Panoramica
La tecnologia di giunzione composita è una anello critico ma relativamente debole nella progettazione e produzione di strutture composite. A causa dell'anisotropia, della fragilità e della bassa resistenza interlaminare dei compositi, la loro progettazione delle giunzioni differisce significativamente dalle strutture metalliche e richiede particolare attenzione. I principali metodi di giunzione possono essere classificati in tre gruppi:

---

1. Giunzione meccanica
Principio: Utilizza elementi di fissaggio meccanici (bulloni, viti, rivetti, ecc.) per collegare componenti composito-composito o composito-metallo, solitamente richiedendo la realizzazione di fori.

Vantaggi:
- Elevata affidabilità e ispezionabilità: le condizioni del giunto sono visibili, facilitando l'ispezione e la manutenzione.

- Capacità di trasferimento del carico: adatto per strutture portanti primarie o regioni altamente caricate.

- Requisiti di preparazione della superficie inferiori rispetto all'incollaggio.

- Meno sensibili ai fattori ambientali come umidità e temperatura.

Svantaggi:
- Concentrazione dello stress: la perforazione interrompe la continuità delle fibre e provoca una concentrazione di stress sui bordi dei fori, una delle principali cause di guasto.

- Peso aggiunto: elementi di fissaggio e rinforzi (rondelle, boccole) aumentano il peso strutturale.

- Rischio di danni: la perforazione può provocare delaminazione, distacco delle fibre o microfratture nella matrice.

- Corrosione galvanica: quando si utilizzano elementi di fissaggio in metallo con compositi in fibra di carbonio, che richiedono titanio o acciaio inossidabile più isolamento.

- Riduzione della durata della fatica a causa della concentrazione di stress sul bordo del foro.

Punti tecnici chiave:
- Selezione del fissaggio: materiale (lega di titanio, acciaio inossidabile, elementi di fissaggio compositi), tipo (bulloni Hi-Lok, rivetti ciechi, rivetti Hi-Lite), forma della testa (svasata o sporgente).

- Preparazione del foro: foratura di precisione a basso danno (punte diamantate, piastre di supporto, parametri ottimizzati), foratura laser a getto d'acqua.

- Adatto: è preferibile un accoppiamento con gioco; l'accoppiamento con interferenza può causare delaminazione.

- Controllo di coppia: controllo accurato del precarico per evitare l'allentamento o lo schiacciamento dei compositi.

- Regole di progettazione: linee guida rigorose sulla distanza dai bordi, sul passo e sulla spaziatura.

---

2. Incollaggio adesivo
Principio: Utilizza adesivi per unire insieme le parti composite.

Vantaggi:

- Nessuna concentrazione di stress: continuità della fibra mantenuta, distribuzione uniforme del carico.

- Leggero: senza elementi di fissaggio o fori, riducendo il peso complessivo.

- Eccellenti prestazioni di fatica a causa della distribuzione uniforme dello stress.

- Proprietà di tenuta e smorzamento: lo strato adesivo fornisce entrambe le cose.

- Adatto per geometrie complesse e a pareti sottili .

- Superfici lisce ed estetiche .

Svantaggi:
- Elevati requisiti di preparazione della superficie: fondamentale rimuovere agenti distaccanti e contaminanti; i trattamenti superficiali (sabbiatura, sabbiatura, pulizia con solvente, primer, plasma) sono obbligatori.
- Variabilità della forza: fortemente dipendente dalla qualità del processo (preparazione della superficie, miscelazione, polimerizzazione).
- Difficoltà di ispezionabilità e smontaggio: i giunti induriti sono difficili da valutare e rimuovere in modo non distruttivo.
- Sensibilità ambientale: le proprietà adesive si degradano in condizioni di caldo/umidità.
- Debole nei carichi di peeling e clivaggio rispetto ai carichi di taglio.
- Rigorosi requisiti di stagionatura (temperatura, pressione, tempo).

Punti tecnici chiave:
- Selezione dell'adesivo: in base alla temperatura di servizio, al tipo di carico (taglio, pelatura, trazione), alla tenacità, alle condizioni di polimerizzazione (epossidica, acrilica, poliuretanica, cianoacrilica). Adesivi in pellicola vs adesivi in pasta a seconda dell'applicazione.

- Preparazione della superficie: pietra angolare dell'affidabilità del legame, che richiede processi standardizzati.

- Progettazione congiunta: ottimizzare i carichi di taglio (giunti a sovrapposizione singola, doppia sovrapposizione, a svasatura, a gradini), ridurre al minimo le sollecitazioni di pelatura, controllare lo spessore dell'adesivo.

- Controllo del processo di polimerizzazione: temperatura, pressione, velocità di riscaldamento e tempo di permanenza precisi.

- Ispezione non distruttiva: ultrasuoni, radiografia, termografia.

---

3. Unione ibrida
Principio: Combina l'incollaggio e il fissaggio meccanico nella stessa zona di giunzione.

Vantaggi:
- Maggiore efficienza e affidabilità: l'adesivo garantisce una distribuzione uniforme del carico, gli elementi di fissaggio aggiungono una capacità di sicurezza in caso di guasto.

- Miglioramento delle prestazioni in caso di fatica: gli elementi di fissaggio arrestano la crescita delle crepe.

- Maggiore tolleranza ai danni: percorsi di carico multipli.

- Precisione ridotta dei fori di fissaggio requisiti dovuti al riempimento adesivo.

Svantaggi:
- Più pesante e più complesso rispetto ai giunti esclusivamente adesivi.

- Costi più elevati e complessità dei processi .

- Potenziali interazioni : il serraggio degli elementi di fissaggio può disturbare l'adesivo non indurito, il restringimento dell'adesivo può influire sul precarico.

Applicazioni: Giunti critici che richiedono la massima sicurezza e affidabilità, come i collegamenti tra le ali e la fusoliera degli aerei.

---

Considerazioni chiave nella progettazione di giunti compositi

- Condizioni di carico: tensione, compressione, taglio, pelatura, fatica, impatto.

- Proprietà del materiale: orientamento degli strati, sequenza di impilamento, spessore, tipo di materiali uniti (composito-composito, composito-metallo).

- Fattori ambientali: temperatura, umidità, sostanze chimiche, esposizione ai raggi UV.

- Producibilità: fattibilità, costo, ciclo produttivo.

- Ispezionabilità e manutenibilità: capacità di ispezione non distruttiva e facilità di riparazione/smontaggio.

- Peso: ridurre al minimo il peso è uno degli obiettivi principali dei materiali compositi.

- Costo: materiali, produzione, manutenzione.

- Modalità di guasto: I giunti devono essere progettati per modalità di guasto prevedibili e non catastrofiche (ad esempio, guasto dei cuscinetti dei bulloni, guasto dell'adesivo coesivo) evitando al contempo fratture fragili (ad esempio, tensione netta, delaminazione, guasto dell'adesivo interfacciale).

---

Tendenze nelle tecnologie di giunzione dei materiali compositi
- Adesivi avanzati: maggiore resistenza alla temperatura, tenacità e durevolezza; migliori metodi di trattamento superficiale (ad esempio, plasma); tecniche NDT più affidabili (onde guidate, ultrasuoni non lineari).

- Giunzione meccanica avanzata: foratura a basso danno, elementi di fissaggio compositi, elementi di fissaggio intelligenti con capacità di rilevamento.

- Ottimizzazione del giunto ibrido: studio più approfondito delle interazioni adesivo-bullone e strumenti di progettazione perfezionati.

- Strutture integrali/co-polimerizzate: riducendo la necessità di giunzioni tramite innovazioni nella progettazione e nella produzione (ad esempio, tessitura 3D, cuciture, Z-pinning).

- Simulazione numerica: modelli di elementi finiti ad alta fedeltà che catturano danni, contatti e comportamento adesivo.

- Giunti intelligenti / SHM: sensori incorporati nelle regioni articolari per il monitoraggio in tempo reale.

---

Conclusione
Non esiste un metodo di giunzione universale per i materiali compositi; la scelta dipende dai requisiti applicativi, dalle condizioni di carico, dall'ambiente, dai costi, dalla producibilità e dalle esigenze di manutenzione.

- Incollaggio adesivo offre vantaggi in termini di riduzione del peso, distribuzione dello stress e fatica, ma richiede un rigoroso controllo del processo.

- Fissaggio meccanico eccelle in affidabilità, ispezionabilità e trasferimento del carico, ma aggiunge concentrazione di stress e peso.

- Giunti ibridi combinano i vantaggi di entrambi, utilizzati in applicazioni critiche in cui i margini di sicurezza sono fondamentali.

Per progettare e applicare con successo strutture composite è fondamentale comprendere i principi, i punti di forza, i punti deboli e i requisiti tecnici di ciascun metodo.