Perché i tessuti in fibra di carbonio intrecciati a maglia con ordito multiasse sono diventati la nuova attrazione dell’«economia a bassa quota»?

Quali nuove esigenze lo sviluppo dell’economia a bassa quota pone sui materiali?

Per i droni e gli eVTOL, la ‘leggerezza’ non significa semplicemente ridurre il peso.

Ridurre il peso di un aeromobile può abbassare il consumo energetico in volo, prolungare la durata del volo e aumentare la capacità di carico utile. Di conseguenza, minimizzare il peso strutturale pur garantendo sicurezza e rigidità strutturale è sempre stata una sfida chiave nella progettazione di aeromobili a bassa quota.

Allo stesso tempo, gli aeromobili a bassa quota devono anche far fronte a condizioni di carico complesse.

Fusoliera, bracci, ali, eliche e strutture di collegamento subiscono, durante il volo, diversi tipi di carico, tra cui trazione, compressione, flessione, torsione e vibrazione.

Ciò significa che il materiale strutturale ideale deve non solo possedere elevata resistenza e rigidezza, ma deve anche poter essere progettato specificamente per adattarsi alla direzione delle forze agenti sulle diverse parti della struttura.

Questo è esattamente il punto in cui risiedono i vantaggi dei tessuti a maglia rasata in fibra di carbonio multiasse.

Che cos’è un tessuto a maglia rasata in fibra di carbonio multiasse?

A differenza delle comuni trame piane e a saia in fibra di carbonio 0°/90°, i tessuti a maglia rasata multiasse non intrecciano semplicemente le fibre.

Consente di disporre le fibre di carbonio in diverse orientazioni, ad esempio:

combinazioni di 0°, ±45° e 90°, tra le altre.

Le fibre con orientazioni diverse sopportano carichi in direzioni differenti, mentre i filati a maglia rasata fissano i singoli strati di fibre per formare un insieme unitario.

Questa struttura permette di allineare meglio l’orientamento delle fibre alle effettive condizioni di sollecitazione cui è sottoposto il prodotto.

In parole semplici:

ovunque sia necessario resistere a una forza in una determinata direzione, è possibile disporre un numero maggiore di fibre in quella direzione.

Ciò rende inoltre i tessuti in fibra di carbonio a maglia a intreccio multiassiale particolarmente adatti alle strutture di aeromobili e veicoli volanti a bassa quota, che richiedono elevate prestazioni strutturali e un peso contenuto.

Perché è particolarmente adatto ai droni?

1. Resistenza a carichi multidirezionali per soddisfare esigenze complesse di carico

I droni non sono soggetti a forze provenienti da una singola direzione.

Ad esempio, durante il volo, i bracci subiscono contemporaneamente carichi quali flessione, torsione e vibrazione.

Se si utilizzano soltanto stratificazioni di fibre unidirezionali, è difficile soddisfare i requisiti meccanici in direzioni diverse.

Al contrario, le strutture multiassiali consentono una progettazione meccanica più razionale grazie alla combinazione di fibre orientate a diversi angoli, come 0°, ±45° e 90°.

Nello specifico:

fibre a 0° sopportano principalmente carichi di trazione e compressione longitudinali;

fibre a ±45° migliorare la resistenza della struttura a carichi di taglio e torsionali;

mentre fibre a 90° contribuiscono a migliorare la stabilità laterale.

Combinando fibre con orientamenti diversi, è possibile ottenere una progettazione strutturale portante più razionale.

2. Eccellenti vantaggi nella riduzione del peso

Per gli aeromobili, anche una leggera riduzione del peso strutturale può produrre benefici prestazionali tangibili.

La fibra di carbonio possiede intrinsecamente un’elevata resistenza specifica e rigidità specifica, offrendo significativi vantaggi nel raggiungimento della leggerezza strutturale.

Inoltre, i tessuti a maglia rasata multiasse consentono di progettare l’orientamento delle fibre in base alle caratteristiche di carico del prodotto, riducendo così sovrapposizioni di materiale non necessarie pur soddisfacendo i requisiti di prestazione strutturale.

Di conseguenza, questo approccio non si limita semplicemente a ‘sostituire materiali più pesanti con materiali più leggeri’, ma rappresenta piuttosto un metodo per ottenere la leggerezza strutturale ottimizzando l’orientamento delle fibre.

Perché i tessuti a maglia a trama multidirezionale stanno attirando maggiore attenzione rispetto ai tessuti tradizionali?

Oltre alle loro proprietà meccaniche, i tessuti a maglia a trama multiasse offrono un altro vantaggio significativo: l’efficienza della posa in opera.

Nei processi tradizionali di produzione di compositi, le fibre orientate in direzioni diverse devono spesso essere tagliate e posate separatamente, prima di essere impilate in più strati secondo i requisiti di progettazione.

I tessuti a maglia a trama multiasse, invece, consentono di combinare in anticipo fibre orientate in più direzioni in un singolo materiale integrato. Ciò significa che, in alcune strutture, il numero di passaggi di posa in opera può essere ridotto, migliorando così l’efficienza del posizionamento del materiale.

Ciò è particolarmente importante per la futura produzione su larga scala di aeromobili a bassa quota.

Questo perché, con la transizione dei droni da una fase di ‘personalizzazione su piccola scala’ a una di ‘produzione su larga scala’, i materiali devono non solo soddisfare i requisiti prestazionali, ma tenere conto anche di:

efficienza produttiva, utilizzo dei materiali, stabilità del processo e costi di produzione.

Di conseguenza, il valore dei tessuti a maglia rasata multiasse in fibra di carbonio risiede non solo nelle loro ‘prestazioni del materiale’, ma anche nella loro ‘efficienza produttiva’.

In quali altri settori potrebbero essere utilizzati in futuro i tessuti a maglia rasata multiasse in fibra di carbonio?

Con il continuo sviluppo dell’economia a bassa quota, la applicazione gamma di applicazioni dei materiali multiasse in fibra di carbonio non si limita a singoli componenti.

I settori da tenere d’occhio in futuro includono:

1. Strutture della fusoliera di UAV

Utilizzati negli involucri della fusoliera, nelle strutture portanti e in altri componenti per ottenere una riduzione del peso e un rinforzo strutturale.

2. Bracci di UAV

Combinando fibre orientate in direzioni diverse, si migliora la resistenza alla flessione e alla torsione dei bracci.

3. Ali e strutture alari

L'orientamento delle fibre è progettato in base alle caratteristiche di carico delle diverse zone dell'ala per ottenere un'ottimizzazione strutturale.

4. Fusoliera e strutture portanti interne degli eVTOL

Soddisfare i requisiti complessivi degli aeromobili di grandi dimensioni in termini di elevata resistenza, costruzione leggera e stabilità strutturale.

5. Rotori e altri componenti compositi

Progettare gli strati di fibre secondo le specifiche direzioni di carico per fornire soluzioni materiali per strutture composite complesse.

Weinuo: Fornisce materiali in fibra di carbonio per aeromobili a bassa quota

In qualità di fornitore di compositi in fibra di carbonio, Weinuo offre una gamma di prodotti inclusi tessuti intrecciati in fibra di carbonio tessuti di rinforzo unidirezionali, preimpregnati, tessuti a maglia a trama multiassiale, pannelli in fibra di carbonio e componenti lavorati al CNC, possedendo capacità di lavorazione complete che spaziano dai materiali grezzi ai semilavorati.

In particolare, la linea di produzione di tessuti in fibra di carbonio multiasse a maglia rasata è in grado di fornire soluzioni materiali con diverse orientazioni delle fibre e combinazioni di grammatura per soddisfare le diverse esigenze dei clienti in termini di progettazione strutturale.

Di fronte alla rapida crescita dell’economia a bassa quota, l’innovazione nei materiali si sta affermando come fattore chiave per la riduzione del peso degli aeromobili.

In futuro, i tessuti in fibra di carbonio multiasse a maglia rasata potrebbero diventare uno dei materiali fondamentali che consentiranno a un numero sempre maggiore di aeromobili a bassa quota di ‘decollare con un carico più leggero’.