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"La moderna progettazione leggera" - base fondamentale della futura efficienza energetica

Nell'Agosto del 2009, il gabinetto federale tedesco approvò un piano nazionale di sviluppo per la mobilità elettrica che dovrebbe gettare le basi per lo sviluppo tecnologico e promuovere l'introduzione sul mercato tedesco di veicoli elettrici plug-in ed ibridi. Per sopravvivere al competitivo mercato interno, la Germania dovrà diventare il mercato leader della mobilità elettrica. In particolare, la capacità di immagazzinamento delle batterie ricaricabili richiederà un crescente impegno per mantenere ed accrescere la competitività globale dell'industria automobilistica tedesca. L'obiettivo del governo federale tedesco: un milione di veicoli elettrici in circolazione sulle strade della Germania entro il 2020.

La Fraunhofer Gesellschaft ha da tempo riconosciuto l'importanza di questo tema. In un progetto congiunto denominato "Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität" (Sistema di Ricerca sull'Elettromobilità), 33 Istituti Fraunhofer stanno cooperando per supportare efficientemente il cambiamento verso una "all-electric economy" sostenibile.

Il termine 'sistema di ricerca' cattura lo spirito del programma. Esso evidenzia che è richiesto uno sviluppo coordinato in tutti gli stadi di ricerca sulla mobilità elettrica. Ciò concerne la generazione, il trasporto e la distribuzione dell'energia lungo la rete elettrica fino al veicolo, le interfaccia fra la rete ed il veicolo, l'immagazzinamento dell'energia mediante nuovi progetti di veicoli che impieghino infrastrutture e concetti di uso e fatturazione innovativi. Solo lo sviluppo coordinato di tutte le componenti rilevanti permetterà la completa realizzazione di una società basata sulla elettromobilità.

Uno dei temi di ricerca che sono stati indicati è la progettazione leggera. In un campo di attività così innovativo come la mobilità elettrica, realizzare strutture di veicoli di minima massa è una necessità centrale per garantire  sufficienti autonomie di crociera.

Il nuovo metodo di monitoraggio strutturale automatico, Structural Health Monitoring (SHM), assume un ruolo molto importante nelle industrie di settore e nelle applicazioni di progettazione di strutture leggere. Questo metodo integra permanentemente i sensori nella struttura permettendo il monitoraggio continuo del suo stato di funzionamento. Il concetto SHM combina sensori classici ed innovativi con una infrastruttura di analisi automatizzata.

In genere, la sicurezza delle strutture leggere, ad esempio in campo aeronautico, è stata sufficientemente garantita da ispezioni manuali effettuate ad intervalli regolari. I tecnici conducono le prove nei punti critici usando procedure non distruttive. Negli intervalli fra le ispezioni non possono essere rilevati danni potenziali, e pertanto durante questo periodo d'impiego non si devono raggiungere valori critici.

Ridurre il numero di ispezioni ed aumentare gli intervalli taglia i costi di manutenzione e riparazione, tuttavia ciò comporta il sovradimensionamento dei componenti della struttura al fine di evitare potenziali cricche negli intervalli di ispezione. In questo contesto, la riduzione degli intervalli promuove la progettazione leggera, ma nel contempo incrementa i costi per la maggior frequenza delle ispezioni manuali.

Questo dilemma può essere risolto effettuando prove strutturali automatiche. Esse permettono di ridurre sia i costi che il peso. Con esse vengono impiegati sensori adeguati per registrare ed analizzare il quadro complessivo dello stato della struttura a brevi intervalli. 

HBM e Fraunhofer LBF cooperano già da tempo in questo promettente campo al fine di trovare un metodo praticabile, dato che gli estensimetri a resistenza integrabili nelle strutture (ER) e gli estensimetri ottici (EO) sono particolarmente adatti a realizzare sensori innovativi, ad esempio per le strutture in compositi di fibra. Già ora si stanno effettuando in collaborazione prove di resistenza alle vibrazioni e relative analisi con i sensori innovativi.
Per mostrare i potenziali campi di applicazione, alla Aerospace Testing Expo e Mostra dell'Aviazione di Parigi, è stata esposta un'ala mock-up strumentata con 18 estensimetri metallici e 16 estensimetri ottici.

Per il futuro, basandosi sui dati dei sensori ed usando i metodi di durabilità, dovrà essere possibile stimare il rimanente tempo operativo di una struttura che, nella sua storia individuale, è stata caricata, danneggiata e riparata. Tale valutazione dello stato della struttura servirà per pianificare i lavori di manutenzione e riparazione in modo più rapido ed affidabile.

Monitorare l'uso delle strutture leggere con sensori integrati e prendere le opportune decisioni dipende infine direttamente dalla disponibilità ed affidabilità dell'apparecchiatura di prova.  Tuttavia, l'introduzione di questa tecnologia nella produzione di serie, richiede che i processi di fabbricazione siano adattati in modo da integrare facilmente l'apparecchiatura di prova e misurazione nella struttura composita a fibre.

Lo Structural Health Monitoring in combinazione con i nuovi materiali sarà una delle future tecnologie chiave per implementare la progettazione leggera sostenibile a nello stesso tempo affidabile. Tutte le industrie che forniscono prodotti per un futuro di efficienza energetica trarranno vantaggi da questo sviluppo.