Categoria: MECCANICA

UTILIZZO DELLE FIBRE COMPOSITE NELLA REALIZZAZIONE DI COMPONENTI OTTICO – MECCANICHE DI PRECISIONE. (Seconda parte)

Soluzione: ecco come dovrà essere composto il nostro tubo per avere le caratteristiche richieste dal cliente

Che ci darà i seguenti risultati, oltre alle misure richieste:

(appena al di sopra dello standard richiesto, ma accettabili per un veicolo fuori strada)

Questo risultato si ottiene automaticamente dai programmi di calcolo in uso, a monte vi è anche la scelta del tipo di infusione del tessuto, e il tipo di resine nelle varie combinazioni. Anche i diagrammi di pre o post cottura devono essere determinati.
Parliamo finalmente di telescopi. Nella pagine precedenti si è cercato di descrivere, in modo molto sommario, quali sono i metodi e i composti che si utilizzano per la realizzazione di un manufatto in carbonio, sia tubo o barra o quel che si vuole.
Non ripetendo prestazioni e risultati di ogni metodo e composto, è utile discutere sul perché puo’ essere utile o inutile utilizzare questi materiali compositi nel settore astronomico.
Distinguiamo subito in modo chirurgico l’argomento in questione: quando serve e quando non serve un accessorio o componente per astronomia in carbonio.
I lettori avranno capito che per ottenere risultati veramente eclatanti la tecnologia non è così semplice, e soprattutto non è economica. Va considerato che questi risultati si notano anche in strumenti di dimensioni medie (dai 250 mm in su di diametro e con rapporti focale molto alti es. f15-f20). Applicare il carbonio e sfruttarne appieno le sue fantastiche proprietà obbliga anche ad usare tutto ciò che gli sta attorno, nei dovuti materiali e nelle dovute tolleranze costruttive. Sta alla furbizia del progettista equilibrare in modo corretto tutte le componenti, metalliche e composite, in modo da ottenere il massimo delle prestazioni al minor costo. Chi scrive per le proprie realizzazioni meccaniche utilizza in outsourcing un’azienda che, oltre ad una preziosa opera di consulenza, realizza esclusivamente parti meccaniche per il settore aeronautico e missilistico. Materiali, tolleranze ecc. sono ai massimi livelli ottenibili e ripetibili; tutti i pezzi vengono prodotti dal pieno e il lingotto è radiografato prima della lavorazione, cosi’ da evitare la presenza di disuniformità nel manufatto, praticamente, le tolleranze standard richieste sono entro 0,02 mm. con punti ancora più critici. I macchinari e quindi i centri di lavoro sono al top. Tecnologie che nessun e ripetiamo nessun costruttore di telescopi amatoriali può utilizzare semplicemente perché mai ammortizzabili. Ovvio ci sono costruttori di pregio che si avvicinano a questi valori, ma in definitiva per un numero limitato di pezzi, a costi forse non calcolati esattamente ( probabilmente ricaricano di molto il costo primo dello strumento), inoltre – e questo è importante – lo stesso parametro di precisione va mantenuto su tutta la struttura, cosa non facile………..il lettore si domandi perché queste precisioni spinte (almeno cosi reclamizzate) sono prettamente riservate a strumenti di dimensioni modeste, e quando queste dimensioni crescono i costi si demoltiplicano per varie volte…..quasi un esercizio tecnologico.
Domandiamoci: eseguire un pezzo a controllo numerico ha costi altissimi (disegno e preparazione CAD/CAM, attrezzatura del centro lavoro, materiale, ed in ultimo il lavoro vero e proprio, magari di pochi minuti), tali costi possono essere solo ammortizzati con la produzione in serie. Quanti produttori hanno realizzazioni in serie? O producono a controllo pochissimi pezzi (ecco il costo elevato), o moltissimi pezzi ma ad ampie tolleranze (ecco i prezzi ridicolmente bassi nei paesi di origine).
Chi scrive non vuole entrare nel dettaglio relativo ai metalli che devono accompagnare la parte in carbonio, ma occorre però sapere che le leghe di alluminio – ad esempio – sono molte, ciascuna con modelli comportamentali di varianza termica o meccanica ben precisi. Allora che senso ha utilizzare il carbonio per eliminare dilatazioni termiche del complesso ottico, abbinandolo ad una lega che forse annulla tale vantaggio? Anche qui entrano in gioco i costi: la lega di alluminio della serie 20…. è praticamente la meno adatta si usa per applicazioni di scarso valore, poi si passa alla serie 50…. che è quella di uso comune, adoperata in tutti gli strumenti commerciali (costo del lingotto circa $ 1,50 al kg.), poi la serie 60…. più pregiata ma senza determinate prestazioni (costo del lingotto circa $ 3,20 al kg.), ed in ultimo la serie 70… conosciuta come Ergal (costo del lingotto circa $ 6,50 al kg.). Il Titanio è da usare con grande parsimonia, sia perché costosissimo, ma anche perché pone seri problemi di lavorabilità se non si dispone di attrezzature appositamente pensate. Si rimanda il lettore a testi specifici su questo argomento, che forse molti farebbero bene ad approfondire. Comunque questo giustifica e spiega anche la differenza di costo tra uno strumento e l’altro, a volte non è solo la correzione ottica che “pesa” sul prezzo di vendita.
Da un qualunque trattato relativo ai metalli ricaviamo piu’ in generale:
serie 2000 (avional), il principale elemento è il rame;
serie 5000 (paraluman), il principale elemento è il magnesio;
serie 6000 (anticorodal), i principali elementi sono silicio e magnesio;
serie 7000 (ergal), i principali elementi sono lo zinco e il magnesio.
Queste poche righe ci fanno capire comunque quanto sia fondamentale la regola che TUTTO il complesso strumentale, deve seguire il medesimo standard qualitativo, altrimenti ci si carica di prestazioni che tamponano carenze e si buttano via parecchi euro…
Certamente non si vuole porre tutta l’argomentazione sotto una luce “terroristica”, secondo la quale se non si usa materiale e lavorazioni al top non si può usare il telescopio o non si avrà mai un buon telescopio. Tuttavia ripetiamo e richiamiamo l’autocostruttore su questa questione, spesso si va alla ricerca di ottiche super corrette, arrabattandosi alla bella meglio con il resto, e questa non è una buona strada da seguire. Forse un’ottica corretta a 1/6 funziona alla fin fine come una corretta a 1/8 (molto piu’ costosa), considerando gli abbinamenti meccanici e costruttivi che non ci permettono di sfruttare la seconda nel pieno delle sue potenzialità.
Per le aziende è tutto diverso: il marketing fa da padrone, cosi’ l’industrializzazione meccanica del prodotto o anche i limiti – per gli artigiani – delle proprie attrezzature.Ma torniamo al nostro composito. Abbiamo visto i metodi fondamentali che ne regolano la costruzione del manufatto, le varie caratteristiche prestazionali, le problematiche strumentali e fin dove puo’ arrivare un amatore motivato e abile nel bricolage. Quali considerazioni si possono aggiungere a quanto detto? In primo luogo il carbonio (e i suoi abbinamenti come il kevlar o il titanio) costa molto, se ci si chiede quanto possiamo dire che un metro quadrato di tessuto, avente un peso di 200 gr. e uno spessore di 0,20 mm (occhio allo spessore!) costa al dilettante oltre i 45 euro mentre all’industria circa 25 euro, quindi se vogliamo laminare un mm. avremo bisogno di 4 fogli (il resto è resina) per una spesa di 180 euro, a cui vanno sommate le resine ecc. Tutti sono in grado di calcolare il diametro di un cilindro e capire quanto carbonio ci vuole per farlo con lo spessore di 1 mm.. Ovviamente non calcolando mano d’opera ecc.
Ma il nostro telescopio in carbonio, a questo punto e con tutti questi dati, come puo’ essere progettato? Chi scrive ritiene che esistano innumerevoli combinazioni, ciascuna rispondente a precise prestazioni e che quindi occorra avere ben chiaro in mente il progetto originale.
Sia che si tratti di un sistema a traliccio totale o parziale o di un tubo completamente chiuso, queste sono le possibili varianti affrontabili :
tubo completo in lamina di carbonio,
tubo completo in lamina di carbonio con strato esterno in carbonio/kevlar;
tubo completo in carbonio interno/esterno e struttura alveolare in alluminio;
truss tube in carbonio laminare;
truss tube in carbonio/Kevlar;
tubo completo in carbonio ottenuto da un elemento tessuto tubolare (calza);
Queste sono le possibili combinazioni ancora affrontabili, escludiamo fin da ora per problematiche relative ai costi, altre configurazioni (carbonio/titanio – carbonio stampato ad alta pressione e laminato, carbonio da poltrusione, tecnica del winding, ecc.), e che comunque sono molto interessanti come esercizio tecnologico.
Per ciascuna delle nostre configurazioni avremo delle prestazioni precise che andranno a migliorare o a peggiorare il telescopio in costruzione. Diamo qualche cenno, non esaustivo ma indicativo:
TUBO COMPLETO IN LAMINA DI CARBONIO : diciamo che è indicato per tubi corti, infatti il carbonio ha come svantaggio la difficoltà a mantenere il suo asse quando il baricentro viene spostato, se non si vuole questo problema occorre tenere il tubo corto, o usare forti spessori o sistemare internamento o esteriormente dei rinforzi profilari anch’essi in carbonio. Se il nostro tubo è per un rifrattore – ad esempio – la struttura posta al suo interno per sostenere il sistema dei diaframmi, sia che si tratti di piastre metalliche incollate o di barre, si farà anche carico di mantenere l’asse centrale del tubo entro le tolleranze cercate
(0,02 mm.). Forti spessori portano a forti aumenti di costo. Così un newton ad esempio di 250 mm. foc. 1250 mm. con un tubo di 1,5 mm. è un po’…..pericoloso, se non sono previsti dei metodi di irrigidimento della struttura, il tubo non si romperà mai , ma non sarà quasi mai centrato e ortogonale con tutti gli assi anche meccanici. Si puo’ superare il problema rimanendo in spessori cosi esili utilizzando rapporti fibra/resina diversi e pressioni di lavoro delle lamine accompagnate da un diagramma termico diverso. Attenzione: un dettaglio tutt’altro che insignificante ma che comunque occorre conoscere: le resine leganti il tessuto sono prodotti che una volta terminato il loro processo sono praticamente vetrificate, qui si gioca anche il problema delle inerzie termiche relative al nostro tubo, piu’ resina vetrificata c’è sul tessuto, più esso tenderà a stabilizzarsi termicamente lentamente. E’ importante che il costruttore conosca bene questo problema e utilizzi rapporti resina/fibra adeguati, o utilizzando tessuti pre-peg in cui il rapporto è ben conosciuto e applicato in fabbrica (ci sono pre-peg che arrivano solo al 37% di resina anche se il curing termico richiesto è complesso) , o sistemi di impregnazione controllabili (rtm esempio). Non è cosa da poco, ci sono ancora artigiani che impregnano …….col pennello. Disegni particolari dentro il nostro tubo, posti a eseguire una ventilazione laminare e addossata al pannello di carbonio possono aiutare molto a superare il problema, qui occorre un po’ di fantasia e qualche prova. La bibliografia riporta che alcuni autori hanno riscontrato difficoltà nella stabilizzazione termica del proprio strumento. Questo ovviamente corrisponde al vero, ma non dimentichiamo che il fenomeno è enormemente ampliato dalla configurazione honeycomb, infatti la camera d’aria consistente tra le lamine di carbonio e la struttura alveolare sopravvive in una condizione di stasi termica propria, il che si riflette negativamente su tutta la struttura.  La problematica della flessione del tubo dal suo asse centrale viene subito evidenziata quando un costruttore di OTA pone tra la cella principale (metallica) e la parte terminale del tubo (metallica) una barra robusta anch’essa in metallo. Noi non incoraggiamo questo stratagemma in quanto annulla quasi completamente le prestazioni del carbonio, ed inoltre è indice di una semplice operazione “estetica”, qui il carbonio proprio non serve a niente.
TUBO COMPLETO IN LAMINA DI CARBONIO CON STRATO ESTERNO IN CARBONIO KEVLAR: molto spesso viene messo per fattori estetici, ma ci sono anche dei vantaggi, il primo tra tutti è quello di ridurre la fragilità (esempio urti violenti contro oggetti appuntiti…..ma non è il caso di un telescopio a meno che non caschi dal secondo piano) del nostro manufatto, il secondo è quello di ridurre il problema della scarsa stabilità sull’asse dello strumento. Il kevlar (fibra aramidica di colore giallo) è utile in tutti quei casi, ovviamente non astronomici, in cui si deve ridurre il rischio di crash catastrofici del manufatto (pale per elicottero, attrezzatura sportiva, ecc.).

Tecnica veloce:  
Resistenza agli urti = ISO 179 (KJ/m2): capacità di un materiale di assorbire l’energia al momento della sua rottura per impatto, mediante un martello a pendolo di CHARPY.

TUBO COMPLETO IN   CARBONIO INTERNO/ESTERNO E STRUTTURA ALVEOLARE IN  NOMEX: questi tubi vengono detti “Honeycomb”, proprio perché la struttura interna è simile ad un alveare, si tratta nel nostro caso di nomex, con cellette aventi 5 mm. di lato. E’ la strada più sicura ed economica da seguire per tubi tutti chiusi. Infatti la struttura alveolare impedisce qualunque flessione o torsione del tubo, si userà meno carbonio (tipicamente meno di un millimetro di lastra dentro/fuori). Insomma molto consigliato, con un’unica controindicazione che è quella immaginabile dell’inerzia termica indotta dalla camera d’aria che si forma tra le lamine e la struttura alveolare, questo differenziale di temperatura richiede tempo per essere eliminato. Esistono metodi sperimentali che possono ridurre il problema.
TRUSS TUBE IN CARBONIO LAMINARE: e qui bisogna specificare bene in carbonio laminare, il sistema winding parallelo non garantisce la giusta rigidità richiesta al profilato, per il resto un normale programma progettuale ci dirà diametri e spessori adeguati per lo strumento, conoscendo masse e misure necessarie. Sono eliminati i problemi di inerzia termica e si sfrutta al massimo il basso coefficiente di dilatazione termica del carbonio. Molto consigliato per strumenti sofisticati. Attenzione in fase di progettazione agli accoppiamenti carbonio/metallo e al tipo di colle usate (il carbonio non si potrebbe forare…..quindi in teoria, ma solo in teoria, niente viti eh!).
TRUSS TUBE IN CARBONIO/KEVLAR: puro valore estetico.
TUBO COMPLETO IN CARBONIO OTTENUTO DA UN ELEMENTO TESSUTO TUBOLARE (CALZA): questo è il principale metodo usato per i piccoli rifrattori, le ragioni sono molto semplici, si parte infatti da un tubo già costruito su apposite macchine dette “tubolari” (vengono normalmente usate nel settore tessile), se ne ottiene un tubo del diametro e della lunghezza desiderata, variando la grossezza del filo si ottiene maggiore o minore spessore dell’elemento, il tubo segue poi il processo di stampaggio e infusione essendo inserito in un’anima metallica che lo sorregge. Il problema è che oltre certi diametri non si arriva, ed inoltre ci sono forti dubbi sul come viene effettuata l’applicazione delle resine, visto che non si possono usare pre impregnati……………., lo spessore che otterremo ci deve bastare in quanto non si aggiungono tubi su tubi, al limite si può tentare di rivestire il tutto con ulteriori strati a lamina, cosi’ da aumentarne le caratteristiche.
Capito e accettato questo concetto, possiamo dire che un tubo sia tipo truss o tradizionale, offre – se eseguito a regola d’arte – prestazioni sicuramente impareggiabili rispetto ad uno metallico. In tal caso, abbinandolo a celle opportunamente studiate e ad ottiche di alta gamma, spremeremo il nostro telescopio fino ai limiti massimi. Si tratta di costruire un orologio e non una caffettiera.
Naturalmente occorre una padronanza assoluta della materia. Quanti discutono profondamente delle prestazione di un’ottica, ignorando quasi del tutto le altre argomentazioni di carattere meccanico o tessile nel nostro caso.
Questo sforzo progettuale e finanziario deve essere proporzionato alle proprie esigenze e alle proprie aspettative. Chi non ha particolari pretese o osserva saltuariamente trova sul mercato proposte piu’ che soddisfacenti a prezzi tutto sommato ancora abbordabili, oppure può pensare di autocostruirsi il proprio strumento, molti rivenditori vendono parti staccate a prezzi oramai stracciati.
Per chi invece vuole salire al top trova nei materiali compositi un valido alleato che sempre piu’ nel futuro andranno a sostituire le tradizionali leghe metalliche, cosi’ come è stato in altri settori (in aeronautica il 28-30% di una macchina è in composito) per gli innegabili vantaggi prestazionali.
Unitamente al carbonio e ai suoi derivati, trovano ampio spazio nuovi e straordinari materiali compositi, dalle prestazioni eccellenti e dai costi tutto sommato limitati. Ci si riferisce qui ai polimeri rinforzati con fibre disposte a matrice e additivati con lubrificanti allo stato solido, le prestazioni sono assimilabili in molti casi a quelle dei classici cuscinetti a sfere o a rulli, ma con minor peso, minor costo, e – a seconda del tecno polimero utilizzato – particolari efficienze.
Un classico esempio di arretratezza progettuale la troviamo, ad esempio, in molti telescopi Dobson commercializzati , ove  i costruttori si ostinano, senza motivazione apparente, ad utilizzare materiali e concetti ampiamente superati. Quasi una resistenza passiva alla evoluzione delle tecniche costruttive.
Non sono stati eseguiti test comparativi di strumenti presenti sul mercato, ma solo saggi tecnici singoli, vista la scarsità dell’offerta o la troppo diversa impostazione commerciale dell’offerta stessa (fine puramente estetico o di marketing).
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