Applicazioni composite a matrice polimerica sugli ascensori del futuro

di Emre Köroğlu e Ali Kiliç

Questo documento è stato presentato al Simposio internazionale su ascensori e scale mobili 2022 a Barcellona, ​​Spagna.

Astratto

Una delle aree di ricerca più popolari a livello globale è quella dei materiali da costruzione innovativi. Diversi ricercatori sono particolarmente concentrati sui compositi a matrice polimerica (PMC) a causa delle loro elevate prestazioni e versatilità, che possono cambiare l'approccio ingegneristico ai sistemi di costruzione in un futuro molto prossimo. Considerando l'anno 2030 - menzionato nel tema di questo simposio - è ovvio che la nostra previsione per la prossima generazione di ascensori dovrebbe essere il prossimo futuro. Una proiezione stimata dovrebbe essere fattibile per lo sviluppo di progetti futuristici di ascensori che saranno estremamente diversi da quelli attuali nei prossimi 10 anni. Considerando la recente pandemia da un punto di vista pessimistico, 10 anni potrebbero non essere sufficienti per un cambiamento radicale nella tecnologia degli ascensori. Ma, in ogni caso, è una realtà certa per oggi e sarà lo stesso anche in futuro che ogni parte interessata del settore degli ascensori sta cercando di rendere i propri prodotti più preferiti dai propri clienti mentre cercano di ridurre il costo del loro prodotti. Secondo questa realtà, sembra possibile che nuove idee per rendere il prodotto più preferibile si trasformino in applicazione entro 10 anni. A causa del graduale aumento dell'utilizzo di materiali PMC in molti settori dell'industria, una di queste idee sarà l'uso di materiali PMC per componenti di ascensori per rendere l'ascensore più leggero, più resistente, più estetico e più efficiente dal punto di vista energetico. Pertanto, in questo articolo, verranno discussi i tipi di materiali compositi, i metodi di produzione idonei con materiali compositi per parti di ascensori, i vantaggi dei materiali compositi per ascensori e le sfide delle applicazioni composite in conformità con le normative sugli ascensori. In sintesi, questo articolo fornisce informazioni soddisfacenti sulle applicazioni per ascensori dei materiali PMC che rappresentano alternative innovative per i componenti degli ascensori. 

1. introduzione

Le strutture composite sono prodotte da due o più materiali diversi senza dissolversi l'uno nell'altro. Ciò fornisce una nuova combinazione su scala macro/micro/nano in modo che mostrino proprietà superiori. I componenti sono chiamati matrice e materiale di rinforzo (fibra). La matrice tiene insieme la struttura, protegge il materiale di rinforzo e trasmette la forza applicata ai materiali di rinforzo, mentre il materiale di rinforzo (fibra) porta il carico a cui sarà esposta la struttura. Proteggendo le fibre dagli effetti corrosivi e ossidativi, il materiale della matrice può essere polimerico, metallico o ceramico, a seconda dell'area di utilizzo. Le matrici metalliche che sono resistenti all'abrasione, hanno un'elevata tenacità alla frattura e resistenza alla compressione non possono formare una buona interfaccia con ciascun componente di rinforzo, il che rende difficile la produzione.^[1,2] Le matrici ceramiche sono resistenti alle temperature estreme, alla luce, all'erosione e all'abrasione.^[2] A causa della loro durezza, sono estremamente fragili e mostrano un basso allungamento alla rottura. Pertanto, il 90% dei materiali compositi prodotti nel mondo sono a matrice polimerica.^[1] Le matrici polimeriche si dividono in due come termoindurenti o termoplastiche, in base al loro comportamento di reazione al calore. I termoindurenti sono preferiti più dei termoplastici perché sono facili da produrre e sono isotropi.^[3] La caratteristica più importante dei materiali PMC è che hanno un alto valore di resistenza specifica. I materiali compositi a matrice polimerica, che hanno un valore di elasticità specifica cinque volte superiore all'alluminio, sono preferiti alle leghe di alluminio in settori come l'automotive, l'aerospaziale e la difesa dove sono richieste sia resistenza che leggerezza. La compatibilità del PMC con molti materiali di rinforzo diversi ha anche facilitato la produzione di parti complesse.^[2] I materiali di rinforzo utilizzati con le matrici polimeriche sono generalmente fibra di vetro, carbonio o aramidica.^[4]

Esistono vari metodi di produzione compatibili con la resina termoindurente e termoplastica nella produzione di PMC. Un sistema molto basilare è la posa a mano, che si basa sulla dispersione della resina liquida con un rullo tra gli strati di rinforzo. Come secondo approccio, l'elemento di rinforzo e la resina della matrice vengono spruzzati insieme su una superficie durante la posa a spruzzo. Nel metodo dello stampaggio a compressione, si basa sulla formazione della geometria del pezzo a pressioni elevate mentre lo stampo viene compresso dalla fibra e la matrice viene posta in uno stampo aperto. Oltre a questi metodi, i metodi di infusione sotto vuoto, pultrusione e avvolgimento del filamento sono gli altri metodi preferiti. Nel metodo dell'infusione sottovuoto, la matrice fusa viene iniettata sull'elemento di rinforzo posto in uno stampo evacuato e la resina viene indurita dopo che la cavità è stata riempita. Nel metodo della pultrusione, le fibre di rinforzo vengono dapprima immerse nel bagno di resina, quindi vengono modellate nello stampo e la forma finale del profilo viene formata alle temperature di indurimento. Nel filament winding, a differenza della pultrusione, dopo il bagno di resina la resina in eccesso sulle fibre di rinforzo viene gettata via e la forma del profilo viene formata avvolgendo le fibre su un mandrino nel dispositivo di asciugatura.

2. Materiali PMC nella costruzione di ascensori

Prima di trovare una risposta a questa domanda, è necessario guardare l'argomento da una prospettiva un po' ampia e capire perché i materiali compositi sono un'alternativa ad altri materiali strutturali. In realtà, non è difficile da capire. Perché, viste le loro prestazioni, è chiaro perché i materiali compositi possano essere una seria alternativa a tanti altri materiali. I compositi a matrice polimerica (PMC) con le stesse proprietà meccaniche sono dal 60% all'80% più leggeri dell'acciaio e dal 20% al 50% più leggeri dell'alluminio.^[5,6] Queste proprietà da sole hanno reso i materiali compositi un'alternativa altamente preferita in molte applicazioni ingegneristiche. Inoltre, si ritiene che i materiali compositi forniscano vantaggi quali leggerezza, flessibilità di progettazione e durata nelle aree in cui vengono utilizzati, che faciliteranno la costruzione e aumenteranno il punteggio di sostenibilità di un edificio.^[7]

Grazie alle loro proprietà meccaniche superiori, alla flessibilità nella progettazione e alle elevate prestazioni a un costo relativamente basso, i materiali compositi sono spesso utilizzati in varie applicazioni, in particolare nei trasporti, nell'edilizia, nel settore automobilistico e aerospaziale.^[8] Il loro tasso di utilizzo aumenta di giorno in giorno, ad esempio dal 5 è stato osservato un aumento del 2015% nella crescita annuale dell'uso di materiali compositi nell'industria automobilistica.^[5,9,10] La massa di materiale composito utilizzato nell'aereo Boeing B-787 Dreamliner è circa il 50% della massa dell'intero aereo.^[11] Da una prospettiva generale, le dimensioni del mercato globale dei compositi hanno raggiunto i 1188.4 miliardi di dollari entro il 2019^[12], mentre la domanda mondiale di materiali compositi è stata di circa 22.2 miliardi di dollari nel 2015^[5,9,10], … ecc. supporta questa tesi. 

In sintesi, i dati tecnici e statistici di cui sopra indicano il fatto che i materiali compositi saranno il materiale del futuro. Pertanto, la migliore risposta alla domanda sul perché dovremmo usare i PMC negli ascensori porterà un'altra domanda: perché non usarli? Considerati gli obiettivi di alleggerimento del peso strutturale degli ascensori; puntare a garantire l'efficienza energetica riducendo il peso dei componenti in movimento; durabilità dei componenti strutturali critici essendo più resistenti alle condizioni ambientali come la corrosione; produrre abbastanza flessibile ed estetico da consentire la realizzazione di diversi progetti architettonici e quindi fare la differenza... e se dobbiamo soddisfare i criteri di resistenza meccanica mentre facciamo tutto questo, non c'è altra alternativa al materiale PMC.

Sebbene i requisiti sopra elencati sembrino arbitrari nelle condizioni odierne, saranno affrontati dall'industria degli ascensori come una necessità nel prossimo futuro. L'aumento dell'altezza degli edifici e la diversificazione delle forme degli edifici richiederanno il rinnovamento dei progetti di ascensori funzionali di oggi. Nella trasformazione che inizierà con tali requisiti, il ruolo dei materiali PMC nel settore degli ascensori sarà piuttosto ampio.

3. Applicazione di materiali PMC come componenti per ascensori

3.1. Stato dell'arte attuale

Ci sono due esempi noti in letteratura riguardanti l'uso di materiali PMC negli ascensori. Uno di questi è KONE UltraRope^®, una fune per ascensore rinforzata con fibra di carbonio, e l'altra è la cabina composita dell'ascensore progettata per il sistema di ascensore con motore lineare, MULTI sviluppato da TK Elevator (TKE). La motivazione principale in entrambe le idee di design è la stessa: leggerezza.

La fune per ascensore in plastica rinforzata con fibra di carbonio (CFRP) KONE UltraRope prodotta con il metodo della pultrusione è una sorta di materiale PMC. Quando esaminiamo le risorse sull'argomento, si vede che vengono esaminate quattro diverse formulazioni di resina epossidica e si conclude che una resina epossidica a base di anidride acida è la formulazione epossidica ottimale per la produzione di corde CFRP.^[13] Con questo prodotto, KONE è riuscita a ridurre il peso della stessa fune dell'ascensore di oltre il 50%. In un edificio alto 500 m, l'utilizzo della tecnologia convenzionale di sollevamento degli ascensori comporta lo spostamento di masse del peso di circa 27,000 kg. Riduce il peso delle masse in movimento all'interno del pozzo per un edificio alto 500 m a circa 13,000 kg. Tra le informazioni introduttive fornite da KONE sul prodotto, è stato sottolineato che questo alleggerimento consente di risparmiare tra il 15% e il 40% in termini di consumo energetico e costi operativi.^[14]

Nel sistema MULTI sviluppato da TKE, incontriamo un sistema di ascensore con un motore lineare in cui non vengono utilizzate le funi. Anche in questo caso la situazione che porta i progettisti ad utilizzare materiale PMC è la riduzione del peso della massa in movimento. Per questo, i pannelli della cabina dell'ascensore sono progettati utilizzando materiale CFRP, che è una specie di PMC. Quando si esaminano le fonti pertinenti, si vede che il peso totale della massa in movimento nel modello di ascensore in cui viene utilizzato il materiale CFRP è diminuito di circa il 40% rispetto al peso nel modello di ascensore tradizionale. La stessa fonte dice che l'alleggerimento è dell'80% se si confrontano solo i pesi delle pareti della cabina. Inoltre, è stato riferito che "il modello di ascensore progettato è stato approvato per soddisfare i criteri di resistenza e rigidità presentati nel parametro di ispezione dell'ascensore".^[15]

3.2. Il futuro delle PMC negli ascensori

Si può facilmente prevedere che ci sarà un aumento assoluto della varietà di componenti per ascensori che utilizzano PMC parallelamente all'uso diffuso di materiali compositi (in particolare PMC) in quasi tutti i settori. Mentre si prevede che nel prossimo futuro verranno utilizzati ascensori con motori lineari (i cosiddetti ascensori senza fune), è ovvio che i tradizionali ascensori a fune e idraulici continueranno ad essere installati nei nuovi edifici. Indipendentemente dal sistema di ascensori che verrà installato negli edifici nel prossimo futuro, la necessità di ridurre il peso della massa totale in movimento rimarrà un problema ingegneristico che consentirà l'emergere di idee innovative nel settore. Si pensa che i componenti su cui si concentrerà questo problema e, quindi, i componenti dell'ascensore in cui i PMC possono essere utilizzati, saranno le strutture mobili dell'ascensore come la cabina, il telaio della cabina, il telaio del contrappeso, la porta della cabina, le funi, la deflessione pulegge e freni. Tra questi componenti, la cabina, il telaio di cabina e la porta di cabina si trovano in tutti i sistemi, mentre l'utilizzo di altri componenti può variare a seconda del sistema di ascensore. Questa variabilità è riassunta in modo predittivo nella Tabella 1.

Come si evince dalla tabella, quasi tutti i componenti di ascensori mobili possono essere realizzati utilizzando materiale PMC, mentre è previsto che, a seguito dell'alleggerimento che l'utilizzo di materiale PMC creerà nell'impianto, l'utilizzo di alcuni componenti non saranno più necessari e i materiali PMC non saranno preferiti in altri. Ad esempio, quando i materiali PMC vengono utilizzati secondo la Tabella 1, l'uso della catena del bilanciere potrebbe non essere necessario in un sistema di ascensore elettrico convenzionale e il materiale del contrappeso e la carcassa del contrappeso potrebbero non essere preferiti per essere prodotti utilizzando materiali PMC, poiché il loro scopo è per creare peso. Nell'esempio di un sistema a motore lineare, la cabina e il telaio della cabina possono essere progettati come una struttura integrata e l'uso di altri componenti potrebbe non essere necessario a causa della struttura del sistema di ascensore.

Sebbene l'uso del PMC negli ascensori sia principalmente incentrato sulle parti in movimento, l'uso del PMC in altri componenti dell'ascensore, come il telaio della macchina, le rotaie e le console di collegamento delle rotaie e persino le porte di piano, può essere considerato in termini di carichi statici o condizioni ambientali come come corrosione.

3.3. Componenti per ascensori realizzati con PMC

Quando esaminiamo i metodi di produzione che utilizzano PMC termoindurenti, ci imbattiamo in cinque tecniche di base ampiamente utilizzate. Si tratta di tecniche di laminazione a mano, laminazione a spruzzo, stampaggio a trasferimento di resina, pultrusione e prepreg. Se accettiamo questi metodi di fabbricazione come lo stato dell'arte, è possibile produrre tutti i componenti specificati nella Tabella 1 con questi metodi noti. Quale tecnica di produzione verrà utilizzata può essere trovata determinando tre criteri di base relativi al componente da produrre. Il primo di questi criteri è se il componente sarà prodotto in parti o come un corpo solido, il secondo è la geometria del componente o parti del componente da produrre e l'ultimo è la prestazione meccanica attesa dal componente.

Per fabbricare componenti con materiali compositi, sarebbe opportuno valutare ogni parte in fase di progettazione considerando il metodo di produzione e progettare i componenti in base al risultato della valutazione. Ad esempio, considerando la fabbricazione del telaio della cabina di un ascensore elettrico convenzionale utilizzando materiali PMC, la prima decisione che dobbiamo prendere qui è se produrre questa struttura nel suo insieme (solido) o in parti. Non esiste una risposta assolutamente corretta a questa domanda. Quindi la risposta può variare a seconda del progetto realizzato con approcci ingegneristici. Utilizzando PMC, questa struttura può essere progettata come una struttura solida, oppure può essere pensata come un progetto simile a quello realizzato in acciaio, cioè come parti da aggiungere l'una all'altra in un secondo momento. In questo caso, se il design della carcassa è solido, il metodo di produzione sarà VARTM, in altri casi le parti prodotte separatamente saranno combinate meccanicamente o chimicamente. Il metodo di produzione di ciascuna parte che andrà a formare la carcassa può essere valutato in modo simile. Per questo esempio, la geometria di tutte le parti mostrate nella Figura 3-c e nella Figura 3-e è adatta al metodo della pultrusione. È anche possibile combinare parti prodotte con metodi diversi con leganti meccanici o chimici. 

Nella fase di decisione sul metodo di fabbricazione, le selezioni degli elementi di rinforzo e del materiale della matrice vengono effettuate simultaneamente in base ai vincoli meccanici. La fibra di carbonio o la fibra di vetro possono essere preferite come materiale di rinforzo e come matrice possono essere preferite resine epossidiche o poliestere con una miscela di vari agenti. Sebbene sia possibile decidere le preferenze dei materiali dopo le simulazioni, le selezioni effettuate con metodi sperimentali devono essere verificate per le prestazioni meccaniche desiderate. Per questo le prescrizioni predisposte per ottenere i risultati desiderati sono know-how. Se i risultati desiderati non vengono raggiunti, potrebbe essere inevitabile tornare all'inizio e rivedere il progetto del componente. Per rendere questo processo più comprensibile, è stato mostrato un diagramma di flusso in Figura 4.

3.4. Sfide dell'uso dei prodotti PMC negli ascensori

I materiali PMC sono strutture superiori che soddisfano le aspettative di prestazioni meccaniche dei settori in cui vengono utilizzati e mostrano anche prestazioni migliori del previsto in molte applicazioni. Tuttavia, a seconda del settore, le prestazioni attese dai materiali PMC potrebbero non essere solo per soddisfare i requisiti meccanici. Oltre ai requisiti meccanici, anche i parametri prestazionali determinati dalle condizioni ambientali come conducibilità elettrica, conducibilità termica, infiammabilità, riciclabilità, ecc., possono essere determinanti nell'uso dei materiali PMC. Un esempio di tale situazione si riscontra nel settore degli ascensori. La norma EN 81-20 fa riferimento alla norma EN 13501-1 e stabilisce che la struttura portante della cabina definita all'articolo 5.4.4 deve essere realizzata con materiali non infiammabili. È stato anche spiegato dal comitato CEN competente nella sezione domanda-risposta che ciò che dovrebbe essere compreso dalla struttura di supporto qui è il telaio della cabina e la piattaforma di supporto. Questa struttura, che è uno dei componenti per ascensori più idonei per l'utilizzo del materiale PMC nel sistema ascensore, sia in termini di carico a cui è esposta e, quindi, di criteri di resistenza richiesti, sia in termini di costituzione di quasi il 30% del peso totale della massa in movimento, devono essere fabbricati con materiali non infiammabili secondo la norma. È ovvio che le classi di infiammabilità definite secondo la norma EN 13501-1 non possono essere fornite con un polimero non modificato. In altre parole, se la carcassa della cabina deve essere prodotta con materiale PMC, la progettazione del materiale dovrebbe essere studiata prima della progettazione della carcassa e dovrebbe essere ottenuto il know-how che soddisferà il criterio di non infiammabilità. Secondo la letteratura, è già noto che la proprietà di non infiammabilità dei materiali PMC può essere migliorata con alcuni agenti chimici da miscelare con la resina o rivestendo la superficie di un prodotto finito. Ad esempio, è stato riportato che i risultati possono essere ottenuti con ritardanti di fiamma a base di fosfati a bassa tossicità, privi di alogeni e bassa emissività dei fumi. Tuttavia, gli effetti di tali ricette teoriche sulle proprietà meccaniche del materiale o sul processo di produzione dovrebbero essere osservati e ottimizzati nella pratica.

Oltre al costo dello sviluppo del materiale PMC in conformità con gli attuali standard degli ascensori, un'altra sfida consiste nell'applicare nella pratica processi di produzione teoricamente noti. Mentre il metodo di applicazione della tecnica relativa alla fabbricazione con PMC è chiaro in letteratura, i parametri che influenzano il processo durante l'applicazione non sono stati molto menzionati. Ad esempio, i parametri operativi del metodo di pultrusione come il numero ottimale di fibre, le fasi di instradamento delle fibre, la velocità di disegno della linea, la temperatura dello stampo, la distanza di raffreddamento, ecc., possono essere determinati solo in base ai risultati dello studio sperimentale. Non si può assumere un valore standard per questi e simili parametri operativi. La ragione principale di ciò è la differenza nelle ricette che determinano il contenuto di PMC. Il fatto che un ingrediente venga aggiunto o rimosso dalla ricetta o che la quantità proporzionale di un ingrediente esistente cambi può influenzare direttamente i parametri operativi. I possibili effetti e il processo di ottimizzazione in base alla nuova situazione sono possibili solo con metodi empirici. Inoltre, la riservatezza dell'industria dei materiali compositi e i vincoli sulla condivisione delle informazioni rendono tutti questi processi estremamente difficili.

Lavorare con i materiali PMC in generale è molto diverso dal lavorare con l'acciaio, sia in termini di progettazione che di produzione. Gli acciai hanno una struttura omogenea e si diversificano in base al loro contenuto chimico definito nelle norme e, quindi, alle loro proprietà meccaniche. L'approccio ingegneristico generale nei progetti che utilizzano l'acciaio consiste nel realizzare un progetto di parte dimensionale in sincronia con la selezione dell'acciaio di qualità appropriato in base ai requisiti di resistenza. Se i risultati ottenuti nella verifica del progetto non hanno soddisfatto le aspettative, i risultati possono essere migliorati scegliendo un altro acciaio di diversa qualità o rivedendo le dimensioni del pezzo. Tuttavia, quando si lavora con materiali compositi, il processo è leggermente diverso da questo metodo convenzionale. Prima di tutto, i materiali PMC potrebbero non essere omogenei come l'acciaio. In questo caso, il comportamento sotto carico di questa struttura non omogenea porrà un nuovo problema ingegneristico. Tuttavia, pur producendo una soluzione a questo problema, la situazione attuale può anche trasformarsi in un vantaggio. Ad esempio, nelle aree in cui la densità di carico è elevata sulla parte PMC, la resistenza locale può essere aumentata interferendo con il numero o l'orientamento delle fibre. In sintesi, un team di ingegneri con competenze nella lavorazione dell'acciaio vecchio stile dovrebbe imparare ad analizzare e trovare soluzioni a nuove situazioni che si presentano a causa della natura delle PMC.

4. conclusioni

In conclusione, i PMC come materiali del futuro, saranno utilizzati negli ascensori del futuro e possono essere considerati una previsione realistica piuttosto che un approccio utopico. Nel caso in cui questa stima venga realizzata, gli approcci ingegneristici dei produttori di componenti e sistemi che servono l'industria degli ascensori saranno diversi. Lo sviluppo di nuovi materiali PMC, la preparazione di una ricetta adatta in base alle esigenze, l'ottimizzazione dei processi di produzione secondo diverse ricette e la progettazione del sistema di ascensori completo contenente componenti PMC saranno all'ordine del giorno dei produttori di ascensori e componenti nel prossimo futuro.

Referenze

[1] Kaya A.İ., Kompozit Malzemeler ve Özellikleri, Putech & Composites, Temmuz Ağustos, 2016

[2] Özdemir B., Polimer Matrisli Kompozit Malzeme İmalatı İçin Vakum Destekli Mekanizmaların Geliştirilmesi Ve Performanslarının İncelenmesi, Tesi di laurea, 2020

[3] Itoh, M., Inoue, K., Hirayama, N., Sugimoto, M., Seguchi, T. (2002), “Fiber-Reinforced Plastics Using a New Heat-Resistant Silicon Based Polymer, Journal of Materials Science , 37 (17), 3795-3801.

[4] Advani S., Hsiao K., Tecniche di produzione per compositi a matrice polimerica (PMC), Woodhead Publishing 2012

[5] S. Mazumdar, “State of the Composites Industry”, Basalt Today, edizione 2016.

[6] Hull, D., e Clyne, TW, “1996: An Introduction to Composite Materials,” Cambridge University Press, Cambridge, UK

[7] 2021 Yılı Küresel İnşaat Pazarı Görünümü, Compositi TURCHIA, sf 35

[8] Yakout M., Elbestawi MA, "Produzione additiva di materiali compositi: una panoramica della sesta conferenza internazionale sulla tecnologia di processo di lavorazione virtuale (VMPT)", Montréal, 6 maggio-29 giugno 2

[9] C. Campbell, Materiali leggeri: ASM International, 2012.

[10] M. Zhou, R. Fleury e M. Kemp, "Ottimizzazione del composito: progressi recenti e applicazione", Altair Engineering, Inc., 2011.

[11] J. Merkisz, M. Bajerlein, "Materiali compositi utilizzati nell'industria aerospaziale", Logistyka, giugno 2011, 2829-2837.

[12] Kocaoğlu İ., Kompozit malzeme sektörü ve Türkiyenin durumu, İzmir Kalkınma Ajansı, 24 marzo 2021.

[13] Kwon, DJ, Kim, JH, Park, SM, Kwon, IJ, DeVries, KL e Park, JM, "Rilevamento dei danni, proprietà meccaniche e interfacciali delle resine adatte per la nuova fune CFRP per applicazioni di ascensori, compositi Parte B : Ingegneria,” doi:10.1016/j.compositesb.2018.08, 2016

[14] KONE Il segreto è nella corda, consultato il 21 settembre 2021 

[15] Bae, SY, Yoon, SM e Kim, YH (2020). “Uno studio sul design leggero della struttura dell'ascensore con materiali compositi, Fisica Moderna Lettere B, 34(07n09), 2040032