Studio sperimentale di sistemi di collegamento innovativi fra materiali dissimili nell’ambito dei trasporti

Ormai da decenni, nel settore dei trasporti, in particolare in quelli navale ed aerospaziale, si è investito nella ricerca e nell’utilizzo di materiali innovativi volti a soddisfare la richiesta crescente di caratteristiche quali resistenza, leggerezza, costo contenuto ecc.; uno degli aspetti più problematici, nell’impiego di tali materiali, tuttavia, riguarda la realizzazione del loro collegamento, senza alterarne le performance [1]. Le problematiche che maggiormente si riscontrano, nell’ambito dei mezzi di trasporto, risiedono nella fase di progetto e verifica; è necessario tener conto, quindi, di molteplici fattori come: i pesanti carichi dinamici a cui tali collegamenti sono sottoposti, compatibilmente, con l’impiego di materiali che presentino un peso contenuto con elevate prestazioni, con i quali realizzarli, ottimizzando i costi di produzione. Generalmente, le crisi strutturali, si generano attraverso fenomeni di fatica, corrosione o sovraccarichi, che comportano la necessità di manutenzione ordinaria o straordinaria, a seconda della gravità del danno. Il più delle volte, il danno riguarda le connessioni e le interfacce, mentre raramente si verifica nelle sezioni. A rigor di ciò, l’attenzione nel tempo, si è sempre più focalizzata sul tipo di giunzioni da effettuare. In ambito aerospaziale, marittimo, civile e automobilistico si predilige l’impiego di giunzioni imbullonate o rivettate, in quanto rappresentano una metodologia di giunzione dall’efficacia ormai comprovata; tuttavia, se i materiali da giuntare sono di tipo composito, affinché non vi sia una eccessiva concentrazione degli sforzi nelle aree attorno ai fori, tali giunzioni devono essere progettate con numerosi bulloni e/o laminati spessi, con un notevole impatto anche sul peso della struttura. Tale problematica, potrebbe essere superata, con l’impiego di giunzioni ottenute con metodi alternativi come, per esempio, i giunti adesivi, i quali offrono una distribuzione più uniforme delle sollecitazioni nella zona di giunzione e peso strutturale inferiore, se pur rispettando le prestazioni meccaniche dei giunti tradizionali; tuttavia, tali giunzioni non consentono lo smontaggio senza danni, sono molto sensibili a fattori ambientali, tra cui umidità e temperatura, e sono difficilmente certificabili. Le metodologie di progetto per giunti adesivi con materiali compositi vengono presentate in relazione alla necessità di alleggerire le strutture mantenendo adeguati livelli di resistenza e rigidezza. L’utilizzo dei giunti ibridi, ovvero, giunzioni caratterizzate da materiali con caratteristiche differenti tra loro ed uniti attraverso specifici adesivi, può rappresentare una valida alternativa, al fine di ridurre i pesi delle strutture così come i costi di produzione [2]. L’interesse verso questo tipo di giunzione nasce in quanto i giunti ibridi rappresentano, potenzialmente, delle connessioni più resistenti e durevoli rispetto alle tipologie classiche di giunti; Nei giunti ibridi, l’impiego combinato di adesivi e fissaggi meccanici viene presentato come una soluzione in grado di migliorare la distribuzione dei carichi e la resistenza a fatica rispetto alle connessioni tradizionali [3]. Al fine di ottenere un collegamento che soddisfi i requisiti sopra elencati, sono state sviluppate ulteriori tecniche di giunzione, partendo dal presupposto di unire materiali dissimili tra loro; in letteratura, sono presenti molteplici studi su tali tipi di saldatura, che inoltre non prevedono l’ausilio di ulteriori componenti di fissaggio. In questa categoria rientra, ad esempio, la saldatura per FSW o la saldatura ad esplosione EXW, ovvero processi di saldatura allo stato solido, che consentono di forzare insieme due metalli dissimili con una saldatura pulita e resistente. Per la FSW la giunzione viene formata attraverso il movimento di un utensile cilindrico composto da una spalla ed un pin che viene fatto penetrare nel giunto tra due lembi da saldare. Il calore generato dall’attrito tra l’utensile e i materiali da unire, unito alla forza assiale, causa una plasticizzazione locale del materiale, che viene poi rimescolato meccanicamente dal movimento rotatorio e traslatorio dell’utensile, ottenendo un’unione solida allo stato pastoso. La Explosion Welding, invece, rappresenta una metodologia che prevede una serie di detonazioni, anch’essa, come per la FSW, non prevede il riscaldamento del metallo fino al punto di fusione, quindi, non vengono compromesse le proprietà originali di entrambi i metalli. Uno dei principali vantaggi dell’EXW è che può essere utilizzato per saldare quasi tutte le coppie di metalli e la maggior parte delle leghe. Questa possibilità è significativa perché molte coppie di metalli o leghe sono considerate incompatibili. Nei decenni successivi alla sua introduzione, la saldatura ad esplosione è stata generalmente considerata un processo più specializzato ed il suo impiego risulta minimo rispetto al suo potenziale. Ciò può essere attribuito in parte al fatto che il processo richiede una vasta conoscenza degli esplosivi. Oltre agli aspetti strutturali, la tesi analizza anche le implicazioni di sostenibilità e di impatto ambientale dei processi di giunzione considerati.