L’impiego dei ceramici è in continua crescita in virtù delle tipiche caratteristiche che vedono la simultaneità di leggerezza, elevate performance termomeccaniche e tribologiche, basso coefficiente di dilatazione termica e inerzia chimica, anche in condizioni di temperatura e pressioni elevate. Importanti problematiche tipiche dell’industria meccanica, delle macchine automatiche e del packaging, trovano benefici nell’utilizzo di materiali ceramici. Esempi sono l’usura delle parti in movimento a contatto fra loro, il contatto con sostanze aggressive, le elevate temperature di esercizio, la necessità di alleggerimento strutturale dei cinematismi e gli effetti dei tempi e dei costi di manutenzione sulla produttività. I ceramici innovativi sono i candidati ideali all’integrazione o alla sostituzione di altri materiali per i settori dei trasporti, delle macchine e degli impianti industriali, con lo scopo di aumentarne le prestazioni, l’efficienza e la sostenibilità.
Schema del processo di fabbricazione di componenti ceramici
La realizzazione di nuovi prodotti per il mercato e per il miglioramento dei processi produttivi, è possibile grazie all’ottimizzazione delle proprietà strutturali e/o funzionali richieste dalla specifica applicazione; tale obiettivo si raggiunge con la messa a punto dei processi di fabbricazione e con l’impiego di tecniche innovative. ENEA, presso il Laboratorio tecnologie dei materiali Faenza, possiede un consolidato know-how sulle tecnologie per la realizzazione di componenti e dispositivi in materiali ceramici avanzati. Vengono impiegati materiali differenti a seconda dello specifico campo applicativo e i materiali ceramici di riferimento sono prevalentemente: ossidi e ossidi misti (zirconia, allumina, yttrium aluminum garnet (YAG), mullite, zirconia toughened alumina (ZTA), etc.); non ossidi (carburo di silicio, carburo di zirconio, carburo di silicio/nitruro di alluminio, nitruro di alluminio, nitruro di silicio, siliciuri di molibdeno, etc.).
Il crescente interesse scientifico ed industriale per i materiali ceramici tecnici è favorito dalle loro molteplici proprietà, non riscontrabili in altri materiali I materiali ceramici tecnici avanzati sono di interesse per l’industria per: la sostituzione di altri materiali in applicazioni pre-esistenti, quando la loro introduzione permette incrementi di produttività, la risoluzione di problemi tecnici e/o vantaggi economici; lo sviluppo di prodotti o processi completamente nuovi, non realizzabili con materiali convenzionali.
Lo sviluppo di materiali ceramici innovativi, di componenti e dei relativi processi di fabbricazione, si realizza su commessa delle aziende fino alla produzione di prototipi e piccole serie dimostrative. Esempi di ambiti applicativi di interesse industriale: settore dei trasporti: componenti per sistemi frenanti, componenti per motori aeronautici settore di produzione dell’energia: componenti per turbine ... settore macchine: anelli di tenuta e dosatori per l’industria del packaging antibalistica: piastrine per giubbotti antiproiettile.
Esempi di prototipi prodotti
PROTOTIPI CERAMICI PER TURBOMOTORI AERONAUTICI
La realizzazione di pale statoriche per turbomotori aeronautici rappresenta un caso tipico in cui, per incrementare l’efficienza, diminuire i costi e l’impatto ambientale, è necessario incrementarne le temperature di lavoro. Nel caso specifico, il materiale ceramico utilizzato è il carburo di silicio (SiC), poiché tra i ceramici ha caratteristiche meccaniche e termiche che lo vedono tra i principali candidati a sostituire metalli e le loro leghe attualmente impiegate, che hanno limiti di temperatura di esercizio inferiori anche di diverse centinaia di gradi. Nel caso specifico delle pale statoriche ENEA-Faenza partendo dalla progettazione del componente ha definito le singoli fasi del processo produttivo.Parallelamente è stata effettuata anche la messa a punto delle lavorazioni meccaniche e delle finiture superficiali. I prototipi realizzati sono stati quindi caratterizzati anche tramite prove a banco in condizioni simulanti l’esercizio. La realizzazione dei prototipi ha permesso di verificare la fattibilità del processo di fabbricazione e le prestazioni dei componenti in prove simulanti l’esercizio. Nel caso specifico, il vantaggio dell’introduzione di un componente ceramico in un dispositivo, viene valutato dall’azienda anche per gli aspetti legati al trasferimento delle tecnologie di fabbricazione.
Avio spa, Consorzio CETMA
Il materiale e le tecnologie di fabbricazione sono stati ulteriormente sviluppati per altre specifiche applicazioni. Brevetto IT 0001362972 (2009) "Procedimento per la realizzazione di materiale sinterizzato a base di carburo di silicio e nitruro di alluminio" G. Magnani, L. Beaulardi.
Vedi foto file Serie prototipale/Prova a compressione del componentne