La rivoluzione dei materiali

Ecco come i nuovi materiali stanno cambiando l’industria manifatturiera.

DI SANDVIK COROMANT

Fin dall’Età della pietra, del bronzo e del ferro, le innovazioni relative ai materiali hanno contribuito ad allargare gli orizzonti dell’uomo, permettendo di compiere nuove imprese e conseguire nuovi obiettivi. Nel XXI secolo settori come l’industria aerospaziale e automobilistica continuano a scavalcare tutti i confini, portando le caratteristiche dei materiali a livelli sempre più estremi.

L’uomo per sua natura cerca sempre di realizzare ciò che vorrebbe fosse possibile. L’industria automobilistica ne è un esempio perfetto. Ford aveva stilato un elenco dei materiali che si auspicava fossero impiegati nei veicoli del futuro, indicandone alcuni che avrebbero potuto contribuire a salvare vite umane.

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Nell’età moderna, anche l’industria aerospaziale guarda al futuro, ricercando materiali sempre più tenaci, leggeri e resistenti al calore, che permettano di ridurre le emissioni e i costi del carburante e di viaggiare a velocità più elevate. Finora, nel settore dell’aviazione si è puntato soprattutto sui materiali compositi. Secondo la dott.ssa Eleanor Merson, specialista nella ricerca relativa ai materiali compositi, “Trent’anni fa, solo il 5-6% di un aeroplano era costituito da compositi; oggi il 50% di un aeroplano commerciale come il Dreamliner è realizzato con materiali compositi.”

Pur avendo un peso pari a un quinto di quello dell’acciaio, i compositi a base di fibra di carbonio sono più robusti. Nel caso del Dreamliner, ad esempio, questi materiali sono stati utilizzati per realizzare le ali, la coda, i portelloni, la fusoliera e gli interni, per cui l’aereo risulta più leggero. Quando si progetta un aeromobile, bisogna prestare attenzione anche al singolo chilogrammo. Secondo gli esperti, infatti, riducendo anche solo di un chilo il peso di un aeroplano commerciale, si può ottenere una riduzione dei costi operativi dell’ordine di 2000-3000 euro l’anno.

Una Lamborghini fatta di compositi

Oggi i compositi sono sempre più diffusi: sono molto utilizzati per la costruzione di automobili, pale delle turbine eoliche e altri prodotti. La BMW i3 elettrica, ad esempio, è in gran parte realizzata con materiali compositi. Secondo BMW è proprio grazie alla leggerezza di questi materiali che il veicolo può percorrere addirittura 160 km con un’unica carica. La Veneno Roadster Lamborghini, con il suo design aggressivo, è ricca di componenti realizzati con materiali compositi, che consentono di ridurre il peso complessivo e di passare da 0 a 100 km/h in 2,9 secondi. La produzione di materiali compositi oggi è meno costosa e sono sempre più le aziende che operano in questo campo, anche se per produrre compositi a grana fine si richiedono ancora alte temperature, ambienti estremamente puliti e molta disponibilità di manodopera

“Le operazioni di taglio e soprattutto di foratura sono particolarmente difficoltose nei compositi”, spiega Merson, che si occupa di ricerca relativa a questi materiali per Sandvik Coromant.

In futuro probabilmente i compositi verranno ulteriormente rafforzati con l’aggiunta di nanofibre. Gli esperti dell’azienda chimica tedesca Alt ana AG sostengono che è possibile realizzare minuscoli nanotubi di carbonio 400 volte più robusti dell’acciaio o dell’alluminio e 20 volte più robusti delle fibre di carbonio tradizionali.

Il grafene negli smartphone

Materiali come il grafene e i quasicristalli, che sono valsi il Nobel ai loro scopritori, sono ancora più promettenti dal punto di vista della tenacità e potrebbero rivoluzionare completamente il design industriale. Tuttavia, ci vorrà probabilmente ancora molto tempo prima che questi materiali possano trovare largo impiego nell’industria.

Lo scorso anno un’azienda cinese ha incorporato dei grani di grafene nei propri telefoni cellulari per migliorarne la conduttività. I fiocchi di quasicristalli sono stati utilizzati per aumentare la durevolezza di padelle e strumenti chirurgici in metallo prodotti mediante stampaggio. Anche se all’orizzonte non ci sono grandi rivoluzioni industriali, si sta investendo molto nella ricerca relativa al grafene, che è 200 volte più robusto dell’acciaio ed è il materiale più sottile al mondo (1 milione di volte più sottile di un capello umano).

Rivestimenti più duri dell’acciaio

La PVD (Physical vapour deposition) e la CVD (Chemical vapour deposition) sono processi che permettono di applicare una pellicola estremamente sottile ma dura e resistente al calore sugli oggetti. Queste tecniche di rivestimento si sono diffuse negli anni Ottanta del secolo scorso e sono ancora ampiamente utilizzate per la produzione di dispositivi meccanici, ottici ed elettronici.

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Sandvik Coromant utilizza questi metodi per indurire la superficie dei suoi utensili con inserti. Il nucleo dell’inserto è realizzato in metallo duro, costituito principalmente da carburo di tungsteno e cobalto.

Aggiungendo uno strato dello spessore di 2-10 micron di PVD, la durata dell’inserto diventa 100 volte maggiore”, spiega il dott. Mats Ahlgren, esperto di fisica dei materiali e responsabile del reparto PVD di Sandvik Coromant. “Ma la maggiore durata non è l’unico vantaggio offerto da questi inserti: permettendo di lavorare con velocità e avanzamenti molto più elevati, infatti, consentono anche di migliorare la produttività.”

Sandvik Coromant sta attualmente conducendo ricerche per rendere il materiale ancora più tenace allo scopo di soddisfare la domanda di materiali durevoli.

Nel 2013 Sandvik Coromant ha brevettato il rivestimento CVD Inveio™ con cristalli unidirezionali, un enorme passo avanti dal punto di vista della durevolezza e della durezza.

Tecniche di riciclo che hanno dell’incredibile

Le leghe di alluminio create recentemente per l’industria automobilistica sono state studiate pensando al riciclo. La riciclabilità, infatti, è diventata uno dei fattori trainanti della produzione automobilistica. Secondo le leggi europee, tutte le automobili devono essere costruite in modo da permettere il riciclo dell’85% dei materiali.movie streaming

La sfida della riciclabilità sta favorendo lo sviluppo di soluzioni ingegnose. Ford ha iniziato a utilizzare prodotti a base di paglia di frumento e soia per la progettazione degli interni, e sta conducendo studi su plastiche a base di mais, carote e gusci di cocco. L’obiettivo dell’azienda è quello di arrivare a produrre interni biodegradabili al 100%.

“La ricerca di materiali alternativi è un percorso importante, ma è anche fondamentale studiare processi di sostituzione e riciclo efficienti dal punto di vista dei costi”, spiega la dott.ssa Anna Hultin Stigenberg, responsabile R&S di Sandvik Coromant, che fino a poco tempo fa presiedeva il comitato direttivo internazionale della Knowledge and Innovation Community dedicata alle materie prime, un’iniziativa a cui partecipano oltre 100 aziende e istituti di ricerca, finalizzata allo sviluppo di materiali sostenibili.

A livello atomico

Ma perché concentrarsi solo sui materiali esistenti? L’umanità sta sviluppando la capacità di creare materiali completamente nuovi con caratteristiche specifiche.

“Con l’aiuto dei microscopi moderni e di calcoli informatici, stiamo diventando sempre più esperti nella progettazione di nuovi materiali a livello atomico”, spiega la dottoressa Hultin Stigenberg.

Dalla fine dell’Età del ferro, conclusasi intorno al 550 a.C., non ci sono più stati periodi storici in cui un materiale abbia avuto un ruolo così dominante. Molti studiosi sostengono che viviamo nell’Età della plastica, ma in futuro la nostra epoca potrebbe davvero essere definita l’Età dei nuovi materiali, poiché le ripercussioni sullo sviluppo umano potranno essere maggiori di quanto possiamo immaginare ora.

Scarica l’edizione completa 2-2016: 

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