la bontà dei modelli impostati. Il confronto è stato effettuato al variare del carico applicato durante la prova di collaudo. Al valore di forza massima applicata (5000 N) si è registrata una variazione media della deflessione per ogni prototipo di circa pari a:  variazione del 4% tra il valore calcolato dal modello analitico e quello sperimentale;  variazione del 8% tra il valore calcolato dal modello numerico e quello sperimentale. Parallelamente, è stata svolta una seconda attività di ricerca, la quale è stata incentrata sulla progettazione di nuovi prototipi di pali dove i requisiti richiesti, secondo le normative di riferimento, ponevano come obiettivo da raggiungere non più la leggerezza del palo ma la rigidezza dello stesso in modo da rientrare nei valori di deflessione richiesti dal committente in fase di progettazione. Anche per questi nuovi prototipi di pali è stata fatta una iniziale progettazione e una successiva prova di collaudo sperimentale. Successivamente effettuando un confronto analitico-sperimentale al valore della forza massima applicata è stata registrata una variazione media della deflessione per ogni prototipo di circa pari a:  variazione del 1,5% tra il valore calcolato dal modello analitico e quello sperimentale per i prototipi_L;  variazione del 1,5% tra il valore calcolato dal modello analitico e quello sperimentale per i prototipi_R. Parte di questa fase è stata svolta durante un periodo di ricerca svolto a Ningbo (Cina), presso la sede dell’azienda N.T.E.T. S.p.A., durante la quale sono state svolte le seguenti attività: 1) progettazione – realizzazione – collaudo dei cappellotti testa – base palo dei prototipi L e R; 2) progettazione – realizzazione – collaudo dei collari in acciaio dei prototipi L e R; 3) realizzazione – collaudo reggipali SMC. Durante la terza fase di ricerca sono state condotte delle analisi di Life Cycle Assessment (LCA). L’obiettivo, in conformità con le indicazioni fornite dalla International Organization for Standardization (ISO) è stato quello di confrontare l’impatto ambientale di due diversi prodotti (pali per illuminazione e pali per linee aeree di telecomunicazione) e processi di produzione. Sono stati analizzati tre casi studio. Nei primi due casi sono stati confrontati gli impatti ambientali di pali per illuminazione pubblica prodotti in acciaio zincato e in vetroresina. L’obiettivo di questi pali è quello di garantire un supporto di illuminazione ad una altezza da terra di 6 e 8 metri, per un periodo di 60 anni (unità funzionale), considerando che i pali siano installati a distanza equivalente. La vita di utilizzo di un palo in acciaio è di circa 60 anni così per il periodo in esame è sufficiente una quantità. Nel caso del palo in vetroresina la vita di utilizzo è stimato in circa 20 anni, quindi sono necessari 3 pali per coprire l’intero periodo (tutti gli impatti ambientali ricavati pertanto devono essere moltiplicati per 3). Il confine del sistema è stato definito dall’utente (dall’estrazione delle materie prime alla fase di smaltimento) e le aree geografiche di produzione di questi pali sono due diversi impianti nel Sud Italia (S.I.P.A. S.p.A e N.T.E.T. S.p.A.). Nel terzo caso studio sono stati valutati e confrontati gli impatti ambientali di tre prototipi di pali in vetroresina realizzati per il committente Telecom Italia presso lo stabilimento dell’N.T.E.T. S.p.A. L’unità funzionale definita in questo caso è di 20 anni. I risultati ottenuti con il metodo CML 2001 sono normalizzati dividendoli per un valore preso come riferimento (palo in acciaio). Ogni caso studio ha riportato i seguenti impatti ambientali:  LCA al variare del materiale (palo 6 - 8 metri illuminazione). Per quanto riguarda i primi due casi studio si è notato come tutti gli eco-indicatori di impatto ambientale, del palo in vetroresina sono sempre inferiori a quelle del palo in acciaio eccezion fatta per il potenziale di eutrofizzazione (EP) ovvero l’esaurimento dell’ossigeno in un ambiente marino. Per il palo 6 metri in vetroresina, l’indice della potenziale ecotossicità terrestre (TETP) è più elevato rispetto al palo 8 metri dello stesso materiale e ciò indica la non linearità del comportamento degli indicatori di impatto rispetto alla lunghezza del palo. La differenza principale nei due diversi processi produttivi è il peso del materiale utilizzato. Il ciclo vita del palo in acciaio è fortemente influenzato dalla massa e dall’energia introdotta nel processo (ad esempio la notevole quantità di energia esercitata durante l’estrazione delle materie prime).  LCA al variare del prototipo di palo in vetroresina (palo 8 metri telecomunicazione). Nello specifico si nota come grazie alla riduzione del peso che si è fatta in fase di progettazione dei tre prototipi, si è riscontrato anche una riduzione delle emissioni in fase di produzione e quindi degli impatti ambientali verso l’ambiente. Tutti gli eco-indicatori del prototipo attualmente in produzione sono inferiori rispetto al prototipo preesistente in azienda. Nello specifico è stata riscontrata una riduzione di circa 6,25% degli impatti totali sul singolo palo. Infine è stata fatta un analisi sul riciclaggio dei materiali compositi termoindurenti definendo tutte le possibili forme di smaltimento e successivamente una soluzione a costi non molto elevati. La soluzione messa a punto dalla N.T.E.T. S.p.A., definita RBMC - Recycled Bulk Molding Compound, prevede un processo di frantumazione economico ed efficace per la realizzazione di nuovi compound che poi saranno riutilizzati per altre applicazioni in cui sono richieste prestazioni inferiori.
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