Bio compositi per applicazioni automotive

I
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Biocompositi
& Automotive
ASSOCOMPOSITI – Scuola estiva materiali
compositi 2020
Vincenzo Castorani
R&D Department
16 Settembre 2020

HP Composites SpA, Assocompositi – Scuola estiva materiali compositi 2020
COMPOSITI
Mercato dei materiali compositi
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o L'utilizzo dei materiali compositi è in rapido aumento in numerosi settori applicativi.
o L’elevata domanda di materiali leggeri e ad alte prestazioni sono i fattori chiave che guidano l’espansione del mercato.
o Il crescente interesse per lo sviluppo di auto più efficienti, veicoli elettrici (EV) e ibridi (HEV) ha costretto le aziende ad adottare questi
materiali innovativi nelle strategie di alleggerimento autoveicolo.
o Il valore del mercato dei materiali compositi avanzati è stato di 89,04 miliardi di dollari nel 2019 e si prevede che raggiungerà i 160,54
miliardi di dollari entro il 2027.
*https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/composites-market

COMPOSITI
Problema ambientale
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o Il mercato europeo e quello internazionale è regolato da stringenti
direttive ambientali che evolvono regolarmente nel tempo.
o I materiali compositi avanzati, sebbene vantaggiosi nel ridurre il peso
e le emissioni associate al trasporto, presentano numerose
problematiche ambientali.
o La produzione di materie prime (rinforzi e matrici) rappresenta
oltre il 90% degli impatti totali di un componente in materiale
composito.
o I compositi sono difficili da riciclare e separare.
o Una sfida importante è rappresentata dallo sviluppo di un modello di
economia circolare, in cui sempre più rifiuti vengono convertiti in
materie prime utili.
o Necessità di trovare soluzioni innovative che fanno uso di materiali
disponibili in natura, economici e biodegradabili, così come
materiali riciclati, per mitigare l'impronta ambientale delle attuali
soluzioni.

BIOCOMPOSITI
Alleggerimento sostenibile ad alte prestazioni
o RIDUZIONE DI PESO
o COSTO PIÙ EFFICIENTE
o RIDUZIONE CO2
o SICUREZZA AUMENTATA
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1. Coltivazione e raccolta 2. Rinforzi e matrici naturali 3. Componenti

BIOCOMPOSITI
Cosa sono?
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I biocompositi possono essere definiti come materiali
in cui almeno uno dei componenti è derivato da
fonti naturali:
o polimeri derivati da fonte fossile rinforzati con
fibra naturale,
o biopolimeri rinforzati con fibra sintetica (es. vetro,
carbonio);
o biopolimeri rinforzati con fibra naturale.

BIOCOMPOSITI
Una lunga storia
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I biocompositi come materiale per la
realizzazione di componenti automobilistici
hanno radici profonde:
o Il primo tentativo di utilizzare tali materiali
nell'industria automobilistica risale al
1942, dove Henry Ford sviluppò il primo
prototipo di automobile realizzato con
fibre di canapa.
o L'auto era più leggera di oltre 450 kg di
un'auto in acciaio.
o A causa di limitazioni tecniche ed
economiche, l'auto non è stata prodotta
in serie.

HP Composites SpA, Assocompositi – Scuola estiva materiali compositi 2020 7
FIBRE
NATURALI
o Le fibre naturali rappresentano un'alternativa sostenibile alle
fibre metalliche e sintetiche essendo ecologiche, leggere,
biodegradabili, disponibili in grandi quantità e rinnovabili.
o Tali fibre presentano valori di densità minori rispetto alle fibre
di acciaio o alle fibre sintetiche come vetro, aramide e carbonio.
o Le tecnologie per il riciclaggio e lo smaltimento dei
biocompositi sono più semplici ed efficienti.
o I polimeri rinforzati con fibre naturali hanno buone proprietà
meccaniche relative, come il modulo di trazione e il modulo di
flessione, sono resistenti alla corrosione e alla fatica e
presentano una migliore finitura superficiale dei compositi in
parti stampate.
o I compositi rinforzati con fibre naturali stanno trovando sempre
più campo in applicazioni automotive come ad es. parti di
carrozzeria.
Fibra di lino 50-100 µm
Fibra carbonio 5-10 µm

Animale
Seta Lana Capelli
Piante
Corteccia
Lino
Canapa
Iuta
Ramie
Kenaf
Foglia
Sisal
Banana
Abaca
Curau
Seme
Cotone
Cocco
Palma da
olio
Legno
Legno
morbido
Legno
duro
Stelo
d’erba
Reed
canary
Paglia
Bamboo
Minerale
Basalto Altro
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FIBRE
NATURALI
o Esiste un'ampia gamma di fibre
naturali. Le fibre più interessanti per i
rinforzi compositi provengono dalle
piante, in particolare dalla corteccia,
dalle foglie e dal legno.
o Le fibre della corteccia, come il lino, la
canapa, la iuta e il kenaf, sono le più
utilizzate come rinforzi perché sono le
più lunghe e presentano la massima
resistenza e rigidità.
o Il lino e la canapa sono le più
interessanti in Europa perché sono
originari della regione.
o Il lino è ampiamente utilizzato in
applicazioni ad alte prestazioni come
quelle del motorsport.

FIBRE NATURALI
LINO
Il lino mostra una notevole resistenza, flessibilità, facilità di
lavorazione, minima tossicità, basso costo e buona disponibilità.
Il suo utilizzo porta a numerosi vantaggi sia dal punto di vista
tecnico che economico e ambientale.

COMPOSITI IBRIDI
CARBONIO-LINO
I compositi ibridi sono soluzioni efficaci per realizzare
componenti ad alte prestazioni riunendo i vantaggi dei due
materiali consentendo:
o Prestazioni uguali rispetto alla fibra di carbonio
o Riduzione di peso
o Assorbimento delle vibrazioni
o Risparmio di CO2

FIBRE NATURALI
APPLICAZIONI RACING
Le fibre naturali sono attualmente applicate con
successo in diverse applicazioni, anche del
motorsport, mostrando prestazioni eccezionali.

POLIMERI
BIO-BASED
o È possibile sintetizzare polimeri sia
termoplastici che termoindurenti partendo
da materie prime biologiche come oli vegetali,
amidi e biomasse.
o È importante sottolineare la distinzione tra
polimeri a base biologica e biodegradabili,
non tutti i polimeri a base biologica sono
biodegradabili e viceversa.
o I polimeri a base biologica presentano una
vasta gamma di comportamenti da rigidi e
fragili a flessibili e resistenti.

BIORESINE
TERMOINDURENTI
o Una vasta gamma di materiali bio possono
essere convertiti in bioresine termoindurenti
come ad esempio oli vegetali e alcool
polifurfurilico (PFA).
o Le bioresine possono essere utilizzate come
alternative sostenibili alle resine a base
fossile.
o Le bioresine termoindurenti sono
generalmente considerate non
biodegradabili.
o Le resine termoindurenti bio non risolvono
il problema del riciclo dei componenti a fine
vita.

POLIMERI
TERMOPLASTICI
o I polimeri termoplastici sono riciclabili al 100%. In
situazioni ideali, i termoplastici possono essere
ripetutamente fusi e rimodellati in nuovi prodotti.
Tuttavia, tipicamente possiedono prestazioni
meccaniche inferiori rispetto ai termoindurenti.
o Sul mercato sono presenti resine termoplastiche
progettate per la produzione di parti in composito con
proprietà meccaniche simili alle termoindurenti. Le parti
risultanti mostrano proprietà meccaniche simili ai
compositi epossidici pur presentando i principali
vantaggi: elevata resistenza agli urti, post-
termoformabilità, riciclabilità, nuove possibilità di
assemblaggio dei materiali.

POLIMERO A BASE BIO
SINTETICO
o L'obiettivo generale nello sviluppo di polimeri bio
è quello di produrre materiali derivati
interamente da fonti rinnovabili anche se ciò
non sempre è realistico.
o I polimeri rinnovabili sono attualmente molto più
costosi delle loro alternative sintetiche e le
proprietà sono tipicamente inferiori.
o L’utilizzo di resine composte da una miscela di
sostanze chimiche sia sintetiche che biologiche
risulta la strategia migliore.
o Le prestazioni delle resine sintetiche possono
essere migliorate utilizzando prodotti a base bio.
Ad esempio, la resistenza all'urto delle resine
epossidiche a base fossile può essere
notevolmente migliorata miscelandola con oli
vegetali epossidati.

CORE
NATURALI
o I materiali core, come gli honeycomb e le
schiume, sono spesso integrati nelle
strutture composite come mezzo per
aumentare significativamente la rigidità
flessionale.
o Sono disponibili diverse opzioni di bio-core.
Alcuni sono ben consolidati e sono stati
utilizzati in strutture composite
convenzionali per molti anni (ad esempio
legno di balsa), mentre altri sono materiali
emergenti.

CORE NATURALE
LEGNO
o Il legno è un materiale poroso con densità
comprese tra 200 kg/m3 e 1000 kg/m3,
costituito da cellulosa, emicellulosa e lignina. Il
suo modulo di Young varia tra 8 GPa e 16
GPa, mentre si possono ottenere valori di
resistenza a trazione compresi tra 80 MPa e
200 MPa. Nel contesto dell'ingegneria
automobilistica, queste prestazioni meccaniche
per unità di massa sono di estremo interesse.
o Come core, tende ad essere più denso di molti
honeycomb e schiume polimeriche, ma
fornisce una buona resistenza e rigidità e
un'eccellente resistenza all'impatto/
indentazione. La sua resistenza al fuoco è
superiore a molti materiali polimerici.

CORE NATURALE
SUGHERO
o Il sughero presenta una struttura a celle chiuse e
proprietà uniche come bassa densità e
conduttività termica, idrofobicità, resistenza al
fuoco e buone proprietà di isolamento.
o Gli agglomerati di sughero prodotti con resina
epossidica presentano caratteristiche a taglio
significativamente migliori, anche se confrontati
con core ad alte prestazioni, riducendo le regioni di
propagazione delle cricche. Questa importante
caratteristica li rende tra i migliori materiali
attualmente disponibili per la realizzazione di
strutture sandwich.
o Rispetto ai core ad alte prestazioni, il sughero ha
una maggiore capacità di assorbimento di energia
e, quindi, migliori proprietà di resistenza agli urti.

CORE
BIO-BASED
o La geometria a nido d’ape permette di realizzare pannelli sandwich molto
efficienti e leggeri. Spesso sono prodotti da fogli di alluminio, carta resinata o
cartone, ma possono essere realizzati anche da polimeri a base biologica.
o In commercio sono presenti anime a nido d'ape realizzate da polimeri a base
biologica al 100%. Tuttavia, le loro caratteristiche, come ad es. la
temperatura massima di esercizio, ne limita il loro campo applicativo.
o Anche gli honeycomb di carta e cartone sono a base biologica ma sono
estremamente sensibili all'umidità.
o Sono stati fatti vari tentativi per produrre schiume a base di polimeri bio ma
nessuna soluzione valida è stata ancora raggiunta.

BIOCOMPOSITI
PROCESSO PRODUTTIVO
o Le differenze estreme che esistono tra materiali naturali e
sintetici rendono l'applicazione dei metodi di produzione
tradizionali piuttosto complicata.
o Le scelte per i parametri di processo ottimali come
temperatura, pressione e tempo di stampaggio sono in
gran parte basate su esperienza, regole empiriche e
conoscenze generali raggiunte per i materiali sintetici che
sono molto diversi da quelli naturali.
o La qualità dei compositi è strettamente correlata alla
presenza di vuoti, porosità e contatto diretto tra le fibre, nel
caso dei biocompositi l'incidenza di questi difetti è
drammaticamente superiore a causa della difficile
bagnabilità delle fibre.
o La temperatura e il tempo sono parametri di processo
chiave per il controllo della degradazione termica sia delle
fibre naturali che delle matrici biobased.

BIOCOMPOSITI
VANTAGGI E PROBLEMATICHE
Vantaggi:
o basso costo,
o bassa densità,
o elevate proprietà
specifiche,
o compatibilità ambientale,
o riciclabilità,
o riduzione delle emissioni
di CO2 nell'intero ciclo di
vita.
Vantaggi – Problematiche
Problematiche:
o previsione della resistenza
strutturale sotto carico,
o incertezze sulle prestazioni a lungo
termine,
o assorbimento di umidità,
o minore resistenza al fuoco,
o proprietà meccaniche inferiori,
o variazioni delle proprietà,
o sensibilità alla temperatura e alla
radiazione UV,
o temperature di lavorazione limitate,
o maggiore dispersione del costo e
delle proprietà
o difficoltà nell'uso dei processi di
fabbricazione tradizionali.

BIOCOMPOSITI
OGGI NELL’AUTOMOTIVE
o Oggi, i biocompositi nel settore automobilistico si
riferiscono principalmente a polimeri derivati da fonte
fossile rinforzati con fibre vegetali come canapa, lino o
kenaf.
o Tipicamente utilizzati per interni ed esterni in parti non-
strutturali o semistrutturali come dashboard, pannelli
interno portiera, carrozzeria, ecc.
o Le applicazioni strutturali sono rare a causa della
resistenza tradizionalmente più bassa, della scarsa
resistenza all'umidità dei compositi con fibre naturali e
della scarsa accessibilità di materiali con qualità stabile e
affidabile.
o Negli ultimi anni, grazie al rafforzamento della filiera delle
bioindustrie, cominciano ad essere disponibili sul mercato
biomateriali con proprietà sfruttabili nell'automotive.

BIOCOMPOSITI
DESIGN
o Una possibilità per superare la limitazione di resistenza e
rigidità, senza miglioramenti nei materiali, è sfruttare il
design (ad esempio con soluzioni sandwich o ibride).
o Durante il processo di sviluppo prodotto un nuovo
approccio di pro che tenga in considerazione gli aspetti
critici di questi nuovi materiali dovrebbe essere
implementato.
o Metodi e strumenti innovativi per la progettazione
tramite simulazione numerica, test fisici e virtuali e
convalida dovrebbero essere sfruttati.
o Sfruttamento dei nuovi paradigmi di progettazione in grado
di integrare la progettazione con le considerazioni sul
riciclaggio/demanufacturing insieme ai principi di
ecodesign durante tutto il processo di sviluppo prodotto.

TECNOLOGIE
A SCARTO ZERO
o Gli sfridi/scarti di tessuto secco o
preimpregnato vergine rappresentano senza
dubbio la quota maggiore del flusso di rifiuti
derivanti dal processo di produzione dei
componenti fibro-rinforzati.
o A causa delle barriere legate ai materiali e alle
tecnologie di riciclaggio, questi scarti
terminano generalmente in discarica.
o La sfida principale per i materiali compositi è
sviluppare un modello di economia circolare
in cui sempre più rifiuti vengono riconvertiti in
materie prime utili a produrre componenti
che incorporino questi materiali di seconda
vita.
o Approcci e tecnologie a scarto zero sono
necessari per migliorare la sostenibilità
ambientale del settore dei compositi.

TAILORED FIBER
PLACEMENT
La tecnologia del Tailored Fiber Placement (TFP)
offre un nuovo approccio per ottimizzare
l'architettura delle fibre nella fabbricazione di
parti complesse e strutturali non tradizionalmente
adatte ai compositi avanzati.
o La tecnologia TFP permette di industrializzare il
processo produttivo riducendo la manodopera e
l'errore umano, rendendo il processo ripetibile e
flessibile.
o I principali vantaggi sono lo zero spreco di
materia prima, la riduzione dei costi, il
miglioramento delle prestazioni dei componenti
finali e una maggiore sostenibilità ambientale.

TAILORED FIBER PLACEMENT
TOPOLOGICAL OPTIMIZATION
o Il Tailored Fiber Placement (TFP) consente un'efficace ottimizzazione della geometria del componente.
o Riduce lo spreco di materiale posizionando le fibre solo dove serve.
o Migliora le prestazioni meccaniche del componente allineando le fibre nelle direzioni più adatte.

BIOCOMPOSITI
CONCLUSIONI
o I biocompositi presentano buone proprietà
meccaniche specifiche e buone caratteristiche
ambientali.
o Una conoscenza approfondita di questi materiali, dei
processi di fabbricazione e dei metodi di
progettazione permetterà un loro utilizzo in
applicazioni automobilistiche di massa.
o Attraverso uno sforzo di ricerca strutturato, sarà
possibile per i biocompositi sfruttare altri campi di
applicazione che non sono attualmente in uso.
o Questi nuovi materiali, insieme alle tecnologie a
scarto zero e alla corretta standardizzazione di questi
nuovi materiali, darà loro un vantaggio competitivo
rispetto ai materiali convenzionali consentendone la
più ampia diffusione.

BIOCOMPOSITI
HP COMPOSITES - MARLIC
Il progetto MARLIC - Marche Applied Research
Laboratory for Innovative Composites è
un’iniziativa, capitanata da HP Composites SpA, che
ha come obiettivi la creazione di un centro di ricerca
di eccellenza per:
o lo sviluppo, la gestione e l’esecuzione di attività di
R&S riguardanti i materiali compositi a base
biologica e le tecnologie per il demanufacturing,
o l’uso e la valorizzazione di materie prime e seconde
di origine naturale e/o di sintesi,
o la creazione di una nuova manifattura che rispetti
l’esigenza di prodotti e processi ecosostenibili
o La definizione di processi di produzione attraverso
la logica del «Demanufacturing» per la
progettazione del fine vita dei prodotti.
11.434.209 €
Budget totale di progetto
6.400.198 €
Co-finanziamento Regione Marche
27 Partners
Forte sinergia Imprese-Enti Pubblici di Ricerca

Domande?
Vincenzo Castorani
v.castorani@hpcomposites.it

Bio compositi per applicazioni automotive

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