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Il sogno di un aereo nero che vola nel cielo

Più leggera dell'alluminio e più forte dell'acciaio, la plastica rinforzata in fibra di carbonio (CFRP) è un materiale rivoluzionario che ha cambiato la produzione di nuova generazione, facendosi strada in applicazioni come le parti strutturali principali degli aerei commerciali per il trasporto passeggeri. La ricerca sulla fibra di carbonio ebbe inizio in Giappone all'inizio degli anni '60. Abbiamo intervistato Shunsaku Noda e Hiroshi Taiko, rispettivamente General Manager e Deputy General Manager della sezione Aerospace Technology, dell'ACM Technology Department di TORAY, per saperne di più sul mezzo secolo di storia della fibra di carbonio e del CFRP.

IN PRIMO PIANO

Che cos'è il CFRP?

Il CFRP è un materiale composito, a base di fibra di carbonio e resina. I materiali compositi contengono diversi ingredienti per ottenere delle proprietà rinforzate che non possono derivare da un singolo ingrediente. TORAYCA® Prepreg è utilizzato per i componenti degli aeromobili. Viene realizzato forgiando un fascio di 24.000 fibre di carbonio spesse 5 μm in una lastra, poi impregnata di una resina termoindurente come l'epossidica. La lastra viene poi stratificata e indurita, conferendo forza elevata ed elasticità alla fibra di carbonio.

La prestazione del CFRP varia significativamente in base al volume e alla disposizione delle fibre di carbonio (direzione delle fibre, struttura degli strati preimpregnati). Pertanto, è possibile realizzare un'ampia gamma di caratteristiche in base a specifici obiettivi.

Caratteristiche del CFRPÈ

• leggero e ha un peso specifico di 1,7, appena un quarto del ferro.
• La resistenza alla trazione del CFRP è elevata, pari a 7 Gpa.
• L'elasticità di trazione del CFRP ad alta intensità è pari a 630 Gpa.
• Possiede inoltre eccellente stabilità dimensionale, capacità di smorzamento delle vibrazioni, elevata conducibilità termica, non è magnetico, resiste alla corrosione e ha un'elevata resistenza alle sollecitazioni.

Processi di produzione della fibra di carbonio

1. La produzione della fibra di carbonio a base di PAN (poliacrilonitrile) comprende quattro processi:La plastica in poliacrilonitrile viene lavorata e pompata attraverso una macchina di filatura per trasformarla in fibre. 
2. Le fibre sono trattate termicamente per migliorare la resistenza al fuoco (ossidazione).
3. Le fibre vengono nuovamente riscaldate per generare la carbonizzazione.
4. La superficie viene trattata per completare il processo.

1　1950～

Nascita e sviluppi della fibra di carbonio

All'origine dello sviluppo della fibra di carbonio troviamo la lampadina, inventata da Thomas Edison e Joseph Swan alla fine del 19° secolo. Il filamento usato in quella lampadina era realizzato in fibra di bambù sottoposta a carbonizzazione: la prima fibra di carbonio al mondo. Quando il tungsteno ne prese il posto per la realizzazione del filamento interno delle lampadine, la fibra di carbonio venne gradualmente dimenticata. Negli anni '50 attirò una rinnovata attenzione quando gli Stati Uniti accelerarono la ricerca e lo sviluppo di puntali per gli iniettori dei missili, che richiedono un'elevata resistenza al calore. 

Nel frattempo, nel 1959 il dottor Akio Shindo dell'Engineering and Technology Institute di Osaka inventò un metodo di lavorazione della fibra di carbonio tramite la carbonizzazione del poliacrilonitrile (PAN). Da quel momento, la ricerca e lo sviluppo sulla fibra di carbonio, nonché la sua commercializzazione, accelerarono. La fibra di carbonio ha una grande resistenza, che la rende ideale come ingrediente per i materiali compositi. Nel 1967 Rolls-Royce, uno dei migliori produttori di motori aerospaziali al mondo, annunciò l'applicazione del CFRP ai motori a reazione. Quasi contemporaneamente, TORAY avviò lo sviluppo su larga scala della fibra di carbonio utilizzando una fibra acrilica, il TORAYLONTM. Nel 1970, TORAY acquisì un brevetto dal dottor Shindo. Al contrario della maggior parte delle imprese, che gestiscono le loro attività sulla base di previsioni della futura commerciabilità e del potenziale di vendita,  TORAY si mosse in maniera audace e,  credendo nel potenziale del CFRP, iniziò da subito a lavorare sulla sua produzione, con un investimento impensabile al giorno d'oggi.

2　1971～

La produzione della fibra di carbonio venne avviata prima di 
comprenderne appieno il potenziale

Nel 1971 TORAY avviò la produzione e la vendita di TORAYCA®300, una fibra di carbonio ad alta intensità con lavorazione PAN. Malgrado la fibra di carbonio attirasse l'attenzione in quanto materiale di nuova generazione, le sue applicazioni principali non erano ancora chiare. TORAY, 
tuttavia, decise di costruire un nuovo impianto con capacità produttiva di 12 tonnellate, il più grande mai costruito fino ad allora. Una decisione così risoluta si basava sulla convinzione degli operatori TORAY che i materiali ad elevata resistenza avrebbero un giorno riscosso una grande domanda. L'alta dirigenza sognava un aeroplano nero che svettasse in cielo, un aereo realizzato in gran parte in CFRP. Più o meno in quel periodo Rolls-Royce ebbe grandi difficoltà nello sviluppo di un motore per aerei con l'uso del CFRP.

Nel frattempo, i primi prodotti realizzati in fibra di carbonio e commercializzati da TORAY furono le canne da pesca lanciate nel 1972. Il loro peso era circa la metà rispetto alle tipologie esistenti e, sebbene relativamente costose, le loro prestazioni furono molto apprezzate dal mercato. Nello stesso anno, il golfista professionista Gay Brewer Jr. utilizzò una mazza dallo stelo nero realizzata in CFRP, e vinse il torneo Master di Taiheiyo. 

Il merito della mazza da golf a stelo nero venne rapidamente riconosciuto e i golfisti di tutto il mondo si precipitarono ad acquistarla. In seguito a ciò, il CFRP venne anche utilizzato nella produzione di racchette da tennis, che ne aumentarono ulteriormente la popolarità. Il CFRP aveva finora trovato applicazione principalmente negli sport e nelle attività ricreative. Considerato il potenziale industriale del CFRP, la distribuzione era decisamente troppo bassa.

Il punto di svolta arrivò nel 1975. La crisi petrolifera che colpì il mercato nel 1973 costrinse i produttori di aeromobili a dare priorità alla riduzione del peso delle cellule per ridurre il consumo di carburante. Rivolsero quindi l'attenzione al CFRP come materiale strutturale secondario per le parti che non influiscono direttamente sulla sicurezza del volo. Fu allora che il sogno di TORAY di vedere il CFRP applicato alla realizzazione di aeromobili si realizzò. Includendo l'applicazione del CFRP ai componenti di aeromobili Boeing e Airbus, nel 1988 la produzione complessiva della fibra di carbonio TORAYCA® aveva superato le 10.000 tonnellate. Molti produttori in paesi come l'Inghilterra o gli Stati Uniti decisero di ritirarsi dal settore del CFRP a causa della bassa redditività, mentre le società giapponesi, inclusa TORAY, che avevano valutato la tecnologia in una prospettiva a lungo termine, continuarono a lavorare allo sviluppo e alla produzione del CFRP, utilizzando fibre di carbonio ad alte prestazioni. Nel 2010, i produttori giapponesi di fibra di carbonio rappresentavano circa il 70% della quota globale.

3　1990～

Applicazione del CFRP come materiale strutturale per aeromobili

Nel 1990, il TORAYCA® preimpregnato (CFRP in lastre) fu adottato da Boeing come materiale strutturale primario per le cellule (parti importanti che influiscono direttamente sulla sicurezza), confermando così il CFRP come materiale altamente affidabile e a elevata funzionalità. La resistenza alla trazione del CFRP è superiore di 10 volte a quella del ferro, ma il suo peso è appena un quarto. Inoltre il CFRP può essere modellato in un'ampia varietà di forme. 

Nel progetto per il Boeing 787 lanciato nel 2003, il CFRP costituiva circa il 50% del peso totale dell'aeromobile, inclusa la struttura e le ali. Nel 2006, TORAY e Boeing hanno stipulato un esteso accordo a lungo termine per la fornitura del CFRP.

4　2010～

L'impiego industriale accelera la domanda di CFRP

A partire dal 2010, la domanda globale di CFRP è aumentata rapidamente per coprire un'ampia varietà di applicazioni. Oltre all'impiego negli sport e nei prodotti aeronautici, il materiale è usato in pale di turbine eoliche, soffitti, componenti di automobili come gli alberi motore, serbatoi per gas naturale e veicoli con celle a combustibile, componenti di treni ad alta velocità, alloggiamenti esterni per computer e molto altro.

Il settore dei materiali compositi in fibra di carbonio fa parte della strategia fondamentale di espansione di TORAY. Per promuovere l'uso del CFRP e far aumentare la domanda, TORAY ha investito risorse manageriali in nuovi settori di crescita come le industrie automobilistiche e aeronautiche, e in altre nuove aree. Entro il 2020, TORAY intende aumentare gli investimenti nel Nord America per espandere le proprie attività in questa regione.

Oggi la forza della fibra di carbonio è ancora un decimo del suo valore teorico, è quindi presente un vasto margine di miglioramento. Il suo costo rimane una barriera alla diffusione sul mercato; tuttavia, di pari passo alle più numerose applicazioni nell'industria delle parti di automobili, la produzione di massa potrebbe ridurre significativamente i costi e far aumentare rapidamente la domanda nel prossimo futuro.

È passato quasi mezzo secolo da quando TORAY ha avviato la prima produzione al mondo di fibra di carbonio. Ciò ha richiesto sforzi continui per un lungo periodo di tempo al fine di individuare mercati stabili. Che cosa li ha motivati? È stata la filosofia aziendale di TORAY, una continuità a lungo termine fondata sul forte desiderio dell'alta dirigenza di vedere un aereo realizzato in CFRP volare nel cielo. Il CFRP continuerà a migliorare e diventerà il materiale più avanzato e altamente funzionale disponibile per le industrie di tutto il mondo.

Una riflessione sulla storia del CFRP

Noda: Siamo lieti che i prodotti da noi sviluppati cambino il mondo in meglio, contribuendo ad esempio ridurre il consumo di carburanti nell'industria aerospaziale. Quella del CFRP è diventata per TORAY un'attività strategica in espansione, e la nostra missione è quella di accrescerla ulteriormente per fare del CFRP uno dei pilastri fondamentali dell'azienda. Rispetto alla maturità dei materiali metallici, le tipologie, le quantità e le applicazioni dei materiali compositi in fibra di carbonio non sono ancora completamente note. Crediamo tuttavia che il CFRP abbia possibilità illimitate, e continueremo a esplorarle per migliorare il mondo in cui viviamo.

Taiko:  Il mio amore giovanile per l'aviazione mi ha spinto a intraprendere una carriera che avesse a che vedere con aerei e razzi spaziali. Il mio sogno di ricercatore e sviluppatore è quello di salire un giorno a bordo di un aeroplano realizzato con materiali che io ho progettato. Il CFRP utilizzato nella produzione del Boeing 787 è stato sviluppato dallo staff senior del reparto Ricerca e sviluppo, e io sono stato coinvolto solo indirettamente. Spero un giorno di realizzare il mio sogno.