Cosa sono i materiali compositi? Caratteristiche e proprietà

Sebbene si pensi ai compositi come materiali di ultima generazione, la loro nascita si deve anticamente allo sforzo degli uomini di inventare soluzioni che migliorassero la qualità della loro vita. Si pensi, per esempio, ai mattoni in argilla e paglia, piuttosto che alle leghe come il bronzo.

In epoca moderna, si torna a parlare di materiali compositi con l’introduzione delle prime resine fenoliche rinforzate con amianto risalente all’inizio del XX secolo, a cui fanno seguito la prima barca in vetroresina del 1942, l’introduzione delle prime fibre di boro e carbonio ad alta resistenza dei primi anni ‘60, lo sviluppo delle fibre aramidiche del 1973 da parte di Dupont ecc.

A partire dagli ultimi anni ‘70, gli investimenti tecnologici in campo aeronautico e automobilistico danno un nuovo impulso al progredire dei materiali compositi che, grazie alla nascita di nuovi materiali e all’impiego di tecnologie di fabbricazione più sofisticate, garantiscono via via prestazioni sempre più elevate.

Che cosa è un materiale composito?

Per definizione si tratta di un materiale costituito dall’unione di due o più materiali distinti in:

• Fibre
• Matrici
• Additivi

L’idea alla base dei compositi è quella di “unire le forze” di materiali con caratteristiche diverse che, presi singolarmente, non forniscono prestazioni particolari.

Lo sviluppo dei materiali compositi moderni deve il suo incremento alle sempre più spinte esigenze di svariati settori, a cominciare da quello Aerospaziale e Aeronautico, per poi passare allo Sport, al Biomeccanico fino a quello del Mobile.

Tra i materiali compositi più innovativi presenti attualmente sul mercato ci sono:

• Compositi a matrice organica (per esempio laminati e plastiche rinforzate)
• Compositi a matrice minerale (per esempio, il calcestruzzo, i compositi ceramici)
• Compositi a matrice metallica (per esempio, composti da Al/fibre di Carbonio)
• Le leghe (per esempio, acciai, leghe di Al, ottoni)

I principali costituenti dei materiali compositi a matrice organica sono la matrice e le fibre.

Le matrici sono essenzialmente:

• Resine epossidiche
• Resine poliuretaniche
• Resine poliammidiche
• Resine fenoliche.

Le fibre più usate sono:

• La fibra di vetro
• La fibra di carbonio
• Le fibre aramidiche (kevlar)
• Le fibre ceramiche.

L’unione di matrice e fibra dà origine a un materiale dalle caratteristiche meccaniche elevatissime e massa volumica decisamente bassa. Quest’ultimo aspetto non è secondario: la diminuzione delle dimensioni caratteristiche implica un miglioramento delle prestazioni meccaniche e la diminuzione della probabilità di trovare dei difetti significativi in corpi di piccole dimensioni. L’impiego delle fibre è giustificato dal fatto che molti materiali sono più resistenti sotto questa forma.

I vantaggi dei materiali compositi

E’ noto che i costi dei materiali compositi sono mediamente superiori a quelli dei materiali convenzionali, soprattutto per quelli a fibra lunga (in cui le fibre sono disposte in modo ordinato e orientato in una matrice isotropa). Nonostante ciò le aziende hanno iniziato ad utilizzarli con sempre maggiore frequenza per i diversi vantaggi che offrono:

• Leggerezza
• Resistenza
• Rigidezza
• Alta resistenza
• Versatilità di progettazione (per i sandwich e i laminati)
• Riduzione dei costi di fabbricazione
• Riduzione del peso

Nel settore dell’arredo e design, per esempio, vengono impiegati materiali compositi con matrice in resina termoindurente, che include generalmente poliestere, epoxy, estere vinile e fenoli, e rinforzo in fibra di carbonio o in fibra di vetro. Questa tipologia di materiali compositi, oltre a possedere le caratteristiche sopra elencate, si distinguono per essere:

• Ignifughi
• Antistatici o ad alta conducibilità elettrica
• Pigmentati o traslucidi
• Resistenti all’abrasione

I materiali compositi e l’industria del legno

L’industria della lavorazione del legno è un mercato caratterizzato da elevati contenuti tecnologici per assecondare le esigenze sempre più spinte degli utilizzatori finali. Per questo tra i produttori di mobili è molto diffusa la lavorazione di materiali innovativi quali i materiali no-woods e, appunto, i materiali compositi. In una recente inchiesta, propedeutica alla fiera Ligna 2019 di Hannover, è emerso che il 51% dei produttori di mobili interpellati ha ormai dimestichezza con plastiche, pannelli, materiali isolanti ed edili e, anche, con i compositi.

La richiesta di mobili e complementi di arredo sempre più personalizzati, richiede l’utilizzo di materiali molto più versatili e flessibili che mettano progettisti e designer nelle condizioni di dare vita a prodotti in linea con la moda del momento, senza scontrarsi con i limiti dei materiali disponibili. Ciò significa che i progetti devono essere adatti al processo di lavorazione del nuovo materiale, per rispettare i vincoli di fabbricazione. Per questo motivo, la sostituzione del legno con materiali compositi in alcune categorie di mobili o prodotti per l’arredamento, richiede una totale riprogettazione soprattutto nelle parti strutturali.

Questa tendenza legata all’impiego dei materiali compositi indirizza la ricerca e sviluppo anche dei fornitori di utensili per la lavorazione del legno in quanto, a fronte delle caratteristiche che abbiamo citato, questa tipologia di materiale presenta spesso delle criticità nella loro lavorazione, essendo molto abrasivo.

Come si lavorano i materiali compositi per il settore del mobile e complementi d’arredo?

Per la lavorazione dei materiali compositi sono necessari utensili dedicati, molto resistenti all’usura e con elevata durata dei taglienti. Gli utensili in diamante policristallino (PCD), per esempio, soprattutto quelli con corpo in metallo duro integrale, danno ottimi riscontri sulla qualità finale di taglio per la lavorazione di questo tipo di materiali, conferendo al prodotto finito un’ottima finitura delle superfici.

Nel settore del Mobile e Arredamento, Wirutex hi-tech tools è un punto di riferimento nello sviluppo di utensili in PCD e metallo duro dall’elevato contenuto tecnologico che ben si adattano alle moderne esigenze dei costruttori di mobili. Ti consigliamo la lettura del nostro approfondimento “I materiali compositi e l’industria del legno: LA SFIDA DEL FUTURO” dove puoi avere maggiori informazioni relative a questo settore.