Tecnologie dei Materiali - sample

Cristiano Crosera Materiali Tecnologie dei

INTELLIGENZA ARTIFICIALE E STAMPA 3D IA

MATERIALI IN AZIONE

SICUREZZA DEI LUOGHI DI LAVORO

MATERIALI E PROVE

Cristiano Crosera Materiali Tecnologie dei

Costruire il futuro insieme

Il Gruppo Editoriale ELi

offre proposte editoriali che coprono tutti i gradi e i rami scolastici, all’insegna della qualità, del rigore e dell’innovazione.

INTELLIGENZA

ARTIFICIALE

Percorsi didattici con attività pratiche che mirano ad approfondire i principali strumenti di IA generativa per favorirne un utilizzo critico e il tool VELIA a disposizione dei docenti per personalizzare l’attività didattica.

EQUILIBRI

Progetto di ricerca costante che mira a eliminare gli stereotipi di genere nei testi scolastici ponendo particolare attenzione alla scelta dei contenuti, a una valutazione iconografica ragionata e all’utilizzo di un linguaggio testuale inclusivo.

INCLUSIONE

Sviluppo di una cultura dell’inclusione attraverso contenuti accessibili e adeguati ai diversi stili di apprendimento.

ORIENTAMENTO

Approccio educativo e formativo volto a favorire la conoscenza di sé, delle proprie attitudini e delle proprie capacità, oltre a sviluppare le competenze non cognitive e trasversali necessarie per le scelte del futuro.

EDUCAZIONE

CIVICA secondo le NUOVE Linee guida

Aggiornamento e ampliamento dei nuclei tematici attorno ai quali si articolano le competenze e gli obiettivi di apprendimento: Costituzione, Sviluppo economico e sostenibilità, Cittadinanza digitale

STEM/STEAM, CLIL

Attivazione del pensiero scientifico e computazionale, approccio interdisciplinare e laboratoriale, sviluppo della competenza multilinguistica, attraverso attività STEM, STEAM e CLIL.

DIGITALE

Acquisizione delle competenze digitali e dell’alfabetizzazione informatica come aiuto all’inclusione sociale e alla cittadinanza attiva.

EDUCAZIONE ALLE RELAZIONI

Percorsi incentrati sullo sviluppo di competenze relazionali che arricchiscono la consapevolezza del vissuto personale in relazione con la realtà circostante.

Gruppo Editoriale

ELi

Gruppo Editoriale

ELi

TECNOLOGIE DEI MATERIALI è

un corso realizzato secondo le indicazioni della didattica per competenze e della didattica inclusiva. Favorisce l’acquisizione graduale delle competenze richieste di tecnologia.

Un percorso completo e articolato per la costruzione delle competenze

In apertura di sezione, le innovazioni e le eccellenze di Materiali in azione sono argomenti di riflessione sulle realtà tecnico-scientifiche che ci circondano e sono uno stimolo per pensare al futuro mondo del lavoro.

Materiali in azione

Industria 4.0 e robotica

Vengono trattate innovazioni e le novità metodologiche dell’industria alla luce della rivoluzione informatica e dell’evoluzione dell’intelligenza artificiale, dalle nuove figure professionali all’uso di strumenti come i chatbot, la stampa 3D e la realtà aumentata.

Sicurezza

Il quadro normativo di riferimento viene trattato con cura e rigore, per evidenziare le norme attuali, la segnaletica, i dispositivi di protezione individuale e gli obblighi all’interno del luogo di lavoro e a scuola.

Ogni tipologia di materiale viene analizzata, elencando le sue caratteristiche tipiche, i suoi usi, vantaggi e svantaggi.

Attenzione ai materiali

La trattazione dei materiali viene affrontata in una visione completa, dalle caratteristiche fisiche, chimiche e tecnologiche, alle prove distruttive e non distruttive.

1.1

1.4

1.5

1.6

Proprietà dei materiali

2.1

Materiali ferrosi

5.1

5.4

5.5

Materiali non ferrosi

6.8

6.9

Acciaio verde • Alluminio: sostenibile o no? • Il riciclo delle materie plastiche • La riciclabilità del vetro • Bilancio ecologico del legno

A INDUSTRIA 4.0 SEZIONE

MATERIALI

CAPITOLO 1 industria 4.0 e robotica

VERIFICA LE CONOSCENZE

● Sviluppo moderno dell’industria

● Tecnologie digitali e futuro

● Industria di ieri, oggi e domani

● Esempi di tecnologie e materiali applicati nell’industria attuale

SVILUPPA LE ABILITÀ

● Conoscere le nuove figure professionali in azienda

● Integrare l’IA nella vita quotidiana

● Sviluppare possibili nuove applicazioni della stampa 3D e di nuovi materiali

COSTRUISCI LE COMPETENZE

● Saper creare nuove figure professionali specializzate in questi campi

● Sviluppare competenze umane come il pensiero critico, la creatività e l’intelligenza emotiva

● Saper lavorare in sinergia con le macchine

MATERIALI IN AZIONE

I materiali avanzati

I materiali avanzati sono materiali molto speciali e resistenti che vengono usati in tecnologie moderne. Possono essere fatti di metalli, ceramiche, polimeri o derivare dalle nanotecnologie. Tali materiali sono fondamentali per la stampa 4D, una nuova evoluzione della stampa 3D. La differenza con la stampa 3D è che, grazie alle loro caratteristiche, gli oggetti ottenuti con la stampa 4D possono cambiare forma nel tempo. Basta aggiungere acqua, luce o calore, e il materiale si modifica come programmato. La lettera D indica proprio l’inserimento di una nuova dimensione: il tempo. Il Politecnico di Milano ha condotto uno studio importante su questi materiali. I ricercatori hanno scoperto come controllare la formazione di pieghe nei materiali morbidi.

Questa ricerca apre la strada a nuove invenzioni: circuiti elettronici flessibili che si possono indossare, materiali intelligenti che si adattano all’ambiente, strumenti biomedici miniaturizzati dentro un microchip e perfino oggetti microscopici capaci di auto-assemblarsi

industria 4.0 e Robotica

CI OCCUPEREMO DI...

1. Industria 4.0

2. Le rivoluzioni industriali

3. Intelligenza artificiale e robotica

4. Macchine intelligenti

1.1 Industria 4.0

L’espressione “Industria 4.0” è stata usata per la prima volta nel 2011 alla Fiera di Hannover, in Germania. Con questa espressione l’Unione Europea definisce Industria 4.0 “ogni metodo di lavoro idoneo a integrare uomini, processi produttivi e macchinari”.

1.1.1 LE CARATTERISTICHE

DELL’INDUSTRIA 4.0

Industria 4.0 è un processo che scaturisce dalla quarta rivoluzione industriale e che sta portando alla produzione industriale verso la totale automatizzazione e interconnessione. Le nuove tecnologie digitali avranno un impatto profondo nell’ambito di quattro direttrici di sviluppo.

La prima riguarda l’utilizzo dei dati, la potenza di calcolo e la connettività, e si declina in big data, open data, Internet of Things, machine-to-machine e cloud computing per la centralizzazione delle informazioni e la loro conservazione.

La seconda è quella degli analytics, ossia una volta raccolti i dati, bisogna ricavarne valore. Oggi solo l’1% dei dati raccolti è utilizzato dalle imprese, che potrebbero invece ottenere vantaggi a partire dal “machine learning”, cioè dalle macchine che perfezionano la loro resa “imparando” dai dati via via raccolti e analizzati. La terza è l’interazione tra uomo e macchina, che coinvolge le interfacce “touch”, sempre più diffuse, e la realtà aumentata.

5. La stampa 3D

6. Evoluzione della stampa 3D e smart materials

7. Realtà virtuale e realtà aumentata

La quarta riguarda il settore che si occupa del passaggio dal digitale al “reale” e che comprende la manifattura additiva, la stampa 3D, la robotica, le comunicazioni, le interazioni machine-to-machine e le nuove tecnologie per immagazzinare e utilizzare l’energia in modo mirato, razionalizzando i costi e ottimizzando le prestazioni.

Le tecnologie che convenzionalmente caratterizzano Industria 4.0 sono:

■ robotica avanzata: macchine interconnesse, programmabili in poco tempo e dotate di intelligenza artificiale (IA);

■ manifattura additiva: stampa 3D, fabbricazione digitale;

■ realtà aumentata: dispositivi con cui sperimentare una realtà sovrapposta alla nostra (➜ Fig. 1);

■ integrazione orizzontale/verticale: tutti gli step che vanno dal produttore al consumatore relativi alla catena del valore comunicano tra di loro;

■ simulazione: è possibile simulare nuovi processi produttivi prima di metterli in pratica nella realtà;

■ Internet delle cose applicate all’industria: oggetti (cose) riconoscibili e intelligenti in grado di poter comunicare dati su se stessi;

■ cloud: gestione di una grande quantità di dati in rete;

■ cyber-security: garanzia di sicurezza durante le operazioni in rete e su sistemi in cloud;

■ big data e analitiche: analisi di moltissimi dati necessari alla produzione in real time di informazioni utili per ottimizzare prodotti e processi produttivi.

1.1.2 LE NUOVE FIGURE PROFESSIONALI

Le imprese incontrano crescenti difficoltà nell’individuare le competenze necessarie per Industria 4.0. Servono competenze digitali, cioè quel vasto insieme di abilità tecnologiche che consentono di individuare, valutare, utilizzare, condividere e creare contenuti grazie alle tecnologie informatiche e a Internet.

I profili professionali più richiesti in un ambito così innovativo e a elevata competenza sono i profili tecnici, che però, rispetto al passato, devono inglobare conoscenze informatiche e digitali. Si tratta perciò di professionisti che hanno seguito percorsi formativi che incrociano diverse competenze, da utilizzare in maniera integrata perché le competenze trasversali sono la risposta alle nuove esigenze professionali delle imprese.

Esaminiamo quali sono oggi i profili più richiesti.

OPERAI 4.0

Si tratta di operai impegnati in produzioni a elevato contenuto tecnologico, dove non bastano più né l’operaio generico né quello specializzato. Serve una figura professionale che si adatti a processi produttivi flessibili, con competenze tecnologiche di alto livello e trasversali.

MANUTENTORI 4.0

Manutentori che conoscano le macchine su cui operano, ma anche i dati necessari alla cosiddetta manutenzione predittiva, quella cioè che basandosi sull’osservazione di determinati parametri porta a interventi mirati prima che si verifichi il guasto vero e proprio, evitando o riducendo al minimo il fermo (➜ Fig. 2).

PROJECT MANAGER 4.0

Soggetti che hanno il compito di accompagnare impresa e forza lavoro nell’introduzione dei processi innovativi, concentrandosi su produzione e supply chain. Figura con competenze in materia di algoritmi predittivi e analisi dei big data

DATA SCIENTIST

I dati sono la nuova materia prima che si affianca alle altre materie tangibili di Industria 4.0. Una materia prima che va gestita nella sua complessità per trarne il maggior beneficio possibile in termini di produttività, attraverso la conoscenza e l’interpretazione dei numeri su prodotti, processi, mezzi di produzione, supply chain ecc.

DATA PROTECTION OFFICER

Professionisti in grado di coniugare competenze tecnologiche e legali, di mappare il percorso dei dati all’interno dei processi aziendali e gestirli nel rispetto delle disposizioni nazionali e comunitarie.

1.2 Le rivoluzioni industriali

Passiamo in rassegna le rivoluzioni industriali che hanno segnato il mondo occidentale (➜ Fig. 3).

■ La prima rivoluzione industriale parte dall’Inghilterra, un paese ricco di carbone. Per la prima volta, nel 1784, il carbone è usato come fonte di energia e nasce la macchina a vapore. La potenza prodotta dal lavoro umano o da quello animale è quindi sostituita da una nuova fonte di energia. Tale innovazione comporta numerosi cambiamenti di carattere sociale ed economico. La prima rivoluzione industriale è anche detta fase della meccanizzazione.

■ La seconda rivoluzione industriale avviene tra il 1870 e il 1878 ed è legata all’introduzione dell’energia elettrica, a cui seguirono numerose innovazioni in campo scientifico e tecnologico in tutto il mondo.

Alcune di queste sono l’invenzione della lampadina, del telefono e del cinematografo; l’estrazione del petrolio dà slancio all’industria chimica e compare la catena di montaggio cioè un sistema meccanizzato, che divideva un lavoro complesso in tanti lavori semplici. La seconda rivoluzione industriale è chiamata anche fase dell’industrializzazione

INDUSTRIA 1.0

Meccanizzazione, macchine a vapore, telai meccanici

INDUSTRIA 2.0

Lavoro e produzione di massa, energia elettrica

INDUSTRIA 3.0

Automazione, computer ed elettronica

INDUSTRIA 4.0

Utilizzo dei sistemi cyber-fisici, internet delle cose, reti digitali

■ La terza rivoluzione industriale è iniziata dopo la Seconda guerra mondiale, e ha come caratteristica principale alcune grandi scoperte scientifiche nel campo dell’industria chimica e molte innovazioni tecnologiche nel campo dell’astronautica e dell’informatica. Il cuore della terza rivoluzione industriale è l’integrazione dei computer, delle telecomunicazioni e dell’analisi dei dati nei processi di produzione industriale.

La terza rivoluzione industriale è anche chiamata fase dell’automazione.

■ La quarta rivoluzione industriale iniziata nel 2011 con una produzione industriale del tutto automatizzata e interconnessa, è denominata anche Industria 4.0. La flessibilità è stata migliorata, in modo che i produttori possano soddisfare al meglio le richieste dei clienti utilizzando la personalizzazione di massa , cercando, in definitiva, di raggiungere l’efficienza con l’impiego, in molti casi, di una sola persona. Raccogliendo più dati dal reparto di produzione e combinandoli con altri operativi dell’azienda, una fabbrica intelligente può ottenere trasparenza delle informazioni e di conseguenza prendere decisioni migliori.

La quarta rivoluzione industriale è anche chiamata fase della computerizzazione.

1.3 Intelligenza artificiale e robotica

1.3.1 INTELLIGENZA ARTIFICIALE

Per intelligenza artificiale, spesso scritta con l’acronimo IA o nella versione inglese AI (Artificial Intelligence), si intende quella branca dell’informatica che sviluppa sistemi e programmi capaci di assolvere funzioni che di norma necessiterebbero dell’intelligenza umana, come il ragionamento, la pianificazione, la creatività.

L’IA è l’abilità di una macchina di ragionare, apprendere, pianificare e creare, ossia di mostrare capacità umane. L’IA permette ai sistemi di capire l’ambiente in cui si trovano a operare, si relaziona con quello che percepisce risolvendo i problemi che incontra e agendo per un obiettivo specifico. Il computer riceve i dati raccolti dai sensori, come ad esempio i dati rac-

colti da una videocamera, li processa e infine fornisce una risposta. Inoltre, i sistemi di IA sono in grado di modificare il proprio comportamento in funzione degli effetti dovuti alle azioni precedenti, così da autoapprendere per poter fare la cosa giusta al momento giusto. Nella vita di tutti i giorni ci sono molte applicazioni che utilizzano l’IA come, ad esempio, gli acquisti in rete. L’IA fornisce suggerimenti basati su precedenti acquisti, su ricerche e su altri comportamenti dell’utente registrati online dai motori di ricerca per offrire poi risultati pertinenti. Anche i telefoni cellulari usano l’IA, quando si interrogano gli assistenti virtuali che rispondono a domande, forniscono suggerimenti e aiutano a organizzare l’agenda agli utenti. Esistono anche i software di traduzione automatica, basati su testi audio o scritti, che usano l’IA per migliorare le traduzioni o per i sottotitoli automatici dei video. Per avere l’IA si devono unire un programma informatico e un hardware, un computer oppure un robot, che ha il compito fisico di eseguire i calcoli (➜ Fig. 4).

1.3.2 I COLLABORATIVE ROBOT

I cobot (collaborative robot) sono robot particolarmente sicuri, con a bordo sensori che garantiscono la sicurezza dell’operatore. La robotica è una disciplina già in uso da molto tempo. Per molte aziende del mondo del manufacturing la robotica rappresenta la fabbrica del futuro dove la presenza umana è sempre più ridotta. La produzione sarà automatizzata, gestita via software dalla ottimizzazione del design del prodotto fino alla produzione stessa, grazie alle nuove

tecniche di additive manufacturing. Non si potrà però automatizzare ogni cosa e uscendo dal campo del manufacturing ci sono molti altri processi di lavorazione per i quali i robot possono essere di aiuto al personale umano senza sostituirlo completamente. Questa collaborazione, da cui il termine cobot, è comunque molto complessa e per questo motivo i cobot sono un settore della robotica in forte sviluppo, anche se magari meno evidente rispetto ai robot autonomi. La peculiarità dei cobot è che sono pensati per operare vicino al personale umano, cosa che rende il loro funzionamento più critico rispetto a quello dei classici robot industriali, che possono muoversi e operare senza preoccuparsi di ferire nessuno. Invece un cobot non deve correre il rischio di urtare o peggio colpire il suo collega umano e per questo è abbondantemente dotato di sensori fisici e visivi. Anche le sue superfici sono lavorate in modo da non essere pericolose o spiacevoli al tatto. Il ruolo dei robot industriali è quello di sostituire il personale umano nei compiti automatizzabili, ripetitivi e potenzialmente pericolosi. Il compito dei cobot, invece, è quello di spartirsi il lavoro con i colleghi umani: al cobot sono assegnate le mansioni pericolose o che richiedono sforzi eccessivi o ripetuti, mentre al personale umano sono assegnate quelle che richiedono decisioni o valutazioni non programmabili. Le applicazioni principali sono per ora nel campo della logistica, dell’assemblaggio di componenti e nel trasporto, ma si incominciano a vedere anche applicazioni in quei settori in cui inizialmente i cobot erano ritenuti troppo limitati, come nella saldatura (➜ Fig. 5).

1.4 Macchine intelligenti

Le prime sperimentazioni per la realizzazione di macchine intelligenti risalgono agli inizi degli anni Cinquanta del secolo scorso, quando si inizia a pensare di utilizzare i metodi probabilistici per realizzare macchine che possano prendere decisioni basandosi sul calcolo delle probabilità di accadimento di un evento. Il primo che ipotizza la necessità di algoritmi specifici per realizzare macchine in grado di apprendere è Alan Turing, oggi considerato uno dei padri dell’informatica.

1.4.1 MACHINE LEARNING

La machine learning (apprendimento automatico), è una particolare branca dell’informatica molto vicina alla branca dell’IA. Quando si parla di machine learning si intende un insieme di differenti meccanismi che permettono a una macchina intelligente di migliorare le proprie capacità e prestazioni nel tempo. La macchina, quindi, può imparare a svolgere determinati compiti migliorando, tramite l’esperienza, le proprie capacità, le proprie risposte e funzioni. Alla base dell’apprendimento automatico ci sono una serie di differenti algoritmi che, partendo da nozioni primitive, prendono una specifica decisione piuttosto che un’altra o effettuano azioni apprese nel tempo. A seconda delle modalità con cui la macchina impara e accumula dati e informazioni, si possono distinguere tre diversi sistemi di apprendimento automatico: supervisionato, non supervisionato e per rinforzo.

■ L’apprendimento supervisionato fornisce al sistema informatico della macchina modelli ed esempi che permettono di costruire un vero e proprio database di informazioni e di esperienze. Così, quando la macchina affronta un problema, attinge alle esperienze presenti nel proprio sistema, analizzandole e decidendo la risposta da dare sulla base di esperienze già codificate. Questi tipi di algoritmi sono utilizzati anche in settori come quello medico e quello di identificazione vocale.

■ L’ apprendimento non supervisionato prevede che la macchina attinga a determinate informazioni senza avere alcun esempio del loro utilizzo e, quindi, senza conoscere i risultati attesi a seconda della scelta effettuata. Sarà la macchina stessa a catalogare tutte le informazioni in proprio possesso, a organizzarle, a imparare il loro signi-

ficato, il loro utilizzo e, soprattutto, il risultato atteso. Questo tipo di apprendimento permette alla macchina maggiore libertà di scelta, dovrà organizzare le informazioni in modo intelligente e imparare quali sono i risultati migliori per le diverse situazioni che si presentano.

■ L’apprendimento per rinforzo prevede che la macchina possieda sistemi e strumenti in grado di migliorare il proprio apprendimento e di comprendere le caratteristiche dell’ambiente circostante. Alla macchina sono forniti una serie di elementi di supporto, come sensori, telecamere, GPS ecc., che permettono di rilevare quanto avviene nei dintorni ed effettuare scelte per un migliore adattamento all’ambiente. Questo tipo di apprendimento è ancora in fase sperimentale ed è tipico delle auto senza pilota (➜ Fig. 6), che sono in grado di percorrere strade trafficate, riconoscere eventuali ostacoli e molto altro.

1.4.2 LE CHATBOT

La proliferazione delle chat e della messaggistica ha favorito il fenomeno chatbot, cioè un software che, attraverso l’uso di algoritmi, simula ed elabora le conversazioni umane, scritte o parlate, consentendo agli utenti di interagire con i dispositivi digitali come se stessero comunicando con una persona reale. I chatbot possono essere semplici programmi che rispondono a una semplice query con una singola riga, oppure sistemi sofisticati come gli assistenti digitali, che apprendono e si evolvono per fornire livelli crescenti di personalizzazione quando raccolgono ed elaborano le informazioni. Le chatbot imparano dal comportamento dell’utente e forniscono conversazioni più personalizzate, interpretano ed elaborano le richieste degli utenti e danno risposte tempestive e pertinenti. Le chatbot possono essere distribuite su siti web, su Facebook Messenger, Twitter o WhatsApp.

1.4.3 PARCHEGGIO ASSISTITO DA IA

Il parcheggio assistito è un avanzato sistema di aiuto alla guida progettato per supportare il conducente al momento del parcheggio dell’auto. Per attivare il sistema basta che il guidatore prema un tasto dedicato.

Il funzionamento del parcheggio assistito si basa sull’elaborazione di dati provenienti dall’integrazione di sensori a ultrasuoni, di telecamere posizionate attorno all’auto e da sofisticati software in grado di elaborare i dati.

I sensori ad ultrasuoni installati nel paraurti del veicolo, valutano la distanza tra il veicolo ed un ostacolo. Se i sensori rilevano un ostacolo allora emettono un segnale acustico la cui frequenza aumenta all’approssimarsi dell’ostacolo, fino a diventare un suono continuo quando l’ostacolo si trova a 20 o 30 centimetri circa dal veicolo.

Il sistema rileva gli ostacoli sulla parte anteriore, sulla parte posteriore e sui lati del veicolo e si attiva solo quando il veicolo viaggia ad una velocità inferiore a irca 10 km/h (➜ Fig. 7).

Questi sensori identificano gli spazi disponibili paralleli e talvolta anche obliqui o perpendicolari rispetto alla posizione della vettura e calcolano le manovre necessarie in base alle dimensioni dell’auto; infatti l’auto è in grado di eseguire autonomamente buona parte delle manovre di parcheggio senza l’intervento diretto del conducente.

Il software di controllo prende quindi il comando del veicolo, dirigendolo esattamente nel parcheggio scelto.

Di norma l’elettronica si occupa di azionare lo sterzo, lasciando al conducente il compito di agire sul resto dei comandi. Se l’auto dispone di trasmissione automatica, il dispositivo può essere in grado di occuparsi anche di essa, anche se il conducente deve comunque vigilare sempre sulla operazione. Nelle evoluzioni più recenti e sofisticate l’intero sistema può essere governato da fuori la vettura, attraverso uno smartphone o il telecomando dell’auto stessa (➜ Fig. 8).

VANTAGGI E SVANTAGGI DEL PARCHEGGIO AUTOMATICO

Uno dei principali vantaggi del parcheggio automatico è l’assoluta precisione e sicurezza delle manovre, infatti i sensori di parcheggio continuano a monitorare l’ambiente circostante durante la manovra, rilevando eventuali ostacoli e prevenendo collisioni.

Questa caratteristica non solo protegge l’auto da danni, ma scongiura anche gli impatti con oggetti e tutela le persone intorno. Uno svantaggio può essere rappresentato dal tempo impiegato per svolgere le manovre di parcheggio. Infatti il sistema elettronico, operando con ampio margine, può impiegare più tempo per completare l’operazione rispetto ad un guidatore esperto, risultando comunque più veloce rispetto ad un guidatore alle prime armi o dotato di scarse capacità nel valutare le distanze. La stessa distinzione si può fare per l’ampiezza dello stallo da utilizzare per il parcheggio. Un conducente abile saprà infilare la vettura laddove l’elettronica non proverebbe mai nemmeno a cimentarsi.

1.5 La stampa 3D

La stampa 3D è conosciuta anche con il nome di produzione additiva ( additive manufacturing ). Il termine “additivo” infatti permette di intuire che l’oggetto che si intende produrre si ottiene depositando il materiale uno strato dopo l’altro. I materiali più comunemente utilizzati per la stampa 3D sono le leghe di plastica e il metallo, ma ultimamente è stato possibile lavorare qualsiasi tipo di materiale, dal calcestruzzo al tessuto vivente.

1.5.1 FUNZIONAMENTO DELLA STAMPANTE 3D

La parte fondamentale resta la progettazione dell’oggetto da costruire, che viene eseguita con appositi software al computer. In genere, il formato usato per salvare un progetto da stampare in 3D è il formato STL (Standard Triangulation Language To Layer), un formato che scompone il progetto in triangoli grafici. A questo punto un altro software detto slicer trasforma il file STL in un file in linguaggio macchina G-code che contiene tutti i dettagli del prodotto finale, le dimensioni dell’oggetto e i materiali da utilizzare. Il file G-code viene eseguito dalla stampante che riproduce l’oggetto. La differenza principale tra una stampante 2D ed una 3D, sta nella testina che, nel caso di una stampante 3D, è sostituita da un estrusore che, invece dell’inchiostro, come nella stampante 2D, impiega i polimeri dei materiali scelti, in forma di fili avvolti in bobine fino a 2 kg (➜ Fig. 9). I filamenti sono riscaldati, quindi fusi e stratificati ad alta temperatura fino alla fine del processo di costruzione dell’oggetto.

1.5.2 I MATERIALI

UTILIZZATI DALLA STAMPANTE 3D

TECNOLAB

Fabbricazione digitale

I materiali usati nella stampa 3D sono oggi disponibili in diverse forme, come polvere, filamenti, pallet, granuli, resine ecc., che variano a seconda dell’utilizzo che se ne deve fare. Le stampanti 3D sono utilizzate anche in campo alimentare. I materiali più usati al momento sono il cioccolato e lo zucchero, per realizzare particolari decorazioni su torte e dolci.

IL NYLON

È uno dei materiali più utilizzati nel processo di stampa 3D e può essere lavorato in due modi. Se impiegato nel processo di sinterizzazione, le particelle di polvere di nylon vengono fatte solidificare e poi sono unite mediante un raggio laser. Se impiegate nel processo FDM (Filament Deposition Manufactoring), il filamento della cartuccia viene prima fuso dall’estrusore e poi depositato strato su strato sino a costruire l’oggetto desiderato. Il nylon è flessibile e resistente, di colore bianco e quindi si presta a essere colorato prima o dopo la stampa. Inoltre, può essere mescolato con l’alluminio originando un altro materiale detto alumide

PLA (ACIDO POLILATTICO – POLILATTATO)

I vantaggi dell’uso di questo materiale riguardano la grande varietà di colori, la poca dilatazione termica, la biodegradabilità e la non emissione di odori durante la stampa. Di contro, è fragile, è sensibile all’umidità e all’invecchiamento. È uno dei materiali più diffusi grazie alla sua bassa temperatura di stampa, attorno ai 200 °C, e all’ottima resa visiva e fisica. Ammorbidendosi a temperature relativamente basse, 50-60 °C, teme però il calore che si genera, per esempio, in una vettura lasciata al sole.

ABS (ACRILONITRILE BUTADIENE STIRENE)

È il materiale con cui è iniziata la stampa 3D FDM e conta, quindi, su decine di anni di esperienze pregresse. Oltre a ciò, tra le sue qualità troviamo la robustezza; inoltre, è facile da rifinire e da lavorare anche dopo la stampa attraverso solventi e resiste bene agli agenti atmosferici.

Di contro richiede una temperatura di stampa elevata, ha un elevato ritiro durante il raffreddamento, necessita di piatto riscaldato e camera chiusa, emette odori e fumi durante la stampa. Con l’ABS si possono stampare parti adatte a un impiego pratico, come quelle di un modellino radiocomandato o elementi di un pro-

getto meccanico. È un materiale largamente utilizzato soprattutto per la produzione di oggetti duri e resistenti. Il filamento fonde a circa 250 °C prima di poter essere depositato strato su strato, per la produzione di oggetti di qualunque genere, e si trova praticamente in ogni sfumatura di colore. È un materiale riciclabile anche se non particolarmente resistente o flessibile.

L’ACCIAIO

È tra i materiali metallici più utilizzati ed è impiegato nei processi di sinterizzazione o fusione. È di color argento ma può essere rivestito con altri materiali per assumere toni dorati o bronzei. Anche oro e argento sono spesso usati nella stampa 3D per creare particolari gioielli stampati da artisti e artigiani, mentre per chi cerca la resistenza il materiale più usato e consigliato è il titanio.

1.5.3 L’ESTRUSORE DELLA STAMPANTE 3D

L’estrusore è il cuore di una stampante 3D, dal momento che si occupa delle tre fasi fondamentali nel processo di stampa:

1. il passaggio dei polimeri dal serbatoio alla fase di riscaldamento,

2. la fusione dei filamenti attraverso il riscaldatore e 3. la fuoriuscita degli stessi dall’ugello per la fabbricazione dell’oggetto.

L’estrusore, come la testina, è mobile e si muove su e giù, a destra e a sinistra.

Una bobina di filamento viene caricata nella stampante e quindi alimentata alla testa di estrusione, che è dotata di un ugello riscaldato.

Una volta che l’ugello raggiunge la temperatura desiderata, un motore guida il filamento attraverso di esso, fondendolo (➜ Fig. 10).

Filamento

Spessore filamento

Ruota dentata

Cuscinetto

Punto caldo

Motore passo-passo

Corona

Estrusore

Termistore o termocopia

Riscaldatore

Spessore di estrusione

➜ Fig. 10 • Schema di estrusore per stampante 3D.

La stampante grazie a motori passo-passo sposta la testa di estrusione, appoggiando il materiale fuso in punti precisi, dove si raffredda e si solidifica. Al termine di un livello, la piattaforma (o la struttura) di creazione si sposta verso il basso e il processo si ripete fino al completamento della parte. Dopo la stampa, la parte è di solito pronta per l’uso, ma potrebbe richiedere una post-elaborazione, come la rimozione delle strutture di supporto o la levigatura della superficie.

1.5.4 LA STAMPANTE PER CALCESTRUZZO

Una stampante 3D per calcestruzzo (cls) standard funziona in modo molto simile a una stampante FDM standard, in quanto entrambe le tecnologie sono basate sull’estrusione del materiale (➜ Fig. 11).

Il processo inizia con la creazione di un modello 3D digitale, utilizzando un software di modellazione 3D che guida l’estrusore, il quale deposita, a strati, il materiale pompato da una betoniera fino a produrre il pezzo finale.

Una tipica stampante 3D per calcestruzzo è concepita per la produzione additiva dei pezzi tramite estrusione del materiale ed è composta da un braccio robotico con un capo fissato alla testa di stampa e l’altro a una gru o a un sistema a braccio robotico simile a una gru (➜ Fig. 12).

La NASA inoltre sta studiando la possibilità di utilizzare la stampante 3D per calcestruzzo per la costruzione di edifici da adibire a basi spaziali su altri pianeti. Si tratta di inviare sulla superficie del pianeta un robot capace di mescolare i prodotti del suolo al fine di produrre in loco il calcestruzzo e poi estruderlo per la costruzione della base spaziale (➜ Fig. 13).

1.6 Evoluzione della stampa 3D e smart materials

Di norma, una stampante tridimensionale sfrutta un modello 3D disegnato al computer per sviluppare una serie di strati in sezione trasversale, che vengono poi stampati l’uno sopra l’altro per generare l’oggetto fisico. Da alcuni anni le straordinarie funzionalità della stampa 3D hanno trovato terreno fertile un po’ ovunque, dall’ambito medico a quello aerospaziale, favorendo anche la nascita di una comunità sempre più ampia di maker casalinghi.

1.6.1 LE EVOLUZIONI DELLA STAMPA 3D

LA STAMPA IN 4D

Per quanto concerne la stampa in 4D, la quarta dimensione è quella del tempo. I progetti realizzati con una stampante 4D hanno infatti la capacità di cambiare forma nel tempo (➜ Fig. 14). In pratica, un oggetto creato in 4D viene stampato come qualsiasi forma realizzata con la tecnologia 3D ma utilizzando materiali avanzati e programmabili, in grado di offrire funzionalità diverse una volta a contatto con acqua calda, luce o calore. Insomma, un oggetto in 4D cambia forma e/o comportamento nel corso del tempo. Un esempio è la valvola termostatica sviluppata da un team di ricercatori australiani, che si apre e si chiude in autonomia in funzione della temperatura dell’acqua che la lambisce.

LA STAMPA IN 5D

Quando si parla di stampa in 5D s’intende una stampante che sfrutta cinque assi diversi, creando così dei prodotti con strutture più complesse e più resistenti rispetto alle precedenti realizzate con la più diffusa stampa 3D. Con un macchinario di questa portata è possibile personalizzare il prodotto in ogni singola parte, creando anche i modelli a forma concava che precedentemente erano difficilmente realizzabili.

1.6.2 SMART MATERIALS

Gli smart materials o materiali intelligenti sono materiali dotati di proprietà che possono essere cambiate e controllate tramite degli stimoli esterni, come una forza esterna, la temperatura, l’umidità, il PH, il campo elettrico o magnetico. Ci sono molti tipi di materiali intelligenti; tra questi c’è il Nitinol, una

lega di nichel e titanio con una percentuale atomica circa uguale dei due elementi, che manifesta un’elevata biocompatibilità. L’effetto memoria di forma del Nitinol lo si può osservare attraverso un grafico ( ➜ Fig. 15): il materiale possiede un lungo tratto a comportamento elastico durante il quale può recuperare la forma originale se si smette di allungarlo. Questa caratteristica lo rende adatto per essere impiegato in strumenti di microchirurgia e chirurgia ortodontica, per attrezzature che realizzano microtagli e strumenti come frese, lime, alesatori ecc.

Solitamente uno stent, un tubicino inserito negli organi cavi come i vasi sanguigni, è realizzato in una lega metallica biocompatibile (acciaio inox, titanio ecc.) e, una volta inserito, si espande contro le pareti gonfiando un palloncino, spesso rischiando di plasticizzarlo.

Uno stent realizzato in Nitinol invece si inserisce nel vaso in forma contratta. La temperatura del corpo lo espanderà in seguito (stent autoespandibili), evitando eventuali plasticizzazioni del materiale (➜ Fig. 16).

Comportamento elastico

Allungamento

Comportamento plastico

1.7 Realtà virtuale e realtà aumentata

1.7.1 REALTÀ VIRTUALE

La realtà virtuale è la combinazione di dispositivi hardware e software che collaborano tra di loro per creare uno spazio virtuale all’interno del quale l’individuo può muoversi liberamente. L’accesso a questo mondo digitale è reso possibile dai visori VR (Virtual Reality) e dagli accessori, come guanti, scarpe e altro, sviluppati appositamente per interagire e vivere all’interno della realtà virtuale.

In questo modo si crea un mondo simulato e tridimensionale che agli occhi degli utenti appare come reale, all’interno del quale si può esplorare ogni singolo centimetro e spostarsi in ogni direzione. All’utente sarà sufficiente voltare la testa per vedere cosa accade ai suoi lati o sollevarla verso l’alto per vedere la pioggia scendere sulla propria testa. Il visore, e i software che utilizza, tengono traccia dei movimenti della testa così da adattare prospettiva e visuale alla posizione e offrire immagini realistiche.

Per una perfetta immersione nella realtà virtuale servono tre ingredienti (➜ Fig. 17):

■ un visore integrato con un display che avvolge la vista dotato di un sistema audio surround;

■ un computer, una console o uno smartphone;

■ un controller, o altro dispositivo di input, per interagire con questa nuova dimensione.

Il cervello si rende conto che è tutta una finzione, ma i sensi vengono comunque ingannati perché credono a tutto quello che vedono, che sentono e che toccano. La realtà virtuale ha però un effetto negativo sull’individuo, perché se da un lato rappresenta una sorta di evasione dalla quotidianità per ritagliarsi un luogo fantastico ai confini del mondo, dall’altro può creare dipendenza nell’individuo che vi ricorre di frequente.

1.7.2 REALTÀ AUMENTATA

La realtà virtuale e la realtà aumentata sono due cose ben distinte. I termini spesso sono erroneamente utilizzati come sinonimi perché, in entrambi i casi, si utilizzano dei visori, per alcuni versi simili. Mentre le tecnologie e i software utilizzati nella realtà virtuale permettono di immergersi in un mondo digitale che però è completamente scollegato da quello fisico esterno, nella realtà aumentata viene sovrapposto il mondo fisico a quello virtuale, fornendo, a chi usufruisce del servizio, informazioni aggiuntive relative all’ambiente che lo circonda.

I visori per la realtà aumentata sfruttano i loro sensori e la connettività alla rete per dare, ad esempio, le indicazioni su come raggiungere a piedi o in bici la piazza o la stazione ferroviaria che si stava cercando. Sfruttando ologrammi e altre animazioni grafiche, sono in grado di arricchire la realtà, aumentandola appunto, con informazioni altrimenti difficilmente reperibili (➜ Figg. 18, 19).

La realtà aumentata trova larga applicazione anche nella didattica. Molti testi scolastici sono arricchiti da animazioni e contenuti digitali che possono essere fruiti inquadrando con lo smartphone la pagina del testo.

VERIFICA LE CONOSCENZE

1. La sigla IA significa:

a Industria Aerospaziale.

b Intelligenza Artificiale.

c Informatica Aerospaziale.

d Informatica Avanzata.

2. Per machine learning si intende:

a la capacità delle macchine di apprendere per migliorare la propria prestazione.

b lo studio del funzionamento delle apparecchiature industriali.

c il mantenimento dell’efficienza di una macchina attraverso controlli da remoto.

d una forma di robotica collaborativa.

3. L’espressione “Industria 4.0” indica:

a una produzione industriale completamente automatizzata.

b la quarta rivoluzione industriale.

c l’obiettivo nazionale di quadruplicare la produzione industriale.

d l’affiancamento della tecnologia al lavoro umano.

4. La quarta direttrice di sviluppo di Industria 4.0 si occupa di:

a interazione tra uomo e macchina.

b passaggio dal digitale al reale.

c big data

d analisi dei dati.

5. La seconda rivoluzione industriale è stata caratterizzata dall’uso:

a del carbone.

b del vapore.

c del computer.

d del petrolio.

6. La differenza principale tra una stampante 3D e una 2D è:

a la grandezza.

b il peso.

c l’estrusore che sostituisce la testina a inchiostro.

d la velocità di stampa.

Test interattivi

7. Gli smart materials sono materiali:

a estrusi da una stampante 3D.

b con proprietà che reagiscono agli stimoli esterni.

c usati per le apparecchiature informatiche.

d resistenti alla trazione.

8. Per realtà aumentata si intende:

a la percezione di elementi che si aggiungono a quelli della realtà.

b la realtà che si percepisce con un visore.

c la percezione di uno spazio virtuale diverso dalla realtà che ci circonda.

d una tecnica fotografica attraverso smartphone.

9. I cobot sono:

a stampanti 5D.

b robot che collaborano con gli esseri umani per svolgere mansioni pericolose.

c strumenti della realtà virtuale.

d sistemi di comunicazione digitale.

10. Il project manager 4.0 si occupa di:

a introdurre processi innovativi e analizzare big data.

b settare il funzionamento di una macchina.

c analizzare i parametri di una macchina e prevederne i guasti.

d uniformare i processi produttivi alle disposizioni nazionali.

11. L’apprendimento per rinforzo attualmente

è sperimentato:

a nelle chatbot.

b nelle auto senza pilota.

c nei cobot.

d nei controller della realtà virtuale.

12. La stampa 3D è conosciuta anche come:

a manifattura collaborativa.

b produzione di rinforzo.

c manifattura intelligente.

d produzione additiva.

13. Per immergersi nella realtà virtuale servono:

a un computer e uno smartphone.

b un computer, un visore e un controller.

c un visore con sistema audio surround.

d uno smartphone e un controller.

B SICUREZZA SEZIONE

CAPITOLO 2 INDICAZIONI SULLA SICUREZZA DELLA PERSONA E DEI LUOGHI DI LAVORO

VERIFICA LE CONOSCENZE

● Normativa sulla sicurezza

● Applicazione della normativa nel campo della salute umana

● Applicazione della normativa nei laboratori e negli ambienti di lavoro

SVILUPPA LE ABILITÀ

● Gestire le emergenze e rispettare i ruoli

● Sviluppare consapevolezza dei rischi sul luogo di lavoro

● Conoscere le disabilità

● Conoscere rischi e pericoli e sapersi comportare

COSTRUISCI LE COMPETENZE

● Saper utilizzare i DPI

● Conoscere e interpretare la segnaletica di sicurezza

● Saper gestire un incendio con le attrezzature adeguate

● Saper scegliere correttamente le attrezzature per videoterminale MATERIALI

MATERIALI IN AZIONE

Un airbag elettronico

Il D-Air Street è un airbag elettronico per motociclisti, brevettato dall’azienda Dainese, azienda italiana famosa per l’abbigliamento da moto. Si tratta di una tecnologia brevettata pensata per l’uso su strada, senza connessione fisica alla moto. Funziona senza cavi ed è composto da due parti: il M-Kit sulla moto e il J-Kit nella giacca o nel gilet. Il M-Kit raccoglie informazioni attraverso sensori posti sulla moto e le invia alla centralina. Il J-Kit contiene gli airbag veri e propri, insieme a batterie e generatori di gas che li gonfiano. Grazie a sensori e centraline, il sistema riconosce una caduta o un impatto e fa gonfiare l’airbag in meno di 45 millisecondi Protegge zone delicate come schiena, torace, clavicole e collo, riducendo fino al 90% l’impatto rispetto a un paraschiena tradizionale. Questo progetto fa parte degli oltre 3000 progetti di innovazione per organizzazioni pubbliche e private, nazionali e internazionali curati da Cefriel, Il centro di innovazione tecnologico fondato nel 1988 per iniziativa del Politecnico di Milano e che attualmente tra i soci annovera quattro università: Politecnico di Milano, Università degli Studi di Milano, Università degli Studi di Milano-Bicocca e Università degli Studi dell’Insubria.

Indicazioni sulla sicurezza della persona e dei luoghi di lavoro

CI OCCUPEREMO DI...

1. Quadro normativo: sicurezza e salute

2. Segnaletica di sicurezza e di salute sul luogo di lavoro

3. Malattie professionali

4. Dispositivi di protezione individuale (DPI)

2.1 Quadro normativo: sicurezza e salute

2.1.1 NUOVA NORMA:

D.LGS. N. 81 DEL 9 APRILE 2008

La L. n. 123 del 3 agosto 2007 si occupa delle misure relative alla tutela della salute e della sicurezza sul lavoro e delega il Governo al riassetto e a riformare la normativa in materia. Entro nove mesi dalla data di entrata in vigore della legge devono essere emessi uno o più decreti legislativi per il riassetto e la riforma di tutte le vecchie norme vigenti in materia di salute e sicurezza dei lavoratori nei luoghi di lavoro. Ecco quindi che si promulga un Testo Unico (TU), il D.Lgs. n. 81 del 9 aprile 2008, che abroga, sostituisce e raccoglie in un unico testo tutta la precedente disciplina in materia di tutela della salute e sicurezza sul lavoro. È un tomo piuttosto corposo composto da 306 articoli, 13 titoli e 51 allegati (➜ Fig. 1). Un corretto comportamento nei luoghi di lavoro e la conoscenza dei rischi presenti può abbatterli, o almeno ridurli drasticamente, ed evitare incidenti. Soltanto una corretta informazione e formazione dei lavoratori permette loro di tutelare la propria salute. Senza un’opera di prevenzione attraverso strumenti come la valutazione dei rischi,

5. Locali di lavoro e loro caratteristiche

6. Barriere architettoniche

7. Protezione dagli incendi

8. Obblighi e responsabilità nella scuola

9. Utilizzo del videoterminale

i controlli periodici delle attrezzature e il corretto uso delle stesse, possono verificarsi incidenti. Nel migliore dei casi gli incidenti causano danni a cose, mentre nel peggiore dei casi causano danni a persone. Sulla tutela delle condizioni di lavoro, il codice civile prevede l’art. 208, che recita: l’imprenditore è tenuto ad adottare nell’esercizio dell’impresa le misure che, secondo la particolarità del lavoro, l’esperienza e la tecnica, sono necessarie a tutelare l’integrità fisica e la personalità morale dei prestatori di lavoro.

Il D.Lgs. n. 81/2008 si divide in quattro capi, ognuno dei quali si divide in sezioni. Di nostro interesse è il Capo III – Gestione della Prevenzione nei luoghi di lavoro, con le seguenti sezioni:

I – Misure di Tutela e Obblighi;

II – Valutazione dei rischi;

➜ Fig. 1 • D.Lgs. n.81 del 9 aprile 2008.

III – Servizio di Prevenzione e Protezione;

IV – Formazione Informazione e Addestramento;

V – Sorveglianza Sanitaria;

VI – Gestione delle Emergenze;

VII – Consultazione e partecipazione dei RLS;

VIII – Documentazione tecnicoamministrativa e statistiche.

Il D.Lgs. n. 81 del 9 aprile 2008 prevede delle figure chiave per la determinazione e la gestione delle attività pericolose all’interno di una attività lavorativa. Vediamo di seguito alcune definizioni utili.

1. DL (DATORE DI LAVORO = DIRIGENTE SCOLASTICO)

I suoi compiti sono:

■ valutare i rischi aziendali;

■ redigere il documento della sicurezza;

■ programmare le misure di prevenzione e protezione individuando i dispositivi di protezione individuale (DPI) da asse gnare al personale;

■ nominare il responsabile (RSPP) e gli addetti del servizio di prevenzione e protezione;

■ se serve, nominare il medico competente per il controllo sanitario, preventivo e periodico dei lavoratori.

2. DIRIGENTE

È la persona che attua le direttive del datore di lavoro organizzando l’attività lavorativa e vigilando su di essa.

3. SPP (SERVIZIO DI PREVENZIONE E PROTEZIONE)

È l’insieme delle persone, sistemi e mezzi esterni o interni all’azienda finalizzati all’attività di prevenzione e protezione dai rischi professionali per i lavoratori.

4. RSPP (RESPONSABILE DEL SERVIZIO DI PREVENZIONE E PROTEZIONE)

I suoi compiti sono:

■ individuare i fattori di rischio, le misure per la sicurezza e la salubrità degli ambienti di lavoro;

■ coordinare la stesura del Documento di Valutazione dei Rischi (DVR);

■ elaborare e controllare, per quello che può, le misure di prevenzione e protezione;

■ elaborare le procedure di sicurezza delle attività lavorative;

■ partecipare a consultazioni, riunioni e sopralluoghi in materia di tutela della salute e di sicurezza.

5. ASPP (ADDETTO DEL SERVIZIO DI PREVENZIONE E PROTEZIONE)

È presente nelle grandi aziende o che hanno succursali in località diverse, negli istituti scolastici che hanno l’accorpamento di scuole dislocate in altri comuni.

I suoi compiti sono:

■ frequentare un corso di formazione adeguato ai rischi presenti nel proprio ambiente di lavoro;

■ collaborare con l’RSPP e fare parte del Servizio di Prevenzione senza partecipare alla riunione periodica nella quale sono presenti DL, RSPP, MC (se presente), RLS;

■ riferire all’RSPP tutti gli inconvenienti rilevati e suggerire il modo per eliminare i pericoli o per ridurli.

6. RLS (RAPPRESENTANTE DEI LAVORATORI PER LA SICUREZZA)

È il rappresentante dei lavoratori;

i suoi compiti sono:

■ vigilare, partecipare e promuovere tutto ciò che riguarda la sicurezza durante il lavoro;

■ consultare il DVR e il registro infortuni;

■ avere libero accesso a tutti gli ambienti dove si svolgono attività lavorative.

7. MC (MEDICO COMPETENTE)

I suoi compiti sono:

■ effettuare la sorveglianza sanitaria nei casi previsti dalla normativa vigente;

■ collaborare con il datore di lavoro e con il responsabile del servizio di prevenzione e protezione;

■ effettuare gli accertamenti sanitari rivolti ai lavoratori ed esprimere giudizi di idoneità alla mansione;

■ istruire e aggiornare la cartella sanitaria dei lavoratori;

■ fornire informazioni ai lavoratori sul significato e sul risultato degli accertamenti sanitari;

■ collaborare alla preparazione e alla gestione delle procedure di primo soccorso.

8. PREPOSTO

I suoi compiti sono:

■ predisporre il lavoro nell’ambito delle sue competenze e nel rispetto delle norme di prevenzione, di igiene e di sicurezza del lavoro;

■ controllare il buono stato delle attrezzature di lavoro e l’osservanza da parte dei lavoratori delle norme di sicurezza;

■ esigere l’uso dei DPI e degli altri dispositivi di sicurezza e provvedere alla loro sostituzione quando necessario.

9. LAVORATORE

È la persona che, indipendentemente dalla tipologia contrattuale, svolge un’attività lavorativa nell’ambito dell’organizzazione di un datore di lavoro pubblico o privato, con o senza retribuzione, anche solo al fine di apprendere un mestiere, un’arte o una professione; non rientrano in quasta categoria gli addetti ai servizi domestici e familiari.

I suoi compiti sono:

■ osservare le disposizioni e le istruzioni aziendali;

■ impiegare correttamente i macchinari, le attrezzature, gli utensili, le sostanze e i preparati pericolosi, i mezzi di trasporto, nonché i dispositivi di sicurezza e utilizzare in modo appropriato i DPI.

In particolare, il lavoratore:

■ non deve rimuovere o modificare senza autorizzazione i dispositivi di sicurezza, di segnalazione o di controllo;

■ non deve compiere di propria iniziativa operazioni o manovre che non siano di sua competenza e che possono compromettere la sicurezza sua e degli altri;

■ deve segnalare immediatamente al datore di lavoro o al preposto le deficienze dei mezzi e dei dispositivi di sicurezza, le condizioni di pericolo di cui è a conoscenza e intervenire in caso di urgenza, nell’ambito delle proprie competenze e possibilità, per eliminare o ridurre tali deficienze o pericoli.

10.

STUDENTE (EQUIPARATO A LAVORATORE)

È l’allievo degli istituti di istruzione nei quali si utilizzino laboratori, attrezzature di lavoro in genere, agenti chimici, fisici e biologici, comprese le apparecchiature fornite di videoterminali. Appartiene a questa categoria anche l’allievo che beneficia di momenti di alternanza scuola lavoro o che beneficia di momenti che agevolano le scelte professionali tramite la conoscenza diretta del mondo del lavoro.

SERVIZIO DI PROTEZIONE E PREVENZIONE

Datore di Lavoro (Dirigente Scolastico)

Responsabile servizio

Prevenzione e Protezione (RSPP)

Addetti al servizo

Prevenzione e Protezione (ASSP)

Preposti (insegnanti)

Squadre di emergenza

Medico Competente (se previsto)

Addetti antincendio emergenza

Addetti al primo soccorso (personale ATA)

Rappresentante dei Lavoratori per la Sicurezza (RLS)

Lavoratori dipendenti (studenti)

2.2 Segnaletica di sicurezza e di salute sul luogo di lavoro

2.2.1 LA SEGNALETICA DI SICUREZZA

La segnaletica di sicurezza nasce dalla necessità di trasmettere informazioni di tutela della persona utilizzando pochi testi facili da capire. Ecco allora che esperti di tutto il mondo coordinati dall’ISO e tenendo conto delle differenti culture, hanno normato molti segni grafici con il più alto grado di comprensione. A partire dal 2012 sono stati codificati nuovi segni grafici sulla sicurezza, comprensibili da chiunque indipendentemente dalla lingua parlata dal destinatario. Di seguito mettiamo a confronto alcuni esempi di segnaletica secondo il D.Lgs. n. 81/2008 e la norma UNI EN ISO 7010:2012.

Segnali di avvertimento: i segnali di pericolo sono triangolari con pittogramma di colore nero su fondo giallo, e informano il lavoratore della presenza di un pericolo, come carichi sospesi, alta tensione, pericolo generico, movimento carrelli elevatori ecc.

Segnali di prescrizione o obbligo: i segnali di prescrizione o obbligo sono rotondi con pittogramma di colore bianco su fondo azzurro, e informano il lavoratore che deve rispettare un certo compor-

tamento, come l’obbligo di calzare scarpe di sicurezza, l’obbligo di indossare i guanti, l’obbligo di usare la maschera o l’obbligo di indossare l’elmetto o casco ecc.

Segnali di divieto: i segnali di divieto sono di forma rotonda con pittogramma di colore nero su fondo bianco, con bordo e banda che va da sinistra a destra verso il basso ed è inclinata di 45°. Il bordo e la banda sono entrambi di colore rosso e coprono almeno il 35% della superficie dell’intero cartello. Possono indicare, per esempio, il divieto al movimento dei carrelli elevatori, il divieto di bere acqua non potabile, il divieto di transito ai pedoni, il divieto di usare fiamme libere ecc.

2.2.2 LA SEGNALETICA DI SALVATAGGIO ANTINCENDIO

I segnali di salvataggio o di soccorso danno indicazioni sulle uscite di sicurezza o sui mezzi di soccorso o di salvataggio. La segnaletica antincendio serve a identificare e a indicare la posizione dei materiali e delle attrezzature antincendio in modo da poterli vedere da lontano. Esistono anche specifici segnali di informazione che indicano il comportamento che va osservato da lavoratori e da altre persone presenti in caso di incendio. Di seguito sono messi a confronto alcuni esempi di segnaletica secondo norma UNI EN ISO 7010:2012 e D.Lgs. n. 81/2008.

Segnali di soccorso, di salvataggio o di sicurezza: i segnali di soccorso, di salvataggio o di sicurezza sono quadrati o rettangolari con pittogramma di colore bianco su fondo verde. Indicano i presidi di pronto soccorso, telefono per salvataggio e pronto soccorso, le uscite di sicurezza, la barella di pronto soccorso ecc.

Segnali per attrezzature antincendio: i segnali per attrezzature antincendio sono di forma quadrata con pittogramma di colore bianco su fondo rosso. Indicano dove si trovano o la direzione verso le attrezzature o i dispositivi antincendio, l’estintore, l’idrante antincendio, il telefono interventi antincendio, la scala antincendio ecc.

2.2.3 CLASSIFICAZIONE, ETICHETTATURA E IMBALLAGGIO DELLE SOSTANZE

E DELLE MISCELE

Nel 2009 il regolamento CLP (classificazione, etichettatura e imballaggio) ha messo a punto nuovi pittogrammi, in un riquadro rosso e a forma di rombo, che sostituiscono gradualmente i tradizionali simboli di pericolo arancioni. Nei posti di lavoro le sostanze

chimiche sono utilizzate all’interno di prodotti per la pulizia, vernici e altro. Sulle etichette i pittogrammi sono accompagnati da avvertenze, indicazioni di pericolo e consigli di prudenza, oltre che da informazioni sul prodotto e sul fornitore (➜ Tab. 1).

COMBURENTI: sostanze che si comportano da ossidanti rispetto alla maggior parte delle altre sostanze o che liberano facilmente ossigeno atomico o molecolare facilitando l’incendiarsi di sostanze combustibili.

CORROSIVI: prodotti chimici che causano la distruzione di tessuti viventi e/o materiali inerti.

IRRITANTE: sostanze o preparazioni non corrosive che, al contatto immediato, prolungato o ripetuto con la pelle o le mucose possono espletare un’azione irritante.

ESTREMAMENTE TOSSICO (O VELENOSO): sostanze o preparazioni che, per inalazione, ingestione o assorbimento attraverso la pelle, provocano danni estremamente gravi, acuti o cronici, e facilmente la morte.

PERICOLOSO PER L’AMBIENTE: il contatto dell’ambiente con queste sostanze o preparazioni può provocare danni all’ecosistema a corto o a lungo periodo.

INFIAMMABILI: sostanze e preparati i cui gas e vapori formano in aria miscele esplosive e/o facilmente infiammabili in presenza di innesco (punto di infiammabilità < 21 °C).

TOSSICO: sostanze o preparazioni che, per inalazione, ingestione o penetrazione nella pelle, possono implicare danni gravi, acuti o cronici, e anche la morte.

➜ Tab. 1 • Pittogrammi secondo il regolamento CLP 2009.

Ossigeno

Nitrato di potassio

Perossido di idrogeno

Acido cloridrico

Acido fluoridrico

Cloruro di calcio

Carbonato di sodio

Cianuro

Nicotina

Acido fluoridrico

Fosforo

Cianuro di potassio

Nicotina

Benzene

Etanolo

Idrogeno

Acetilene

Cloruro di bario

Monossido di carbonio

Metanolo

Trifluoruro di boro

2.3 Malattie professionali

Le malattie professionali o tecnopatie sono alterazioni funzionali o anatomiche dell’organismo che si manifestano come effetto dell’esposizione a fattori di rischio durante lo svolgimento del lavoro.

Ipoacusia: indebolimento del senso dell’udito a causa di prolungate esposizioni e rumore.

Malattie osteoarticolari: danni ad articolazioni e ossa a causa di vibrazioni.

Cataratta all’occhio: perdita di trasparenza del cristallino quando è colpito da energia raggiante.

Silicosi: alterazione dei polmoni da polvere di silicio inalata; colpisce i lavoratori del vetro, del marmo e i minatori.

Asbestosi: alterazione dei polmoni da polvere di amianto inalata; colpisce i minatori delle miniere di amianto e i lavoratori che trattano tale materiale in fibre.

Antracosi: alterazione dei polmoni da polvere di carbone inalata; colpisce i minatori delle miniere di carbone, i lavoratori di fonderie e acciaierie.

Bissinosi: alterazione dei polmoni da fibre di cotone inalate.

Siderosi: colorazione bruna della pelle e degli organi interni del corpo per assunzione eccessiva di sali di ferro.

Stannosi: intossicazione da stagno.

Alluminosi; alterazione dei polmoni da prolungata inalazione di polvere di alluminio.

Saturnismo: intossicazione cronica da piombo che si manifesta con disturbi intestinali e orletto gengivale grigio-bluastro.

Malattie da radiazioni: possono interessare un po’ tutti gli organi causando necrosi dei tessuti, neoplasie, sterilità, alterazioni cromosomiche, fratture spontanee ecc.

96 • asma bronchiale

205 • malattie cutanee

263 • tumore dei bronchi e del polmone

281 • silicosi, asbestosi

755 • malattie osteoarticolari

1783 • ipoacusia e sordità

7136 • disturbi muscolari e tendiniti

➜ Tab. 2 • Distribuzione delle malattie professionali nell’industria e nei servizi - anno 2017. (fonte: INAIL).

2.4 Dispositivi di protezione individuale (DPI)

2.4.1 PROTEZIONE DEL CAPO

La testa va protetta contro il sole, le intemperie e soprattutto contro gli urti. Per questo scopo esistono: il casco di protezione per l’industria, così come caschi per miniere, per cantieri di lavori pubblici, il copricapo leggero per proteggere il cuoio capelluto come cuffie, retine con o senza visiera, il copricapo di protezione come cappelli di tela cerata, berretti. Il casco o elmetto rappresenta un ottimo metodo di protezione. Va tenuto sempre allacciato e regolato e deve adattarsi perfettamente alla testa, altrimenti perde di efficacia, deve essere sicuro e confortevole.

2.4.2 OTOPROTETTORI

Le cuffie hanno il compito di proteggere il lavoratore dal rumore e dal danno che questo può provocare sull’apparato uditivo e nell’intero organismo. Si tratta di palline e tappi o inserti auricolari per gli orecchi, caschi comprendenti l’apparato auricolare, cuscinetti adattabili ai caschi di protezione per l’industria, cuffie con attacco per ricezione a bassa frequenza, dispositivi di protezione contro il rumore con apparecchiature di intercomunicazione.

2.4.3 PROTEZIONE DEI PIEDI

Le scarpe e gli stivali servono per proteggere gli arti dalla caduta di pesi, da materiale incandescente, da liquidi, da rischio di scivolamento, dal calore, dal freddo, dalle vibrazioni e da agenti chimici. Esistono scarpe basse, scarponi, tronchetti, stivali di sicurezza, scarpe a slacciamento o sganciamento rapido, scarpe con protezione supplementare della punta del piede, scarpe e soprascarpe con suola anticalore, scarpe o stivali e soprastivali di protezione contro il calore e il freddo o le vibrazioni, scarpe o stivali e soprastivali di protezione antistatici o isolanti, stivali di protezione contro le catene delle trance meccaniche, zoccoli, ghette, ginocchiere, dispositivi di protezione amovibili del collo del piede, suole amovibili anticalore o antiperforazione o antitraspirazione, ramponi amovibili per ghiaccio, neve e terreno sdrucciolevole.

2.4.4 PROTEZIONE DEGLI OCCHI

E DEL VISO

Gli occhiali e le maschere o visiere servono per proteggere gli occhi e il viso da schegge, frammenti di materiale anche incandescente, spruzzi di liquidi ecc. Per questo scopo esistono occhiali a stanghette, a maschera, contro i raggi X, i raggi laser, le radiazioni ultraviolette, infrarosse, o visibili, schermi facciali, maschere e caschi per la saldatura ad arco. In quest’ultima attività il lavoratore trova indispensabile l’uso degli occhiali o della maschera, perché

si abbaglia gli occhi, mentre non è indispensabile in lavorazioni come nella sabbiatura, nella molatura, ai bagni galvanici, sottovalutando però la necessità di proteggersi occhi e viso.

2.4.5 PROTEZIONE DELLE VIE RESPIRATORIE

Nell’ambiente di lavoro l’aria può essere inquinata da contaminanti prodotti nelle lavorazioni di verniciatura, molatura, sabbiatura, e da presenza di polveri di metalli tossici, di silice, evaporazione di solventi ecc. Per scegliere il giusto DPI è quindi importante conoscere la differenza tra polveri, fumi, nebbie, vapori e gas.

2.4.6 PROTEZIONE DELLE MANI

I guanti sono DPI che servono a evitare lesioni dovute ad agenti chimici come gli acidi, ad agenti fisici come il calore, ad agenti meccanici come gli oggetti taglienti e ad agenti biologici come i virus e i batteri. Esistono guanti contro le aggressioni meccaniche come perforazioni, tagli, vibrazioni, guanti contro le aggressioni chimiche, guanti per elettricisti, guanti antitermici, a secco, a mezze dita, manicotti, fasce di protezione dei polsi, manopole. Prima di indossare guanti, manopole o altro si usa spesso spalmarsi sulle mani una crema barriera o indossare un sottoguanto di cotone per evitare allergie cutanee. In alcuni casi si possono utilizzare solo le creme barriera con durata di 3-4 ore.

2.5

Locali di lavoro e loro caratteristiche

È molto importante che il locale di lavoro, ossia il luogo dove un lavoratore passa molte ore della propria giornata, sia in condizioni di confort, anche in funzione di una buona produttività. Ecco allora che l’altezza, la cubatura, la superficie, il microclima, l’illuminazione, la ventilazione e l’isolamento acustico dei locali chiusi destinati al lavoro nelle aziende sono caratteristiche molto importanti (➜ Fig. 2):

■ l’altezza netta non deve essere inferiore a 3 m, negli uffici con deroga l’altezza minima è di 2,7 m;

■ il volume lordo d’aria a disposizione di ogni singolo lavoratore non deve essere inferiore a 10 m3;

■ ogni lavoratore occupato in ciascun ambiente deve disporre di una superficie lorda di almeno 2 m2

Il volume e la superficie lordi s’intendono comprensivi del volume dei mobili, delle macchine e degli impianti.

cubatura nestra passaggi

uscita illuminazione

Temperatura effettiva

Benessere Disagio

48 °C < T < 21 °C in inverno

21 °C < T < 26 °C in estate

< 18 °C e > 26 °C

Umidità relativa 40% ÷ 60% < 40% e > 60%

Illuminazione 100 ÷ 1000 Lux < 50 Lux

Vibrazioni < 1 ciclo al secondo > 1 ciclo al secondo

Spazio Maggiore del volume di un cilindro normale al suolo di raggio R = 0,5 m e altezza H = 2,7 m

Minore del volume di un cilindro normale al suolo di raggio R = 0,5 m e altezza H = 2,7 m

➜ Tab. 3 • Valori indicativi di benessere e di disagio relativi ad alcuni fattori presenti negli ambienti di lavoro.

TEMPERATURA COMPRESA TRA 18 E 26 °C

■ L’umidità relativa deve essere prossima al 50% senza nebbie e condense.

coibentazione

➜ Fig. 2 • Locale di lavoro.

2.5.1 MICROCLIMA

TEMPERATURA SUPERIORE AI 26 °C

uscita altezza

super cie e pavimenti

■ L’umidità relativa dell’aria deve essere inferiore al 60%.

■ Deve essere garantita la circolazione di aria fresca nelle postazioni di lavoro particolarmente calde.

■ La durata di esposizione dei lavoratori in ambienti caldi deve essere limitata.

■ Devono essere previste visite mediche periodiche per i lavoratori esposti alle alte temperature.

■ Devono essere previsti periodi di riposo in locali con temperature miti.

■ Le finestre, i lucernari e le pareti vetrate dotate di schermi di protezione e isolamento per evitare un soleggiamento eccessivo.

■ Le superfici calde o fredde vanno isolate o schermate.

■ Occorre controllare le correnti di aria fredda e calda che investono le persone.

■ La temperatura dei locali di riposo, servizi igienici, mense e pronto soccorso deve essere compresa tra 20 e 23 °C.

TEMPERATURA INFERIORE AI 18 °C

■ I lavoratori devono essere dotati di indumenti idonei per la protezione dal freddo.

■ Devono essere previsti periodi di riposo in locali con temperature miti.

VENTILAZIONE

■ La ventilazione nei locali di lavoro deve essere di almeno 30 m3 d’aria per persona al giorno.

■ La ventilazione nei servizi igienici privi di aperture verso l’esterno deve essere di almeno 6 m3 d’aria per persona al giorno se l’aspirazione è continua, o di almeno 12 m3 d’aria per persona al giorno se l’aspirazione è discontinua.

ILLUMINAZIONE

■ I locali di deposito di materiali grossolani hanno una illuminazione non inferiore a 20 Lux (il Lux è l’illuminazione su 1 m2 dovuta al flusso di una candela internazionale).

■ Gli ambienti per lavori grossolani hanno una illuminazione non inferiore a 40 Lux.

■ Gli ambienti per lavori di media finezza devono possedere illuminazione non inferiore a 100 Lux.

■ Gli ambienti per lavori fini devono possedere illuminazione non inferiore a 200 Lux.

■ Gli ambienti per lavori finissimi devono possedere illuminazione non inferiore a 300 Lux.

2.5.2 RUMORE

VALORI LIMITE DI ESPOSIZIONE E VALORI DI AZIONE

I valori limite di esposizione e i valori di azione, in relazione al livello di esposizione giornaliera (Lex) al rumore sono riportati in ➜ Tab. 4:

Valore limite di esposizione = 87 dB (A)

Lex > 87 dB (A) o in presenza di forti rumori impulsivi. Per quanto riguarda la pressione acustica istantanea il limite è 140 dB (A)

Emergenza rumore “limite di esposizione”, adozione di misure immediate per riportare l’esposizione al di sotto dei valori limite di esposizione, individuazione delle cause dell’esposizione eccessiva, modifica delle misure di protezione e di prevenzione per evitare che la situazione si ripeta.

Valore superiore di azione = 85 dB (A)

85 dB (A) < Lex < 87 dB (A)

Scatta un vero e proprio allarme detto “valore superiore di azione” con obbligo di usare i DPI, sorveglianza sanitaria, segnaletica per l’accesso a luoghi con Lex > 85 dB (A), programmazione di misure tecniche e organizzative.

Valore inferiore di azione = 80 dB (A)

80 dB (A) < Lex < 85 dB (A)

Corrisponde a una fascia di preallarme con obbligo di informazione, fornitura del DPI, controllo sanitario, programmazione di misure tecniche e organizzative.

➜ Tab. 4 • Valori limite di esposizione e valori di azione (art. 189).

2.6 Barriere architettoniche

2.6.1 CHE COSA SONO

Molte persone con ridotte capacità motorie, visive o uditive, sono ancora in parte discriminate perché un gradino, una porta stretta o un marciapiede, negli edifici pubblici e privati impediscono loro di vivere e muoversi in modo adeguato e di usufruire di spazi attrezzati e spazi a verde. Con il termine barriere architettoniche si indicano quindi tutti gli ostacoli che non permettono la completa mobilità alle persone temporaneamente o permanentemente in condizioni limitate di movimento. Pensiamo a persone che si muovono con la sedia a rotelle, a genitori con passeggini, a persone obese, ad anziani con difficoltà di deambulazione, a persone con gambe o piedi fratturati e ingessati, a persone che, per problemi alla colonna vertebrale, utilizzano un trolley per portare con sé oggetti di uso quotidiano.

La normativa italiana ha affrontato seriamente il tema delle barriere architettoniche con una serie di leggi e decreti a partire dall’anno 1989, anche se l’argomento era già noto dalla Conferenza internazionale di Stresa, nel giugno del 1965.

La legge n. 13/89 è fondamentale soprattutto per i principi che pone, perché introduce i concetti di accessibilità , adattabilità e visitabilità ( ➜ Fig. 3 );

➜ Fig. 3 • Simbolo internazionale di accessibilità.

➜ Fig. 4 • Messa in atto di misure specifiche per persone con disabilità.

tali principi saranno garantiti con il successivo regolamento ossia con il DM 14 giugno 1989, n. 236, “Prescrizioni tecniche necessarie a garantire l’accessibilità, l’adattabilità e la visitabilità degli edifici privati e di edilizia residenziale pubblica sovvenzionata e agevolata, ai fini del superamento e dell’eliminazione delle barriere architettoniche” (➜ Fig. 4).

L’accessibilità, la visitabilità e l’adattabilità, pertanto, devono essere viste come una caratteristica propria dell’edificio e non solo come un’esigenza di persone con handicap (➜ Fig. 5).

➜ Fig. 5 • Nel palazzo del Reichstag (il Parlamento di Berlino), i camminamenti sono percorribili anche da carrozzine, passeggini o sedie a rotelle.

2.6.2 I TRE LIVELLI DI QUALITÀ

DI FRUIZIONE DEGLI EDIFICI

Accessibilità : è la possibilità, per chi ha ridotte capacità motorie, di raggiungere un edificio e le sue singole unità immobiliari, entrandovi agevolmente e potendo fruire in modo totale e autonomo del proprio alloggio (➜ Fig. 6).

Visitabilità: è la possibilità di consentire al disabile di accedere a ogni alloggio, ai suoi spazi di relazione (soggiorno, pranzo, luoghi di lavoro) e a un servizio igienico attraverso un percorso agevolmente fruibile (➜ Fig. 7).

Adattabilità: è la possibilità di permettere, all’eventuale disabile, in futuro, di rendere il proprio alloggio completamente e agevolmente fruibile a costi contenuti (➜ Fig. 8).

con handicap.

2.7 Protezione dagli incendi

L’ incendio si può definire come la rapida ossidazione di materia combustibile con notevole sviluppo di fiamma, calore, fumo e gas caldi. Si tratta in pratica di una combustione in atmosfera di ossigeno, in genere quello contenuto nell’aria, della quale si è perso il controllo.

Per resistenza al fuoco si intende la capacità di un elemento edilizio o di arredo di mantenere, per un certo tempo, alcuni parametri in presenza di incendio e temperatura elevata.

I principali parametri per la valutazione della resistenza al fuoco sono:

■ la resistenza (R), ossia l’attitudine a conservare la resistenza meccanica sotto l’azione del fuoco;

■ l’ermeticità (E ), ossia l’attitudine a non lasciar passare vapori o gas caldi sul lato non esposto, né produrre fiamme;

■ l’isolamento (I ) termico, ossia l’attitudine a ridurre la trasmissione del calore.

Ecco quindi che con la dicitura parete REI 60 s’intende una parete in grado di garantire per un’ora le caratteristiche suddette in attesa dell’arrivo dei Vigili del Fuoco.

Ogni edificio e ogni attività lavorativa devono essere protetti dal pericolo di incendio. Questa protezione si attiva tramite:

■ la prevenzione incendi;

■ l’impianto di allarme;

■ l’impianto di spegnimento.

2.7.1 PREVENZIONE INCENDI

La Prevenzione Incendi è la disciplina che prima studia e poi attua provvedimenti, accorgimenti e modi di agire che intendono prevenire, segnalare e ridurre la probabilità di insorgenza di un incendio, e comunque limitarne le conseguenze per le persone e per l’ambiente.

I metodi di prevenzione incendi, quindi, studiano con particolare attenzione i fattori che influiscono sulle cause dell’insorgere dell’incendio. Un tecnico abilitato si fa carico di studiare questi fattori con una corretta valutazione dei rischi, producendo alla fine una relazione, completa di disegni, che riporta modi di comportamento, attrezzature antincendio e vie di fuga tali da garantire soprattutto la sicurezza delle persone.

Fatto ciò è necessario realizzare correttamente le misure di prevenzione incendi previste dal tecnico abilitato, e garantire costantemente in futuro che le misure di prevenzione siano rispettate.

2.7.2 IMPIANTO ANTINCENDIO

Un impianto antincendio è costituito da:

1. una riserva idrica; 2. un gruppo di pressurizzazione; 3. un locale tecnico.

RISERVA IDRICA

La riserva idrica è composta da un serbatoio di stoccaggio da interro o da esterno in polietilene (1), avente volume minimo di 5000 litri che viene mantenuto sempre pieno d’acqua per alimentare il gruppo di pressurizzazione.

GRUPPO DI PRESSURIZZAZIONE

Il gruppo di pressurizzazione mantiene costantemente in pressione il circuito ed alimenta gli impianti per l’estinzione dell’incendio (sprinkler, idranti, naspi). Il suo funzionamento può essere riassunto nei seguenti 5 punti:

1. I gruppi sono composti da una o più pompe di servizio alimentate da motori elettrici o diesel e da una pompa di compensazione (pilota o jockey).

2. La pompa pilota (1) mantiene costante la pressione nell’impianto, compensando eventuali piccole perdite strutturali. Lo spegnimento della pompa è automatico al ripristino della pressione.

3. Se il calo di pressione è dovuto all’apertura di un dispositivo antincendio, si attiva la pompa principale di servizio (2).

4. Nel caso la prima pompa non si avviasse, la pressione continua a scendere fino alla soglia di intervento della seconda pompa di servizio (3).

5. Le pompe antincendio devono essere fermate manualmente.

Esistono differenti tipologie di gruppi di pressurizzazione contraddistinti dal metodo di installazione dell’unità di pompaggio:

- installazione soprabattente;

- installazione sottobattente;

- installazione con pompe vertical turbine;

- installazione con elettropompe sommerse.

INSTALLAZIONE SOPRABATTENTE

Per alimentazione soprabattente (➜ Fig. 9) si intende quell’impianto in cui almeno i 2/3 della riserva idrica NON devono essere al di sopra dell’asse della

pompa. La distanza tra l’asse delle pompe e il punto più basso dell’aspirazione non deve superare i 3,2mt. Inoltre, sulle tubazioni di aspirazione devono essere montate le valvole di fondo (4) e l’adescamento (5) di ogni pompa principale deve essere garantito da un serbatoio da 500lt. posizionato al di sopra di esse.

■ vantaggi: Installazione che necessita di poco spazio per la posa, all’esterno c’è solo il locale tecnico.

■ svantaggi : la configurazione soprabattente installa le valvole di fondo e i serbatoi di adescamento.

INSTALLAZIONE SOTTOBATTENTE

È la configurazione preferibile. Per alimentazione sottobattente (➜ Fig. 10) si intende quell’impianto in cui almeno i 2/3 della capacità di aspirazione si devono trovare al di sopra del livello dell’asse della pompa. L’asse della pompa inoltre NON deve trovarsi

a più di 2mt al di sopra del livello minimo dell’acqua nel serbatoio di accumulo.

■ vantaggi: è la soluzione più economica da installare, perché non richiede alcuna opera di scavo.

■ svantaggi: l’installazione necessita di molta superficie esterna a disposizione.

LOCALE TECNICO

È il locale destinato ad ospitare l’unità di pompaggio per l’alimentazione idrica dell’impianto (➜ Fig. 11). La nuova normativa di riferimento si distingue dalla precedente soprattutto per l’attenzione posta all’aspetto della sicurezza. Il locale infatti deve sempre rimanere sicuro per gli addetti, durante le fasi di installazione, manutenzione, emergenza e deve permettere agli addetti di operare direttamente all’interno del locale.

17.7.3

IMPIANTO DI ALLARME

L’impianto di allarme può essere dotato di rivelatori di fumo, di calore o di fiamma. Il fumo e altri prodotti di combustione salgono verso l’alto, fino al soffitto e si diffondono in senso orizzontale. Ecco perché i rilevatori di fumo vanno installati sul soffitto ( ➜ Fig. 12), al centro della stanza, oppure si installano in prossimità di scale, perché queste si comportano facilmente come camini per il fumo e il fuoco, contribuendo alla loro ulteriore diffusione. ➜ Fig. 12 • Rivelatore di fumo.

2.7.4 IMPIANTO DI SPEGNIMENTO

➜ Fig. 13 • Sprinkler in funzione.

L’impianto a sprinkler è un sistema di spegnimento a pioggia, che rileva la presenza di un incendio e lo estingue, nello stadio iniziale, spruzzando acqua ( ➜ Fig. 13). Oppure lo sprinkler tiene sotto controllo le fiamme, in modo che l’estinzione possa essere completata con altri mezzi, come idranti UNI 45 e UNI 70, estintori e altri strumenti che richiedono l’intervento di persone competenti.

Gli estintori costituiscono il primo mezzo concepito per l’estinzione del principio d’incendio. L’azione estinguente è di soffocamento e di raffreddamento. Sono sempre più spesso installati nei luoghi di lavoro e nelle aziende soggetti ai controlli e alle verifiche di prevenzione incendi. L’estintore è un mezzo di semplice utilizzo ma per ottenere le migliori prestazioni occorre che l’operatore conosca le caratteristiche, la tecnica, e i limiti d’impiego derivanti dall’agente estinguente in esso contenuto. Gli estintori sono di due tipi: carrellati e portatili (➜ Fig. 14).

➜ Fig. 15 • Idrante a muro UNI 45 (cassetta idrante).

➜ Fig. 14 • (a) Estintore carrellato CO2 da 27 kg.

(b) Estintore portatile a polvere da 3 kg.

Gli idranti possono essere:

■ a muro: è composto da cassetta, supporto della tubazione, valvola manuale di intercettazione, tubazione flessibile completa di raccordi e di lancia erogatrice (➜ Fig. 15);

■ a colonna soprasuolo: è permanentemente collegato a una rete idrica, ed è dotato di una valvola sita nella porzione interrata dell’apparecchio e manovrata da un albero verticale che ruota nel corpo cilindrico; questo tipo di estintore è dotato di uno o più attacchi con filettatura unificata dai quali fuoriesce l’acqua (➜ Fig. 16).

2.8 Obblighi e responsabilità nella scuola

La sicurezza in ambito scolastico è garantita sempre dal D.Lgs. n. 81/2008, dove sono raccolti, come abbiamo visto, le norme principali che tutelano il diritto alla salute del lavoratore, estendendo il loro ambito di applicazione anche all’attività svolta nei laboratori didattici perché attività assimilata a quella lavorativa. Infatti gli allievi degli istituti di istruzione e di laboratori-scuola nei quali si faccia uso di macchine, attrezzature, utensili e apparecchi in genere, sono equiparati ai lavoratori. Pertanto la norma protezionistica va trasferita alla scuola, dove:

■ il datore di lavoro si identifica con il dirigente scolastico;

■ il preposto si identifica con l’insegnante;

■ il lavoratore, come già detto, si identifica con l’allievo;

■ la figura giuridica che gestisce economicamente gli interventi su attrezzature e strutture previste per la realizzazione delle misure di prevenzione, si identifica con lo Stato, la Provincia o il Comune.

Il dirigente scolastico ha l’obbligo di:

■ impartire ordini e istruzioni appropriate per rendere più sicure le attività pericolose;

■ accertare che l’attività svolta dagli allievi sia in sicurezza;

■ affiggere, nelle aule e nei laboratori, estratti delle norme e formare e informare tutte le persone coinvolte;

■ informare gli insegnanti su come prevenire i danni derivanti da rischi presenti nelle aule e nei laboratori;

■ assicurarsi che gli allievi rispettino le norme di sicurezza e igiene sul lavoro facendo loro usare i DPI tramite i docenti;

■ mantenere in efficienza l’edificio scolastico nel suo complesso, i servizi accessori, gli impianti e le attrezzature;

■ garantire che i macchinari e gli strumenti usati nei laboratori siano conformi alle norme di legge sulla sicurezza nei luoghi di lavoro;

■ far manutenere macchinari, strumenti e luoghi di lavoro;

■ valutare i rischi per la sicurezza e la salute degli allievi, scegliendo attrezzature di lavoro, preparati chimici.

L’insegnante ha l’obbligo di:

■ far osservare le misure di prevenzione disposte dal dirigente scolastico;

■ far usare con cura i dispositivi di sicurezza e i mezzi di protezione esistenti;

■ motivare l’allievo affinché cerchi di eliminare o ridurre le situazioni di pericolo e le deficienze nei dispositivi di sicurezza e nei DPI;

■ evitare che l’allievo rimuova o modifichi i dispositivi di sicurezza o i mezzi di protezione.

L’insegnante non ha il compito di adottare le misure di sicurezza necessarie, ma solo quello di farle rispettare. Ciò significa che gli insegnanti tecnico-pratici, oltre a istruire gli allievi all’uso di tecniche, macchine e attrezzature, hanno il compito di formarli e informarli sugli obblighi che la legge prescrive per la sicurezza nei luoghi di lavoro. Inoltre gli insegnanti tecnico-pratici devono informare la dirigenza dei rischi presenti, valutare i possibili interventi effettuabili nei vari reparti di lavorazione, predisporre gli obiettivi da raggiungere in tema di prevenzione e sicurezza nei luoghi di lavoro e programmare le iniziative didattiche per l’educazione degli allievi alla prevenzione e alla sicurezza nei luoghi di lavoro.

L’allievo ha l’obbligo di:

■ osservare le misure disposte dall’insegnante ai fini della sicurezza;

■ usare con cura i dispositivi di protezione di cui sono dotate le macchine, le attrezzature e i mezzi di protezione;

■ usare con cura i DPI messi a sua disposizione;

■ non eseguire manovre pericolose;

■ non rimuovere o modificare i dispositivi di sicurezza o mezzi di protezione di impianti, macchine o attrezzature;

■ ridurre o eliminare le inadeguatezze dei mezzi di protezione o le situazioni di pericolo, limitatamente alle sue capacità e possibilità d’intervento, data la giovane età e l’inesperienza;

■ segnalare all’insegnante le carenze nei dispositivi di sicurezza o eventuali condizioni di pericolo.

La condotta dell’allievo può assumere rilevanza solo quando il dirigente scolastico e l’insegnante abbiano adempiuto agli obblighi di loro competenza.

2.8.1 CERTIFICATO DI PREVENZIONE INCENDI (CPI)

È un certificato rilasciato dal Comando Provinciale dei Vigili del Fuoco dopo un sopralluogo di verifica nella scuola. Nelle normative di riferimento sono indicati i criteri di sicurezza antincendio da applicare nelle scuole, ed è obbligatorio predisporre un Piano di emergenza che imponga il rispetto di tutta una serie di norme e di comportamenti.

2.8.2 PIANO DI EMERGENZA

All’interno della scuola il dirigente scolastico designa gli addetti incaricati dell’attuazione delle misure di:

■ prevenzione incendi e lotta antincendio;

■ evacuazione delle persone in caso di pericolo grave e immediato;

■ salvataggio, pronto soccorso e gestione dell’emergenza.

Il Piano di emergenza è obbligatorio e ha lo scopo di definire delle procedure chiare e precise da attuare in caso di pericolo. Chiunque si trovi all’interno della scuola deve essere preparato di fronte a un’emergenza, e deve sapere comportarsi correttamente in modo da non mettere a rischio la propria e l’altrui incolumità. Il Piano di emergenza si attiva quando, all’interno della scuola, si crea una situazione di reale e potenziale pericolo per l’incolumità delle persone o dei beni presenti a causa di un incendio.

2.8.3 NOMINATIVI DELLA SQUADRA ANTINCENDIO

Al personale delle segreterie e ai collaboratori tecnici deve essere affidato nominativamente un compito primario ben preciso da attuare in caso di emergenza. La squadra antincendio è pertanto costituita da:

■ DS come coordinatore della squadra-allarme;

■ collaboratore del DS come suo vice;

■ addetto all’interruzione elettrica;

■ addetto all’interruzione dell’alimentazione del gas;

■ addetti all’evacuazione degli allievi dai locali della scuola.

2.8.4 INFORMAZIONE E FORMAZIONE DEI LAVORATORI

Tutte le persone presenti nella scuola, compresi gli allievi, devono essere istruite sulle procedure da attuare in caso di emergenza. In particolare, il

VERSO IL CLIL

Description and operation

The Globe Quick Response GL Series Sprinklers are a low profile yet durable design which utilizes a 3 mm frangible glass ampule as the thermosensitive element. This provides sprinkler operation approximately six times faster than ordinary sprinklers. While the Quick Response Sprinkler provides an aesthetically pleasing appearance, it can be installed wherever standard spray sprinklers are specified when allowed by the applicable standards. It offers the additional feature of greatly increased safety to life and is available in various styles, orifices, temperature ratings and finishes to meet many varying design requirements. Quick Response Sprinklers should be used advisedly and under the direction of approving authorities having jurisdiction.

The heart of Globe’s GL Series sprinkler proven actuating assembly is a hermetically sealed frangible glass ampule that contains a precisely measured amount of fluid. When heat is absorbed, the liquid within the bulb expands increasing the internal pressure. At the prescribed temperature the internal pressure within the

personale della squadra di emergenza frequenta uno specifico corso di formazione e informazione. All’interno della scuola deve essere svolta con periodicità semestrale una prova di evacuazione con la partecipazione di tutto il personale, allievi compresi.

2.8.5 CLASSIFICAZIONE DELLE EMERGENZE

Ogni volta che si verifica un’emergenza è compito del dirigente scolastico o del suo vice classificarla e pianificare gli interventi secondo il seguente criterio: ■ emergenza di livello lieve: l’emergenza può essere affrontata e controllata dal personale addetto, senza l’ausilio di personale esterno;

■ emergenza di livello grave: l’emergenza va affrontata e controllata con l’ausilio dei Vigili del Fuoco, della Croce Rossa, della Polizia e dell’Ufficio Sicurezza e Protezione Civile.

ampule exceeds the strength of the glass causing the glass to shatter. This results in water discharge which is distributed in an approved pattern depending upon the deflector style used.

Technical data

• See reverse side for Approvals and Specifìcations,

• Temperature Ratings - 135 °F (57 °C), 155 °F (68 °C), 175 °F (79 °C), 200 °F (93 °C), 286 °F (141 °C),

• Water Working Pressure Rating –175 psi (12 Bars),

• Factory tested hydrostatically to 500 psi (34 Bars),

• Maximum low temperature glass bulb rating is –67 °F (–55 °C),

• Frame - bronze,

• Deflector - brass,

• Screw - brass,

• Lodgement Wire - stainless steel,

• Bulb seat - copper,

• Spring - nickel alloy,

• Seal - teflon,

• Bulb - glass with alcohol based solution, 3 mm size.

2.8.6 SEGNALAZIONE INIZIO E TERMINE EMERGENZA

La segnalazione di un’emergenza si effettua con un avvisatore acustico producendo 3 suoni prolungati e intervallati. Se si verifica un’emergenza bisogna avvertire immediatamente il dirigente scolastico o il suo collaboratore e, se nessuno di questi è presente, gli altri componenti della squadra. È compito del dirigente scolastico o del suo collaboratore decidere se dare o meno il segnale d’allarme, così come quello di cessato allarme costituito da un segnale acustico di 2 suoni prolungati.

2.8.7

PIANTA DELLA SCUOLA/LOCALE

In ogni locale della scuola e in luogo ben visibile è

affissa una pianta di una porzione della scuola con indicati (➜ Fig. 17):

■ VOI SIETE QUI;

■ le uscite di sicurezza;

■ le vie di fuga;

■ gli estintori;

■ l’allarme;

■ l’interruttore generale dell’alimentazione elettrica;

■ dove sono le valvole del gas e dei fluidi combustibili;

■ nozioni sintetiche su che cosa fare in caso di emergenza.

Tutte le uscite di sicurezza e le vie di fuga devono essere libere da materiali. Le porte di emergenza non devono essere chiuse a chiave durante le ore di lezione.

2.8.8

NORME COMPORTAMENTALI IN CASO DI EMERGENZA

■ Mantenere la calma, prima pensare e poi agire.

■ Avvertire gli addetti alla squadra di soccorso.

■ Non attardarsi per portare in salvo cose personali

■ Non attardarsi nell’aspettare gli amici.

■ Utilizzare l’uscita di emergenza più vicina indicata sulla tavola di layout dell’aula o laboratorio.

■ Prendere in consegna eventuali visitatori e condurli con sé verso l’uscita d’emergenza.

■ Muoversi senza correre, in modo ordinato ma veloce, per raggiungere il punto di raccolta all’esterno del fabbricato.

■ Disporsi in fila e rimanere collegati fisicamente; in testa l’insegnante seguito da 2 allievi apri-fila che guidano la classe nel punto di raccolta più vicino; 2 allievi serra-fila chiudono la porta dell’aula o del laboratorio controllando che nessuno dei compagni sia rimasto indietro.

■ Non sostare in aree dove sono installati i mezzi di emergenza (ambulanze, mezzi dei VF).

■ Restare nei punti di raccolta prestabiliti fino al termine dell’emergenza o fino a nuovo ordine da parte della squadra di emergenza.

2.9 Utilizzo del videoterminale

Il Titolo VII del Decreto Legislativo n. 81 Testo Unico sulla salute e sicurezza sul lavoro del 9 aprile del 2008; e successivi aggiornamenti, tratta il tema dal titolo Attrezzature munite di videoterminali, argomento già sviluppato dal D.Lgs. n. 626 del 19 settembre 1994 al Titolo VI. L’uso di queste attrezzature (VDT) è disciplinato in Italia dagli articoli 173-174175 del D.Lgs. n. 81, e l’art. 173 fornisce alcune utili definizioni che di seguito riportiamo.

2.9.1 DEFINIZIONI (ART. 173)

Videoterminale : è uno schermo alfanumerico o grafico indipendentemente dal tipo di procedimento di visualizzazione utilizzato.

Posto di lavoro: è l’insieme che comprende le attrezzature munite di videoterminale, eventualmente con tastiera, incluso il mouse, il software per l’interfaccia uomo-macchina, gli accessori opzionali, le apparecchiature connesse, comprendenti l’unità a dischi, il telefono, il modem, la

stampante, il supporto per i documenti, la sedia, il piano di lavoro, nonché l’ambiente di lavoro immediatamente circostante.

Lavoratore : colui che utilizza un’attrezzatura munita di videoterminali, in modo sistematico o abituale, per 20 ore settimanali, dedotte le interruzioni previste all’articolo 175.

L’uso prolungato di un videoterminale procura al lavoratore tutta una serie di disturbi muscoloscheletrici, affaticamento visivo e fatica mentale; pertanto l’articolo 175 del D.Lgs. n. 81 ne regolamenta l’utilizzo.

2.9.2 SVOLGIMENTO QUOTIDIANO DEL LAVORO (ART. 175)

Gli operatori addetti ai videoterminali per 4 ore consecutive hanno diritto a una interruzione del lavoro mediante:

■ pausa;

■ cambiamento di attività.

Le modalità sono riportate nella contrattazione (anche aziendale). Anche in assenza di contrattazione, l’operatore addetto ha comunque diritto a una pausa di 15 minuti ogni 120 minuti.

Inoltre è molto importante che sia rispettata tutta una serie di caratteristiche possedute dalle attrezzature, dall’ambiente e dall’interfaccia elaboratore-uomo, come evidenziato nell’allegato XXXIV - videoterminali - requisiti minimi del D.Lgs. n. 81/2008. Vediamo di che cosa si tratta almeno per i primi due punti.

ATTREZZATURE

A. L’utilizzazione in sé dell’attrezzatura non deve essere fonte di rischio per i lavoratori.

B. Lo schermo deve essere:

– orientabile e inclinabile;

– con luminosità e contrasto regolabili; – con immagine stabile senza “sfarfallamenti”;

– con caratteri leggibili e definiti; – pulito.

C. Tastiera e dispositivi di puntamento

La tastiera deve essere:

– inclinabile e separata dal monitor; – lontana dal bordo del piano di lavoro 15 cm; – con superficie opaca e di colore neutro; – con simboli chiari.

Il mouse:

– deve garantire una buona impugnatura ergonomica;

– deve poter essere “manovrato” avendo cura di poggiare l’avambraccio al piano di lavoro.

D. Il piano di lavoro deve essere:

– con bordi arrotondati; – di colore neutro e superficie opaca;

– regolabile in altezza (67-77 cm) o ad altezza fissa (72 cm);

– profondo 70-80-90 cm; – alto 90-120-160 cm;

– comunque di dimensioni sufficienti per permettere una disposizione flessibile delle attrezzature.

E. Sedile di lavoro

Il sedile di lavoro deve essere:

– stabile;

– con 5 razze e ruote; – girevole;

– senza braccioli (o con braccioli arrotondati);

– regolabile:

• sedile (alto/basso);

• schienale (alto/basso, inclinazione);

– traspirante e lavabile.

F. Se si utilizzano computer portatili per lungo tempo occorre usare una tastiera e un mouse esterni, e un supporto idoneo che consenta il corretto posizionamento dello schermo.

AMBIENTE DI LAVORO

Il posto di lavoro deve essere ben dimensionato e allestito in modo che vi sia spazio sufficiente per permettere cambiamenti di posizione e di movimenti (➜ Fig. 18). Tuttavia il rapporto fra posto di lavoro e ambiente per VDT è condizionato principalmente da problemi di corretta illuminazione. Si hanno condizioni sfavorevoli di illuminazione quando:

■ sono presenti abbagliamenti diretti, riflessi o contrasti eccessivi;

■ sono assenti schermature alle finestre e alle fonti di luce artificiale;

■ il monitor è disposto con la finestra di fronte o di spalle;

■ si usano arredi con superfici lucide e con colori estremi (bianche e/o nere);

■ le pareti sono troppo chiare o troppo scure.

schienale regolabile in altezza

sedia girevole a 5 ruote 28 cm

sedia regolabile in altezza

bordo arrotondato 36 cm eventuale poggiapiedi

➜ Fig. 18 • Suggerimenti per operare in modo corretto. spazio per la corretta posizione di ginocchia e piedi

VERIFICA LE CONOSCENZE

1. La normativa sulla sicurezza oggi in vigore è:

a D.Lgs. n. 626 del 19 settembre 1994.

b DPR n. 303 del 19 marzo 1956.

c D.Lgs. n. 81 del 9 aprile 2008.

d DPR n. 547 del 27 aprile 1955.

2. In ambito acustico la soglia del dolore è posta a circa:

a 85 dB (A).

b 105 dB (A).

c 125 dB (A).

d 145 dB (A).

3. Il controllo sanitario su richiesta del lavoratore, previo parere medico, si può ottenere per:

a 50 < Lex < 55 dB (A).

b 60 < Lex < 65 dB (A).

c 70 < Lex < 75 dB (A).

d 80 < Lex < 85 dB (A).

4. L’ipoacusia è una tecnopatia causata da eccesso di:

a stagno.

b piombo.

c rumore.

d amianto.

5. Il volume lordo d’aria a disposizione del lavoratore non deve essere inferiore a:

a 8 m3.

b 10 m3.

c 12 m3

d 15 m3

6. Le condizioni termoigrometriche ottimali nei locali di lavoro sono:

a umidità relativa 50%, temperatura 22 °C.

b umidità relativa 35%, temperatura 27 °C.

c umidità relativa 65%, temperatura 23 °C.

d umidità relativa 45%, temperatura 18 °C.

Test interattivi

7. Durante la lezione di laboratorio, usare i DPI messi a disposizione è compito:

a del responsabile della sicurezza.

b dell’aiuto tecnico pratico.

c dell’insegnante teorico.

d dell’allievo.

8. Secondo le normative vigenti l’allievo si identifica con:

a il responsabile dei lavoratori.

b il preposto.

c il datore di lavoro.

d il lavoratore.

9. Il numero telefonico di emergenza dei VF è:

a 112.

b 113.

c 115.

d 118.

10. Il Piano di emergenza deve essere simulato:

a 4 volte all’anno.

b 3 volte all’anno.

c 2 volte all’anno.

d 1 volta all’anno.

11. La distanza visiva dello schermo deve essere compresa tra:

a 20 ÷ 40 cm.

b 30 ÷ 50 cm.

c 40 ÷ 60 cm.

d 50 ÷ 70 cm.

12. Il sedile di lavoro deve avere:

a 6 razze.

b 5 razze.

c 4 razze.

d 3 razze.

C SEZIONE

Materiali:

MATERIALI DIGITALI

PROPRIETÀ E PROVE

CAPITOLO 3 PROPRIETÀ DEI MATERIALI

CAPITOLO 4 PROVE SUI MATERIALI

VERIFICA LE CONOSCENZE

● Reticoli dei metalli e loro significato

● Proprietà dei materiali

● Materiali e loro sollecitazioni

● Lavorabilità dei materiali

● Prove distruttive e non distruttive

● Proprietà magnetiche dei materiali SVILUPPA LE ABILITÀ

● Conoscere le norme a cui rispondono i materiali

● Conoscere il tempo di degradazione dei materiali

● Spiegare che i materiali sono soggetti a rottura

● Descrivere come possono essere lavorati i materiali

● Riconoscere una frattura fragile da una duttile

COSTRUISCI LE COMPETENZE

● Scegliere un materiale in base alle sue proprietà

● Analizzare la resistenza meccanica di una struttura

● Saper impiegare un materiale in base alla temperatura di esercizio

● Saper combinare a due a due i controlli non distruttivi

● Saper valutare il campo di applicazione di un materiale

MATERIALI IN AZIONE

Alternative alle terre rare

Le terre rare sono un gruppo di 17 elementi chimici metallici fondamentali per la produzione di batterie, motori elettrici, schermi TV e tante altre tecnologie moderne. Non solo. Servono anche per l’aerospazio, la medicina, la difesa e le energie rinnovabili. La loro domanda nel mondo cresce sempre di più, ma il processo di estrazione e lavorazione del minerale puro è molto inquinante. Per questo nel 2024 è nata RARA Factory, una fondazione legata all’Università Ca’ Foscari di Venezia. Il suo obiettivo è cercare soluzioni più sostenibili e meno dannose per l’ambiente. Il laboratorio è stato inaugurato ufficialmente il 17 luglio 2025 presso Parco Scientifico Tecnologico VEGA di Marghera. È dotato di sistemi di calcolo avanzato e modello IA proprietario per progettare nuovi materiali, e di strumenti per la sintesi e la caratterizzazione rapida delle leghe. Fondamentale per il progetto è un algoritmo brevettato, che consente di individuare materiali alternativi alle terre rare usando elementi abbondanti come silicio, ferro, alluminio, calcio che combinati insieme possono dare vita a nuove leghe o compositi con prestazioni equivalenti o superiori ma con un impatto ambientale molto minore.

CAPITOLO proprietà dei materiali 3

CI OCCUPEREMO DI...

1. Che cos’è la tecnologia meccanica

2. Le norme UNI

3. Le principali caratteristiche dei materiali

4. Proprietà chimico-strutturali

3.1 Che cos’è la tecnologia meccanica

Il termine tecnologia deriva dalla combinazione di due termini appartenenti alla lingua greca antica:

– téchne, che significa arte (e cioè ogni attività umana che si compie con l’ingegno, secondo regole precise dettate dall’esperienza e dallo studio);

– lògos, che significa discorso.

Pertanto il significato del termine tecnologia è letteralmente discorso su un’arte. Per quello che ci riguarda:

la tecnologia è lo studio dei procedimenti e delle attrezzature necessarie per la trasformazione di una determinata materia prima in un prodotto industriale.

In ogni ramo della tecnica esiste una specifica tecnologia: tessile, chimica, elettronica e così via, fino a giungere alla tecnologia meccanica, sulla quale si basa la maggior parte delle altre tecnologie.

Essa infatti si occupa della realizzazione di un oggetto, partendo dalla materia prima e passando attraverso i vari processi che porteranno al manufatto finale (➜ Fig. 1). I materiali necessari per le costruzioni non si trovano in natura già pronti a soddisfare le esigenze e i bisogni dei produttori, ma si ricavano dai minerali che li contengono. Una volta estratti, questi minerali vengono manipolati per ottenere il grezzo di lavorazione, che sarà sbozzato nel modo più opportuno per rendere più

5. Proprietà fisiche

6. Proprietà meccaniche

7. Proprietà tecnologiche

facili e meno costose le lavorazioni necessarie a ottenere il prodotto finito.

Ecco quindi che è necessario conoscere anzitutto i materiali e le loro proprietà, ma anche gli utensili e le macchine per la loro lavorazione, e gli strumenti necessari per i controlli di misura e di qualità durante e alla fine della realizzazione del pezzo. È necessario studiare come produrre, fondere, fucinare, stampare e laminare i materiali impiegati nell’industria: tutto ciò è oggetto di studio della tecnologia meccanica.

➜ Fig. 1 • Gli ingranaggi di un comune orologio meccanico sono un semplice esempio della tecnologia che ci circonda.

Technology

It is the collection of techniques, skills, methods and processes used in the production of goods or services or in the accomplishment of objectives, such as scientific investigation. Technology can be the knowledge of techniques, processes, and the like, or it can be embedded in machines which can be operated without detailed knowledge of their workings.

3.2 Le norme UNI

Il linguaggio permette di comunicare e quindi di scambiare informazioni. Perché un linguaggio sia efficace deve rispettare i concetti di universalità e di precisione: l’universalità permette al linguaggio di essere compreso da un maggior numero di persone, mentre la precisione permette di evitare equivoci sul significato delle sue espressioni. Nell’industria il problema di un linguaggio preciso e universale era ed è molto sentito, perché esso permette di rendere compatibili tra loro i vari manufatti, anche se costruiti da ditte e da nazioni diverse. Per soddisfare tali esigenze sono stati fondati a livello internazionale il CEN (Comitato Europeo Normazione) e la ISO (International Standardizing Organization), due enti che hanno il compito di coordinare e divulgare normative che servono da guida alle industrie europee e mondiali, le quali possono anche proporre aggiornamenti e modifiche delle norme stesse. Oltre a questi enti esistono anche enti nazionali, che fanno loro riferimento; in Italia è stato istituito l’UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione).

Anche in campo tecnologico esistono norme specifiche alle quali si farà riferimento nello svolgimento degli argomenti trattati. Con la realizzazione dell’Unione europea si è presentata la necessità di armonizzare le norme esistenti nei vari stati membri che trattavano pari argomento, quindi sono nate le Norme Europee EN. Il lavoro di armonizzazione delle norme

Proprietà chimico-strutturali

Tipi di reticolo

Capacità di formare leghe

Tossicità

Resistenza alla corrosione

Importanti per l’impiego e per la lavorazione dei materiali

è lungo e tuttora in corso, pertanto è normale trovare norme UNI ritirate perché sostituite da quelle armonizzate EN ISO. Un esempio di designazione di una norma armonizzata è EN UNI ISO 6507-1/2015. La sigla indica che la norma è internazionale, valida in Italia e in Europa, redatta nell’anno 2015.

3.3 Le principali caratteristiche dei materiali

Ogni materiale possiede proprietà e caratteristiche proprie.

In sede di progettazione di un organo meccanico (o di un oggetto qualsivoglia) è importante sapere, per esempio, se nel processo produttivo il materiale utilizzato:

– deve essere lavorato alle macchine utensili;

– è esposto o meno ad ambienti aggressivi;

– deve subire trattamenti termici;

– è lavorato per deformazione plastica;

– è sensibile o meno al campo elettrico.

La conoscenza delle proprietà dei materiali permette quindi di sceglierli in modo idoneo, sulla base delle applicazioni e delle lavorazioni. Tra le più importanti proprietà ci sono:

– le proprietà chimico-strutturali;

– le proprietà fisiche;

– le proprietà meccaniche;

– le proprietà tecnologiche.

PROPRIETÀ DEI MATERIALI

Proprietà fisiche

Massa volumica e densità

Dilatazione termica

Capacità termica massica

Temperatura di fusione

Caratteristiche elettriche

Importanti per l’impiego dei materiali

Proprietà meccaniche

Durezza

Resilienza

Usura

Resistenza meccanica

Tenacità

Elasticità

Importanti per la resistenza alle forze e alle deformazioni dei materiali

Proprietà tecnologiche

Duttilità o trafilabilità

Estrudibilità

Malleabilità

Piegabilità

Imbutibilità

Importanti per la lavorazione dei materiali

3.4 Proprietà chimico-strutturali

Sono quelle proprietà che riguardano la struttura interna, ossia la distribuzione degli atomi, dalla quale dipendono le proprietà tecnologiche e meccaniche. Tra le proprietà chimiche ci sono la resistenza alla corrosione (che rappresenta l’interazione di un materiale con l’ambiente che lo circonda), la capacità di formare leghe, la tossicità.

Per una buona conoscenza del comportamento di un materiale dal punto di vista chimico, fisico, meccanico e tecnologico è necessario conoscere la sua composizione atomica e la sua struttura molecolare allo stato solido.

3.4.1 LEGAME METALLICO

Gli atomi sono legati tra loro da legami metallici, generati da uno o più elettroni che si allontanano spontaneamente dagli strati più esterni (orbitali periferici) degli atomi metallici. Quindi gli atomi metallici diventano ioni positivi e gli elettroni liberi generano una nuvola elettronica di ioni negativi vaganti nello spazio tra gli ioni positivi metallici. Gli ioni positivi metallici hanno cariche dello stesso segno e quindi tendono a respingersi, ma la nuvola elettronica provvede alla loro coesione mantenendoli in posizioni ben precise nello spazio (➜ Fig. 2).

ioni positivi nuvola elettronica negativa

➜ Fig. 2 • Legame metallico.

3.4.2 CELLA ELEMENTARE E CRISTALLO

La cella elementare è il più piccolo parallelepipedo o prisma che mantiene tutte le caratteristiche di simmetria del cristallo (se ne possono vedere alcune in ➜ Fig. 3). Un cristallo o reticolo cristallino, di dimensioni fissate a piacere, è l’insieme di tante celle elementari, tutte con la stessa orientazione (➜ Fig. 4).

3.4.3 TIPI DI RETICOLO

Comunemente si definisce solido un corpo materiale che ha forma e volume propri. Dal punto di vista fisico si considerano solidi i corpi materiali formati da cristalli e da microcristalli.

I cristalli si presentano esternamente con facce piane e angoli diedri, di solito disposti in modo più o meno regolare. Quando si sfaldano lo fanno generalmente rompendosi di netto, parallelamente alle facce del cristallo. Infatti se, per esempio, percuotiamo con un martello un cubo di sale da cucina (cloruro di sodio), otteniamo un insieme di piccoli cubi o di prismi ortogonali. Possiamo considerare un cristallo come un “disegno” nello spazio ottenuto ripetendo più volte uno stesso “motivo”.

Il fisico e cristallografo francese Auguste Bravais (1811-1863) ha dimostrato che tutti i cristalli si possono classificare secondo 14 reticoli elementari riducibili a 7 gruppi, che costituiscono i sistemi cristallini

Tutta l’infinita varietà di cristalli si ottiene sostituendo ai punti (le palline verdi in figura 3) di questi 14 reticoli dei “motivi” simmetrici o no, come atomi, ioni, molecole o un loro insieme.

Le celle elementari più frequenti sono quella cubica e quella esagonale

➜ Fig. 3 • Rappresentazione grafica delle

➜ Fig. 4 • Cristallo o reticolo cristallino.

Un reticolo CFC è duttile, malleabile e meglio deformabile di un reticolo CCC, che è invece più duro e meno deformabile. Il reticolo EC risulta molto fragile. Per fare una pentola si usa un materiale CFC, mentre per fare la carrozzeria di una vettura si usa un acciaio CCC.

La cella cubica a corpo centrato CCC in ➜ Fig. 5 contiene 9 “motivi” (atomi) di cui 1 atomo centrale che appartiene tutto alla cella, mentre gli 8 ai vertici partecipano solo per 1/8 all’occupazione della cella stessa nel reticolo del cristallo; quindi: 8 · 1/8 ai vertici + 1 al centro del cubo = = 1 + 1 = 2 atomi

La cella cubica a facce centrate CFC in ➜ Fig. 6 contiene 14 “motivi” (atomi) di cui gli 8 ai ver-

➜ Fig. 5 • Cella unitaria CCC:

(a) modello puntiforme; (b) sezione del modello a sfere rigide; (c) modello a sfere rigide.

➜ Fig. 6 • Cella unitaria CFC:

(a) modello puntiforme; (b) sezione del modello a sfere rigide; (c) modello a sfere rigide.

Bario

➜ Fig. 7 • Cella unitaria EC: (a) modello puntiforme; (b) modello a sfere rigide.

tici partecipano solo per 1/8 all’occupazione della cella, mentre i 6 al centro delle sei facce del cubo partecipano solo per 1/2 all’occupazione della cella; quindi:

8 · 1/8 ai vertici + 6 · 1/2 al centro delle facce = = 1 + 3 = 4 atomi

La cella esagonale compatta EC in ➜ Fig. 7 contiene 17 “motivi” (atomi) di cui i 12 atomi ai vertici partecipano solo per 1/6 all’occupazione della cella, i 2 al centro delle basi partecipano solo per 1/2 all’occupazione della cella, mentre i 3 atomi disposti a triangolo equilatero a metà altezza partecipano per intero alla cella; quindi:

12 · 1/6 ai vertici + 2 · 1/2 al centro delle basi + 3 a metà altezza = 2 + 1 + 3 = 6 atomi

Calcio > 450 °C

Cromo

Ferro α

Manganese < 700 °C

Molibdeno

Niobio

Sodio

Tantalio

Titanio > 882 °C

Wolframio

Vanadio

➜ Tab. 1 • Reticoli di alcuni

Alluminio

Argento

Calcio < 450 °C

Cerio

Cobalto > 400 °C

Ferro γ

Manganese < 1140 °C

Nichel

Oro

Palladio

Piombo

Platino

Rame

Berillio

Cadmio

Cobalto < 400 °C

Magnesio

Titanio

Zinco

Zirconio

3.4.4 CORROSIONE

La corrosione di un materiale metallico, a seconda dell’ambiente in cui si trova, può essere di due tipi: umido; secco.

CORROSIONE A UMIDO O ELETTROCHIMICA

Si ha corrosione a umido quando il materiale metallico si degrada perché è a contatto con un ambiente acquoso di natura elettrolitica (➜ Fig. 8).

La ➜ Fig. 9 mostra il meccanismo di degradazione: la pila.

Un recipiente contiene una soluzione acida e due piastrine di materiale diverso, per esempio rame e zinco. Lo zinco, che costituisce l’anodo, si scioglie nella soluzione acida dando luogo ad atomi privi di

due elettroni (cationi) che procedono verso il rame, che costituisce il catodo. Anche gli elettroni procedono verso il rame percorrendo però il filo elettrico.

Sia gli elettroni sia i cationi zinco raggiungono pertanto la piastrina di rame ricoprendola, mentre lo zinco si degrada.

La corrosione a umido si manifesta quindi se sono contemporaneamente presenti quattro elementi:

– un catodo;

– un anodo;

– una soluzione elettrolitica; – un filo conduttore reale o ideale.

Nel caso in cui manchi uno di questi quattro elementi il fenomeno corrosivo si arresta o non si verifica.

CORROSIONE A SECCO O CHIMICA

Si ha corrosione a secco quando il materiale metallico si degrada perché è a contatto con un ambiente gassoso come ossigeno, idrogeno, azoto, ossido di carbonio, oppure con un ambiente liquido di natura non elettrolitica come sali, metalli fusi, soluzioni non acquose ecc.

La reazione chimica con gas di solito avviene a elevata temperatura, per cui si parla frequentemente di corrosione a caldo, e in particolare, nel caso più comune in cui la sostanza che si combina con il materiale metallico sia l’ossigeno, si parla di ossidazione a caldo

e–percorso degli elettroni

e–

e–

e–

rame elettrolita zinco

➜ Fig. 9 • Disegno schematico del passaggio di cariche elettriche negative (elettroni) da un metallo più elettronegativo (lo zinco) a un metallo meno elettronegativo (il rame). Per convenzione il senso della corrente elettrica è opposto al senso di percorso degli elettroni.

In ➜ Fig. 10 si vede l’interno di una marmitta da motocicletta. Il materiale alluminio della marmitta si è corroso per l’alta temperatura. Ciò sta a indicare che il materiale scelto non era idoneo.

La corrosione chimica è provocata dall’ossigeno che a contatto con il metallo di superficie si combina con gli elettroni, determinando il passaggio del metallo dalla sua forma vera e propria alla forma ionizzata, con la conseguenza che esso perde le sue caratteristiche meccaniche e chimiche, trasformandosi in un ossido o in un solfato, secondo il tipo di metallo. Nel caso del ferro, per esempio, si forma un ossido di ferro, detto ruggine (➜ Fig. 11).

➜ Fig. 10 • Corrosione all’interno di un tubo di scarico di una motocicletta.

➜ Fig. 11 • Schematizzazione del fenomeno della corrosione chimica.

3.5 Proprietà fisiche

Sono quelle proprietà che riguardano i caratteri generali della materia in relazione agli agenti esterni come la forza di gravità, il calore, i fenomeni elettrici e magnetici ecc.

3.5.1 MASSA VOLUMICA E PESO SPECIFICO

Per massa volumica di una sostanza si intende la massa m della sostanza contenuta nell’unita di volume V.

In simboli: ρ m V

Le sue dimensioni sono kilogrammi massa diviso metri cubi (kg/m3). Valori tipici della massa volumica di alcuni materiali sono riportati nella ➜ Tab. 2.

Per peso specifico γ si intende il peso mg di un campione di materiale diviso il suo volume V.

Nel SI l’unita di misura del peso specifico è il N/m3 (N = newton), ma di solito impropriamente si usa il kgf/m3. Questo parametro non va impiegato in sostituzione della massa volumica, perché nella definizione di peso c’è una grandezza non assoluta, l’accelerazione di gravità g, che dipende dal luogo e dall’altitudine dove avviene la misura: γ mg V

(a 4 °C)

➜ Tab. 2 • Massa volumica di alcuni materiali.

L’esercizio che segue si propone di spiegare il significato di massa volumica apparente.

ESEMPIO

Calcoliamo il volume del blocco:

V = (0,365 · 0,247 · 0,238) m = 0,0214569 m3

Calcoliamo la massa volumica apparente, che è quella che si calcola considerando il volume totale occupato dal mattone, compresi anche gli spazi vuoti:

ρ m V 16,7 5 kg 0, 214569 m 781 kg m 33 a

Per calcolare la vera massa volumica bisogna trasformare il vuoto come se fosse pieno. Sappiamo che il mattone è per il 49,3% vuoto e per il 50,7% pieno, quindi il peso di 781 kgf va imputato al 50,7% di pieno e poi trasferito al 49,3% di vuoto. Possiamo calcolare quanto pesa l’1% di pieno e poi moltiplicarlo per 49,3% di vuoto:

78 1

50,7 49,3 75 9 kg m3 ρ

Questo peso va poi sommato a 781 kgf:

75 97 81 1540 kg m3

La definizione di massa volumica apparente ha validità anche per la materia granulare come la sabbia, le granaglie o il terreno.

Nell’esercizio proposto si noti che il peso del blocco dovrebbe essere espresso in newton, ma la scheda di prodotto riporta 16,75 kg; tale valore va inteso in kgf (kilogrammi forza), essendo un peso, cioè una forza. È consuetudine usare, erroneamente, la stessa unità di misura per indicare due grandezze diverse: il peso e la massa.

3.5.2 DILATAZIONE TERMICA

È noto che se si riscalda un corpo questo si dilata, mentre se lo si raffredda esso si contrae. E anche noto che un corpo nello spazio ha tre dimensioni e, nel caso di corpi molto allungati, in cui cioè una di queste tre dimensioni è prevalente rispetto alle altre due, si parla di dilatazione termica lineare (➜ Fig. 12).

E questo il caso di fili, barre, rotaie ecc. La formula matematica per poter calcolare l’allungamento o l’accorciamento di un corpo molto allungato è:

I simboli nella formula hanno il seguente significato:

Lf = lunghezza finale della barra in metri;

Li = lunghezza iniziale della barra in metri;

α = coefficiente di dilatazione lineare in 1/K;

Tf = temperatura finale della barra in gradi kelvin;

Ti = temperatura iniziale della barra in gradi kelvin.

Il valore del coefficiente di dilatazione lineare dipende dal tipo di materiale. La ➜ Tab. 3 riporta i valori del coefficiente di dilatazione termica lineare di alcuni materiali a temperatura ambiente.

➜ Fig. 12

➜ Tab. 3 • Coefficiente di dilatazione termica lineare di alcuni materiali a temperatura ambiente.

ESEMPIO

Calcolare l’allungamento di una rotaia di acciaio lunga 14 m, sapendo che in inverno la temperatura raggiunge i −10 °C, mentre in estate la temperatura tocca i 50 °C. Si tratta di un corpo molto allungato, per cui è applicabile la formula:

ΔL = Li · α · (Tf − Ti)

Inserendo in essa i dati noti abbiamo:

Lf − Li = ΔL = 14 · 0,000012 · [(273,15 + 50) − (273,15 − 10)] = = 0,010080 m = 10,08 mm

Dinque la rotaia, tra l’estate e l’inverno, subisce un allungamento di circa un centimetro.

3.5.3 CAPACITÀ TERMICA MASSICA

Per capacità termica massica (cs) di un corpo solido si intende la quantità di calore che si deve fornire alla sua massa di 1 kg affinché il corpo aumenti la propria temperatura di 1 K (grado kelvin) o di 1 °C (grado centigrado).

L’unità di misura della capacità termica massica è:

J kg K

Se un materiale ha massa M diversa da 1 kg, allora si definisce come capacità termica, espressa in J/K, l’espressione:

C = cs M

Quindi la quantità di calore Q espressa in joule necessaria per portare un corpo solido di massa M da un valore iniziale di temperatura Ti al valore finale Tf è:

Q = cs · M · (Ti Tf)

CALORIMETRO O BOMBA DI MAHLER

È costituito da una camera di combustione con pareti metalliche per consentire lo scambio di calore, un contenitore isolante riempito d’acqua, possibilmente distillata, nella quale è immersa la camera di combustione, un termometro per misurare l’innalzamento

della temperatura dell’acqua al termine del processo di combustione che avviene per la presenza di ossigeno, e un agitatore (➜ Fig. 13).

acqua termometro agitatore

atmosfera di ossigeno materiale di combustione li di accensione

ESEMPIO

Calcolare la quantità di calore necessaria per portare un pezzo d’acciaio di massa 2,57 kg dalla temperatura ambiente di 15 °C alla temperatura di tempra di 830 °C. Applichiamo la formula Q = cs · M · (Tf – Ti)

Sapendo che:

M = massa di 2,57 kg;

cs = capacità termica massica dell’acciaio pari a 502 J/(kg · K);

Tf = temperatura ambiente di 15 °C si ha:

0, 50 kJ kg °C 2, 57 kg [(273,1 5 830) K(27 3,15 15) K] 1051,5 kJ

➜ Tab. 4 • Capacità termica di alcuni materiali ed elementi chimici.

3.5.4 TEMPERATURA DI FUSIONE

Per temperatura di fusione si intende quella particolare temperatura alla quale un determinato materiale passa dallo stato solido a quello liquido.

Se a fondere è una sostanza omogenea, per esempio solo oro o solo argento, allora la temperatura di fusione rimane costante per tutto il tempo necessario per il passaggio di stato.

+ liquido

passaggio di stato (➜ Fig. 14). In questo caso si dovrà parlare di temperatura di inizio fusione e di temperatura di fine fusione.

Nella ➜ Tab. 5 riportiamo alcune temperature di fusione a pressione atmosferica e a temperatura ambiente.

3.5.5 CARATTERISTICHE ELETTRICHE

+ vapore vapore

Se invece a fondere è una lega, come può essere l’acciaio, allora la temperatura di fusione varia durante il Materiale

Due delle leggi più importanti della fisica che studia i fenomeni elettrici sono senz’altro le leggi del fisico tedesco Georg Ohm (1787-1854).

sosta termica fusione sosta termica ebollizione

➜ Fig. 14 • Grafico del cambiamento delle fasi. Ogni sostanza pura ha una curva di riscaldamento, una temperatura di fusione e una di ebollizione caratteristiche, in funzione della pressione a cui avviene il passaggio di stato.

Acciaio 1570÷1670 1300÷1400

Alluminio 931 658

Argento 1234 960

Bronzo 1170÷1270 900÷1000

Ghisa bianca 1400 1130

Ghisa grigia 1470 1200

Nichel 1723 1450

Oro 1336 1063

Ottone 1170÷1270 900÷1000

Piombo 600 327

Rame 1356 1083

Silicio 1693 1420

Stagno 505 232

Zinco 693 420

➜ Tab. 5 • Temperature di fusione a pressione atmosferica di alcuni materiali solidi a temperatura ambiente.

La prima legge di Ohm affronta il problema del calcolo della resistenza elettrica R di un conduttore introducendo il concetto di resistività elettrica r, definita come:

la resistenza che si ha al passaggio della corrente elettrica in un conduttore lungo 1 m e di sezione 1 m2

I valori della resistività sono dati nella ➜ Tab. 6. La formula della prima legge di Ohm è:

R = r L S

dove:

R = resistenza elettrica (Ω );

r = resistività elettrica (Ω · m2/m);

L = lunghezza del conduttore (m);

S = sezione del conduttore (m2) (➜ Fig. 15).

➜

I resistori elettrici (➜ Fig. 16) sono contraddistinti da un certo numero di fasce colorate decodificabili mediante la tabella codice colori (➜ Fig. 17): ogni colore individua un valore di resistenza elettrica.

ESEMPIO

Calcolare la resistenza elettrica e l’intensità di corrente elettrica in un filo di rame lungo L = 510 m avente diametro Ø = 1,5 mm (S = 1,767 mm2) sottoposto a una differenza di potenziale di 12 volt.

Con la prima legge di Ohm calcoliamo R:

➜ Fig. 15 • Circuito elettrico di accensione di un led azzurro. Si determina il valore della resistenza elettrica osservando la tabella codice colori: rossorosso-marrone-oro.

➜ Fig. 16 • Resistori elettrici.

➜ Fig. 17 • Tabella codice colori.

3.6 Proprietà meccaniche

Per proprietà meccaniche si intendono le attitudini che ha un materiale a resistere a sollecitazioni o azioni esterne che tendono a deformarlo . Per determinarle si ricorre a prove di laboratorio, tutte effettuate con procedimenti unificati dalla normativa europea EN. Quando su un materiale agisce una forza dall’esterno, questa genera al suo interno delle forze che si oppongono a quelle attrattive molecolari. Se l’entità delle forze molecolari è inferiore all’azione di quelle generate dalla forza esterna, allora il materiale si rompe; altrimenti si manifesta una deformazione o elastica o permanente del materiale.

3.6.1 DUREZZA

La definizione di durezza non è unica, infatti si tratta di una proprietà convenzionale dei materiali che dipende dal metodo impiegato per rilevarla. Tre di questi metodi sono indicati nella ➜ Fig. 18. Nell’Ottocento del secolo scorso aveva importanza il principio di durezza di Mohs, basato sulla resistenza che un materiale offriva a lasciarsi scalfire da parte di un altro materiale. Per trasformare il valore delle forze in newton basta moltiplicare per 9,80665 m/s2.

➜ Fig. 18 • Durezza Rockwell cono e sfera, Brinell e Vickers.

Oggi è più indicato valutare la durezza di un materiale basandosi sulla resistenza che esso oppone a lasciarsi penetrare da un altro materiale più duro e di forma opportuna. La figura 18 mostra le impronte lasciate da penetratori di forma opportuna: cono in diamante a 120° per la durezza HRC e sfera in acciaio del diametro di 1/16" per la durezza HRB; sfera in carburo di wolframio da 10 mm di diametro per la durezza Brinell; piramide in diamante a 136° per la durezza Vickers.

3.6.2 RESILIENZA

Per resilienza si intende la resistenza che un materiale oppone a una sollecitazione dinamica impulsiva, cioè a una sollecitazione che tende a romperlo improvvisamente per urto (per esempio, una caduta o una martellata).

Esistono macchine come i magli o attrezzi come gli incudini e i martelli che devono resistere a questo tipo di sollecitazione impulsiva (➜ Fig. 20). Importante è anche la temperatura alla quale il materiale si trova. In genere, più la temperatura è bassa e minore è la capacità del materiale di resistere agli urti, quindi minore è la resilienza, e il materiale si comporta in modo fragile. Viceversa, più alta è la temperatura e più alta è la capacità resiliente del materiale, che così è più duttile.

La temperatura che determina il passaggio da un comportamento duttile a uno fragile dello stesso materiale si dice temperatura di transizione.

3.6.3 TENACITÀ

La tenacità è quella caratteristica del materiale che gli permette di sopportare carichi e urti senza rompersi facilmente, poiché il materiale ha la capacità di immagazzinare energia nel campo elastoplastico prima di rompersi.

La tenacità il contrario della fragilità.

Con riferimento alla prova di trazione in ➜ Fig. 21, un modo per misurare la tenacità è quello di calcolare l’area sottesa alla curva di trazione, che rappresenta il lavoro di deformazione che il materiale può assorbire fino all’istante precedente la rottura.

➜ Fig. 19 • Resilienza: resistenza all’urto.

testa d’asino incudine albero a camme

➜ Fig. 20 • Maglio antico per lavorazione del ferro.

➜ Fig. 21 • Diagramma da prova di trazione.

3.6.4 ELASTICITÀ

L’elasticità è la proprietà di un materiale di deformarsi sotto l’azione di sollecitazioni esterne, e riprendere la forma e il volume primitivi non appena queste cessano di agire.

Le deformazioni sono: elastiche quando, togliendo la sollecitazione esterna, il materiale riprende la forma e le dimensioni primitive; è questo il caso della molla di un ammortizzatore (➜ Fig. 22); plastiche o permanenti quando, togliendo la sollecitazione esterna, il materiale rimane deformato.

Il valore dell’elasticità permette di prevedere sia le deformazioni elastiche, che possono essere dannosissime per il funzionamento di alcuni meccanismi, sia le deformazioni permanenti che, anche con una piccola variazione di carico, possono portare a rottura il materiale.

Forza ester na (mano)

Forza elastica

➜ Fig. 22 • Esempio di deformazione elastica.

3.6.5 RESISTENZA MECCANICA

Per resistenza meccanica si intende la capacità di un materiale di sopportare le sollecitazioni esterne che tendono a deformarlo o a romperlo.

Le sollecitazioni esterne o azioni esterne (➜ Fig. 23) sono tutte le forze statiche (per esempio un carico sospeso), dinamiche (per esempio una martellata) e periodiche (per esempio un pistone che si muove) che dall’esterno possono agire sul materiale generando, nelle particelle interne, uno stato di tensione interno. Il compito del progettista calcolatore è quello di evitare che questo stato di tensione interno possa indurre rottura o deformazione non controllata nel materiale.

Le sollecitazioni semplici sono quattro: trazione o compressione N (➜ Fig. 24); taglio T (➜ Fig. 25); flessione Mf (➜ Fig. 26); torsione Mt (➜ Fig. 27).

Quasi sempre, nei casi reali, le sollecitazioni esterne che agiscono sul materiale sono combinazioni di sollecitazioni semplici: si parla allora sollecitazioni composte.

➜ Fig. 23 • Esempi di sollecitazioni esterne che agiscono sul manufatto.

➜ Fig. 24 • Trazione o compressione N.

➜ Fig. 25 • Taglio T.

➜ Fig. 26 • Flessione Mf prodotta dal carico q.

sopporto per per no intermedio

➜ Fig. 27 • Torsione Mt

sopporto per per no d’estremità

3.7 Proprietà tecnologiche

Sono quelle proprietà che riguardano l’attitudine dei materiali a lasciarsi lavorare, ossia a lasciarsi trasformare da materiale grezzo a prodotto finito.

3.7.1 DUTTILITÀ O TRAFILABILITÀ

Per duttilità si intende l’attitudine che ha un materiale a lasciarsi trasformare in fili sottili (per questo viene detta anche trafilabilità). ➜ Fig. 28 • Principio di trafilatura.

La trasformazione in fili può essere a freddo o a caldo e avviene quando il materiale è costretto, se tirato, ad attraversare una filiera o matrice provvista di un foro di dimensione e sezione opportune.

Una volta subita la lavorazione plastica o di modellazione, il materiale non deve essersi né rotto né fessurato.

La ➜ Fig. 28 mostra la filiera e il materiale costretto ad attraversarla perché tirato da un apposito organo di presa.

3.7.2 ESTRUDIBILITÀ

Per estrudibilità si intende l’attitudine che ha un materiale ad assumere una determinata geometria della sezione qualora sia spinto attraverso il foro opportunamente sagomato di una matrice.

La ➜ Fig. 29 mostra come un materiale è estruso grazie all’azione di spinta di un pistone. Il materiale attraversa il foro di una matrice o filiera; nel primo disegno si sta ottenendo un corpo pieno, nel secondo un corpo forato.

3.7.3

MALLEABILITÀ

Per malleabilità si intende l’attitudine che ha un materiale a lasciarsi trasformare in lamine sottili.

Una volta subita la lavorazione plastica, che può avvenire sia a caldo che a freddo, il materiale non deve essersi rotto né presentare fessurazioni. Le macchine in grado di fare ciò sono le presse, i laminatoi e i magli.

Di solito i materiali malleabili sono anche duttili.

La ➜ Fig. 30 mostra come un materiale è trasformato in lamina dopo il passaggio tra due cilindri rotanti in senso opposto.

La distanza tra i due cilindri determina lo spessore della lamiera stessa.

➜

3.7.4 PIEGABILITÀ

Per piegabilità si intende l’attitudine che ha un materiale a lasciarsi piegare senza difficoltà.

Una volta subita la lavorazione plastica di piegatura, il materiale non deve essersi né rotto né deve presentare fessurazioni.

Questa proprietà è imposta dalla UNI sulle lamiere per la costruzione di scambiatori di calore, sui recipienti in pressione e sui tondini usati nelle applicazioni civili per calcestruzzo.

La ➜ Fig. 31 mostra come un materiale è piegato dall’azione di una pressa.

da solido a liquido, deve avvenire con una certa gradualità. Si deve osservare anche che i materiali ben saldabili per fortuna non sono anche ben colabili e viceversa. La ➜ Fig. 33 mostra come si possono unire due materiali tramite saldatura a elettrodo rivestito.

➜ Fig. 31 • Prova di piegabilità.

3.7.5 IMBUTIBILITÀ

Per imbutibilità si intende l’attitudine che ha un materiale, già prodotto in lamiera, a lasciarsi formare a freddo per ottenere corpi cavi, ossia recipienti.

Una volta subita la deformazione plastica a freddo di imbutitura, il materiale non deve essersi rotto né deve presentare fessurazioni. La ➜ Fig. 32 mostra come un materiale è imbutito grazie all’azione di un punzone a estremità sferica (prova Erichsen).

movimento dell’elettrodo visto dall’alto

3.7.6 SALDABILITÀ

Per saldabilità si intende l’attitudine che ha un materiale a lasciarsi unire alle sue parti o a un altro materiale tramite fusione.

Per avere il risultato migliore bisogna che il materiale raggiunga una condizione di pastosità o comunque di plasticità poco prima di arrivare a fusione. Il cambiamento di stato del materiale, cioè il passaggio

3.7.7 COLABILITÀ

Per colabilità si intende l’attitudine che ha un materiale, una volta liquido, a riempire completamente la forma in cui viene versato, al fine di ottenere un prodotto finito detto getto.

Il pezzo che si è solidificato nella forma non deve presentare zone mancanti; il materiale deve cioè essere sufficientemente scorrevole e mantenersi allo stato liquido sino al completo riempimento della forma stessa.

La ➜ Fig. 34 mostra come avviene una colata in una forma con completo riempimento.

➜

3.7.8 TEMPRABILITÀ

Per temprabilità si intende la capacità che hanno le leghe metalliche e i metalli di cambiare la propria struttura interna a seguito di un trattamento di tempra.

Tale trattamento è costituito da:

a. un riscaldamento;

b. una permanenza per un tempo determinato a una temperatura stabilita dipendente dal materiale o dalla lega utilizzata;

c. un successivo rapido raffreddamento in acqua, olio o altro mezzo raffreddante (➜ Figg. 35-36).

t (°C) 1000

➜ Fig. 35 • Rappresentazione schematica del ciclo termico di trattamento di tempra.

Ci sono metalli come l’oro che, dopo aver subito il trattamento termico di tempra, diventano malleabili e duttili così da essere lavorati più agevolmente. Al contrario, ci sono leghe metalliche come gli acciai (leghe costituite da ferro e carbonio), che diventano più dure. Tali acciai devono però contenere una quantità in peso di carbonio almeno dello 0,3%. Acciai con tenore di carbonio inferiore rivelano poco o non rivelano affatto aumenti della durezza. Esistono quindi metalli come l’oro che si addolciscono, e materiali come l’acciaio o il duralluminio che si induriscono.

for no a muffola raffreddamento rapido

➜ Fig. 36 • Riscaldamento e raffreddamento rapido di un pezzo di acciaio.

VERIFICA LE CONOSCENZE

Proprietà chimico-strutturali e fisiche dei materiali

1. Il ferro a temperatura ordinaria è:

a ferro α

b ferro β

c ferro γ

d ferro δ.

2. Il ferro ha reticolo:

a cubico a facce centrate.

b cubico a corpo centrato.

c esagonale compatto.

d tetragonale.

3. L’oro ha reticolo:

a esagonale compatto.

b cubico a corpo centrato.

c ortorombico.

d cubico a facce centrate.

4. Il titanio ha reticolo:

a tetragonale.

b cubico corpo centrato.

c ortorombico.

d esagonale compatto.

5. La corrosione a umido si evita quando manca:

a l’idrogeno.

b l’azoto.

c l’ossigeno.

d l’elettrolita.

6. La corrosione a caldo si evita quando manca:

a il catodo.

b l’ossigeno.

c l’anodo.

d il filo conduttore.

7. Per massa volumica di un materiale si intende:

a il peso per unità di volume del materiale.

b il peso riferito a tutto il volume del materiale.

c la massa per unità di volume del materiale.

d la massa riferita a tutto il volume del materiale.

Test interattivi

8. La massa volumica del calcestruzzo nel SI è:

a 2400 kg/m3.

b 2400 l/m3

c 2,40 kg/dm3.

d 2,40 kg/l.

9. Se sottoposta a una ΔT di 70 °C, una barra di bronzo lunga 5 m si allunga di:

a ΔL = 6,3 mm.

b ΔL = 8,4 mm.

c ΔL = 5,2 mm.

d ΔL = 4,2 mm.

10. La quantità di calore necessaria per portare 4 kg d’oro da 10 °C a 500 °C è:

a Q = 315,12 kJ.

b Q = 110,23 kJ.

c Q = 445,66 kJ.

d Q = 252,84 kJ.

11. La resistenza elettrica di un filo di stagno lungo 50 m e di diametro 2,5 mm è:

a R = 0,58 Ω.

b R = 2,44 Ω.

c R = 1,16 Ω.

d R = 3,18 Ω.

Proprietà meccaniche e tecnologiche dei materiali

12. La durezza è la resistenza che un materiale offre:

a all’abrasione.

b alla scalfittura.

c all’attrito.

d alla penetrazione.

13. La resilienza è la resistenza che un materiale oppone a una sollecitazione:

a statica.

b impulsiva.

c dinamica.

d di fatica.

prove sui materiali 4

CI OCCUPEREMO DI...

1. I controlli non distruttivi

4.1 I controlli non distruttivi

4.1.1 PROVE DI DUREZZA E LORO SCOPO

Le prove di durezza si eseguono per ottenere un indice convenzionale dal quale poter trarre informazioni sulla qualità e sulle proprietà di un materiale: – la sua composizione; – il suo stato di fornitura; – la natura della sua superficie e le sue caratteristiche meccaniche.

La prova di durezza, se non è la più importante, è certamente quella più frequente, tanto che in commercio sono disponibili anche dispositivi portatili di prova più o meno precisi, come per esempio il durometro Poldi come vedremo più avanti.

La definizione di durezza non è unica. Si tratta infatti di una proprietà convenzionale dei materiali che dipende dal metodo impiegato per rilevarla. Nell’Ottocento aveva importanza il principio di durezza di Mohs, basato sulla resistenza che un materiale offriva a lasciarsi scalfire da parte di un altro materiale più duro.

2. I controlli distruttivi

Nel 1822 il mineralogista austriaco Friedrich Mohs propose una scala costituita da dieci minerali ordinati nel senso delle durezze crescenti, per cui ciascun minerale scalfisce quello che lo precede e si lascia scalfire da quello che lo segue (➜ Tab. 1). Pertanto il materiale che scalfisce è evidentemente più duro di quello scalfito.

1. talco

2. gesso

3. calcite

4. fluorite

5. apatite

6. ortoclasio

7. quarzo

8. topazio

9. corindone

10. diamante

TENERI

Si scalfiscono con un’unghia

SEMIDURI

Si rigano con una punta di acciaio

DURI

Non si rigano con una punta di acciaio

➜ Tab. 1 • Durezza dei materiali previsti nella scala Mohs.

In tecnologia questo concetto di durezza, e quindi la scala di Mohs, non è utilizzabile, perché il metodo non fornisce un solo valore ma un intervallo di valori. Infatti le durezze dei materiali di interesse tecnologico differiscono così poco tra loro che i relativi valori cadono solo tra i termini 4 e 8 della scala Mohs.

Osservando la ➜ Tab. 2 ci si accorge che un valore Mohs pari a 5 può interessare sia il ferro e le sue leghe, sia lo zinco e le sue leghe, ma come è noto questi materiali hanno durezza diversa: pertanto questa scala non fornisce un valore di durezza attendibile, ma solo un valore relativo.

Materiali

Piombo

Rame e sue leghe

Zinco e sue leghe

Ferro e sue leghe ricotte

Acciai temprati

Carburi metallici sinterizzati 9÷10

➜ Tab. 2 • Durezza in scala Mohs di alcuni materiali di uso attuale.

CONCETTO MODERNO DI DUREZZA

Oggi è più indicato valutare la durezza di un materiale basandosi sulla resistenza che esso oppone a lasciarsi penetrare da un altro materiale più duro e di forma opportuna

A questo criterio fa eccezione il metodo Shore (di cui tratteremo più avanti). Il diagramma sottostante considera sia la vecchia sia la nuova concezione di durezza SCHEMA 1 .

1

Durezza valutata con scalfitura della superficie

Durezza Mohs

4.1.2 PROVA DI DUREZZA ROCKWELL, BRINELL, VICKERS

Le modalità di prova elencate sono solo quelle confortate dalla presenza di una normativa europea. Infatti ci sono altre prove di durezza, come la prova Knoop, che non essendo normate non sono trattate in questa sede. Vediamo ora le prove di durezza più importanti. Nelle pagine che seguono illustriamo queste prove in modo dettagliato.

DUREZZA ROCKWELL

Si tratta di “intaccare” la superficie di un materiale con un penetratore dotato di una punta in diamante con angolo al vertice di 120°; il valore della durezza si stabilisce sulla base della profondità dell’impronta prodotta (➜ Fig. 1).

Si utilizza questo metodo quando non si conosce la durezza del materiale in prova, e in particolare quando i materiali sono duri come un acciaio temprato o un acciaio da utensili. In questo modo non si rischia di rompere il penetratore.

Questo tipo di prova è rapido perché il tecnico operatore si limita a leggere il valore della durezza su di un visore senza necessità di eseguire calcoli matematici.

➜ Fig. 1 • Principio della prova di durezza Rockwell.

Durezza valutata con penetrazione della superficie

Durezza Rockwell

Durezza Brinell

Durezza Vickers

DUREZZA BRINELL

Si tratta di “intaccare” la superficie di un materiale con un penetratore dotato di una punta sferica in carburo di wolframio , e sulla base del diametro medio dell’impronta prodotta, si stabilisce il valore della durezza (➜ Fig. 2).

Si utilizza questo metodo quando il materiale è tenero, quanto può esserlo un bronzo, un alluminio, un ottone o un acciaio del primo gruppo tipo S235JR. Questo tipo di prova è un po’ laborioso perché il tecnico operatore deve eseguire alcuni calcoli matematici.

DUREZZA VICKERS

Si tratta di “intaccare” la superficie di un materiale con un penetratore dotato di una punta piramidale a base quadrata in diamante con angolo al vertice di 136°, e sulla base della diagonale media dell’impronta prodotta si stabilisce il valore della durezza. Si utilizza questo metodo quando non si conosce la durezza del materiale in prova, e in particolare quando i materiali sono duri come un acciaio temprato, un acciaio da utensili, un carburo metallico o una superficie cromata. Questo metodo si utilizza per materiali anche più duri di quelli testabili con la prova Rockwell (➜ Fig. 3).

A differenza di quest’ultima, la prova di durezza Vickers è più articolata, perché il tecnico operatore deve eseguire alcuni calcoli matematici.

Riassumiamo quanto detto nella ➜ Tab. 3.

h d d 2 d1 posizione operativa d2 d1 136° 136° h

➜ Fig. 2 • Principio della prova di durezza Brinell.

➜ Fig. 3 • Principio della prova di durezza Vickers.

Durezza Tipo di penetrazione Angolo di penetrazione Carico di prova Tempo di prova (s)

ROCKWELL Cono in diamante α = 120° 1471 N 11 < t < 22

BRINNELL Sfera in carburo di wolframio Si accetta 106° < α < 152° Ottimale è α = 136°

29420 N 12 < t < 23

VICKERS Piramide a base quadrata in diamante α = 136° 294,2 N 12 < t < 23

➜ Tab. 3 • Le tre durezze classiche a confronto.

Vantaggi e svantaggi

Vantaggi: – non si conosce la durezza del materiale

– si applica per materiali duri

– la lettura del valore di durezza avviene direttamente su un visore

Svantaggi: – non si applica per materiali teneri

Vantaggi: – si sa che il materiale è piuttosto tenero

Svantaggi: – il valore della durezza si calcola con una formula matematica

Vantaggi: – non si conosce la durezza del materiale

– si applica per materiali di durezza maggiore o uguali a quelli testabili con la prova Rockwell

Svantaggi: – il valore della durezza si calcola con una formula matematica

4.1.3 LIQUIDI PENETRANTI, MAGNETOSCOPIA, ULTRASUONI, RAGGI X

I Controlli che comunemente sono detti Non Distruttivi (CND) sono un insieme di prove fisiche pensate allo scopo di indagare sull’eventuale presenza di difetti in un pezzo senza doverlo distruggere tutto o in parte, per non renderlo inutilizzabile. Tra le tecniche più importanti si elencano quelle dello schema seguente SCHEMA 2 .

Controllo con liquidi penetranti (LP)

Controllo con apparecchiatura magnetoscopica (MT)

4.1.4 PRINCIPIO DEI LIQUIDI PENETRANTI (LP)

Esistono particolari liquidi colorati che sfruttando il principio della capillarità riescono a penetrare in fessure anche piccolissime che affiorano sulla superficie del pezzo da esaminare (➜ Fig. 4).

Poi il liquido penetrato è richiamato in superficie da particolari polveri, evidenziando una traccia della grandezza e della forma del difetto. Questo metodo è in grado di rivelare l’esistenza di cricche o fessure anche di piccolissime dimensioni, situate sulla superficie del pezzo in materiali relativamente non porosi (➜ Fig. 5).

Controllo con apparecchiatura a ultrasuoni (US)

Controllo con apparecchiatura a raggiX (RX)

I materiali possono essere ferrosi e non ferrosi, magnetici e non magnetici. I normali metodi di ispezione con liquidi penetranti includono sia un’osservazione visiva diretta sia sistemi fluorescenti, dove l’indicazione è data da una traccia luminosa.

ESECUZIONE DEL METODO

La procedura di esecuzione del metodo è esemplificata nella ➜ Fig. 6, che riassume le successive operazioni da fare per l’esecuzione del controllo con i liquidi penetranti.

SGRASSAGGIO

La pulizia preliminare permette al liquido penetrante di entrare in tutte le discontinuità superficiali del materiale.

PENETRAZIONE

II liquido penetrante si applica nebulizzandolo o con il pennello. La superficie esaminata rimane completamente bagnata per tutto il tempo necessario alla penetrazione.

RIVELAZIONE

II rivelatore va applicato in modo uniforme sulla superficie in esame e subito dopo va rimosso l’eccesso di liquido penetrante. L’ispezione è di tipo visivo. Dopo l’ispezione visiva finale si fa la pulizia. Se necessario, si applica anche un’adeguata protezione anticorrosione.

LAVAGGIO ED ESSICAZIONE

L’agente di rimozione si applica in modo da non rimuovere il liquido penetrante dalle discontinuità.

4.1.5 PRINCIPIO DELLA

MAGNETOSCOPIA (MT)

Quando una barretta magnetica dotata di un polo Nord e di un polo Sud si rompe o si scheggia, allora si formano due nuovi poli (➜ Fig. 7).

La stessa cosa accade a un pezzo meccanico quando lo si immerge in un campo magnetico, se ha delle discontinuità interne.

Se si cospargono delle polveri magnetiche dette rivelatore su un pezzo meccanico con delle discontinuità, allora nascono due poli, uno Nord e l’altro Sud, che attirano le particelle magnetiche in corrispondenza di queste zone creando un accumulo di particelle (➜ Fig. 8).

In questo modo l’accumulo di particelle attirate in corrispondenza delle discontinuità ne indicano la posizione e l’entità.

4.1.6 PRINCIPIO DEGLI ULTRASUONI (US)

L’ispezione mediante ultrasuoni è un metodo non distruttivo in cui onde sonore ad alta frequenza sono introdotte nel pezzo da esaminare tramite una sonda tenuta in mano dall’operatore (➜ Fig. 9).

Lo scopo è quello di evidenziare difetti superficiali o interni, misurare lo spessore dei materiali, misurare la distanza e la dimensione delle difettosità.

Le onde ultrasonore sono generate sfruttando le proprietà piezoelettriche di alcuni materiali come il quarzo, che può contrarsi ed espandersi molto velocemente quando è sottoposto all’azione di un campo elettrico alternato, producendo delle onde elastiche capaci di penetrare nel pezzo in prova. Quando queste onde elastiche attraversano una discontinuità all’interno del pezzo, sul visore dello strumento compare un’eco che segnala la presenza di una discontinuità.

➜ Fig. 9 • Apparecchiatura per controlli a ultrasuoni.

Sullo schermo si vede un segnale dove i picchi rappresentano echi di possibili difetti.

4.1.7 PRINCIPIO DEI RAGGI X (RX)

Quando i raggi X attraversano il pezzo da esaminare, sono assorbiti di più o di meno in base allo spessore e alla densità della materia attraversata.

I raggi X che attraversano il materiale impressionano una lastra fotografica messa oltre l’oggetto da esaminare (➜ Fig. 10).

Se nell’oggetto esaminato ci sono dei difetti come cavità o inclusioni, questi assorbono meno raggi X e quindi sulla lastra risultano più scuri; se invece ci sono delle discontinuità di materiale più denso, queste assorbono più raggi X e quindi, sulla lastra, risultano più chiare.

Nelle radiografie le ossa sono di colore bianco perché assorbono più radiazioni rispetto ai tessuti molli o alle zone di frattura dell’osso, che invece lasciano passare le radiazioni e quindi sulle lastre risultano più scure (➜ Fig. 11).

➜ Fig. 10 • Posizionamento della macchina radiogena RX.

4.2 I controlli distruttivi

4.2.1 PROVA DI RESILIENZA

Per resilienza si intende la resistenza che un materiale oppone a una sollecitazione impulsiva, cioè a una sollecitazione che tende a romperlo improvvisamente, come potrebbe essere un urto.

I materiali metallici sono spesso soggetti a forti sollecitazioni o a urti, e in caso di rottura improvvisa possono costituire un pericolo per le persone e le cose vicine. Basti pensare a un recipiente in pressione o a organi rotanti. La resilienza costituisce una misura del comportamento dei materiali alla frattura rispetto al comportamento duttile-fragile (➜ Fig. 12).

La macchina utilizzata per fare la prova di resilienza è il pendolo Charpy illustrato nella ➜ Fig. 13.

comportamento duttile

comportamento fragile

temperatura di transizione r esilienza

0 T K intervallo di transizione

➜ Fig. 12 • Diagramma di resilienza: comportamento duttile-fragile.

➜ Fig. 11 • Lastre eseguite su cordone di saldatura e su una mano. ➜ Fig. 13 • Pendolo Charpy per prova di resilienza.

La prova consiste nel rompere dinamicamente per flessione una provetta intagliata in mezzeria e sostenuta da due appoggi (➜ Fig. 14).

La rottura avviene con un solo colpo esercitato da una massa che cade come un pendolo. La provetta deve essere disposta sugli appoggi con la faccia intagliata rivolta dalla parte opposta a quella su cui batte la mazza.

La prova di resilienza normale prevede che la mazza abbia un’energia meccanica E disponibile massima di 300 ± 10 J.

L’energia spesa, ossia il lavoro speso per rompere la provetta, si calcola con la seguente formula:

E = L = m ⋅ g (H − h)

Sulla macchina stessa c’è un quadrante che indica direttamente il valore della resilienza definita dalla seguente relazione:

k = L S

in cui: L = lavoro assorbito dal materiale della provetta per rompersi; S = sezione resistente della provetta in corrispondenza dell’intaglio.

L’unita di misura della resilienza è il joule (J).

La provetta è a forma di parallelepipedo (10 × 10 × 55) mm con opportuno intaglio in mezzeria. L’intaglio può avere varie forme e dimensioni, ma quello più in uso è a V con profondità di 2 mm. Questa provetta è detta Charpy V ed è utilizzata per i materiali ferrosi (➜ Fig. 15).

4.2.2 PROVA DI TRAZIONE

La prova di trazione consiste nel sottoporre una provetta di opportuna geometria a uno sforzo di trazione gradualmente crescente, fino a portare il materiale a rottura. Lo scopo della prova è quello di determinare le seguenti caratteristiche meccaniche:

■ Rm = carico unitario di rottura;

■ RS = carico unitario di snervamento;

■ A = allungamento percentuale dopo rottura;

■ Z = coefficiente percentuale di strizione;

■ E = modulo di elasticità lineare.

La provetta è serrata tra le mordacchie della macchina (➜ Fig. 16), quindi si applica gradualmente il carico di trazione.

acquisizione dati

Notch geometry

The notch shall be carefully prepared, so that the root radius of the notch is free of machining marks which could affect the absorbed energy. The plane of symmetry of the notch shall be perpendicular to the longitudinal axis of the test piece.

V-notch: the V-notch shall have an included angle of 45°, a depth of 2 mm, and a root radius of 0,25 mm.

Generalmente la prova è condotta fino a rottura completa della provetta mentre sul tamburo della macchina, o tramite computer, è tracciato il diagramma carichi-deformazioni illustrato nella ➜ Fig. 17. La prova di trazione si esegue su una provetta opportunamente sagomata, a sezione circolare se ricavata da un saggio di grosso spessore o a sezione piana se ricavata da una lamiera (➜ Fig. 18). Le provette hanno sempre un tratto a sezione costante, normalmente

Lc = 70 mm, Lo = 50 mm e do = 10 mm.

La sezione di rottura della provetta può presentarsi in vari modi, che permettono di definire se la rottura è di tipo fragile o duttile. Una rottura fragile avviene di schianto, improvvisamente, senza dare alcun segnale, causando spesso infortuni sul lavoro.

➜ Fig. 17 • Diagramma carichi-deformazioni.

➜ Fig. 18 • Tipi di provette di trazione.

È ovvio quindi che la scelta del materiale da impiegare deve ricadere per quanto possibile su un materiale a comportamento duttile.

Nella ➜ Fig. 19 è illustrata una frattura fragile a sezione piatta e una frattura duttile a sezione a coppa. Esistono sezioni anche con forma a semicoppa, a fischietto, a raggiera, legnosa e fortemente snervata.

Principle

➜ Fig. 19 • (a) Rottura fragile piatta. (b) Rottura duttile a coppa con evidente strizione.

The test involves straining a test piece by tensile force, generally to fracture, for the determination of one or more of the mechanical properties. The test is carried out at room temperature between 10°C and 35 °C, unless otherwise specified. Tests carried out under controlled conditions shall be made at a temperature of 23 °C ± 5 °C.

Shape and dimensions-General

The shape and dimensions of the test pieces may be constrained by the shape and dimensions of the metallic product from which the test pieces are taken. The test piece is usually obtained by machining a sample from the product or a pressed blank or casting. However, products of uniform cross-section (sections, bars, wires etc.) and also as-cast test pieces (i.e. for cast iron and non-ferrous alloys) may be tested without being machined. The cross-section of the test pieces may be circular, square, rectangular, annular or, in special case, some other uniform cross-section.

VERIFICA LE CONOSCENZE

1. La forma del penetratore nella prova Brinell è:

a sferica.

b piramidale.

c conica.

d romboedrica.

2. Il tempo di prova nella prova Brinell è:

a 11-15 secondi.

b 12-21 secondi.

c 12-23 secondi.

d 15-20 secondi.

3. Il carico nella prova Brinell va scelto in modo che:

a 68° < α < 105°.

b 106° < α < 152°.

c 100° < α < 140°.

d 68° < α < 115°.

4. Nella prova Brinell il carico di prova vale:

a 29420 newton.

b 10412 newton.

c 14715 newton. d 18394 newton.

5. La forma del penetratore nella prova HRC è:

a sferica.

b piramidale. c conica.

d romboedrica.

6. Nella prova HRC il carico di prova è:

a 294,3 N.

b 981,0 N. c 1471,5 N. d 1839,4 N.

7. Il tempo di durata della prova HRC è:

a 14 s.

b 21 s.

c 27 s.

d 32 s.

8. La forma del penetratore nella prova Vickers è:

a sferica.

b piramidale. c conica. d romboedrica.

9. Il carico di prova nella prova Vickers vale:

a 315,1 N.

b 115,4 N. c 294,2 N. d 451,3 N.

10. Il tempo totale nella prova Vickers vale:

a 5-10 s.

b 10-15 s. c 12-23 s. d 20-25 s.

11. Se non si conosce il materiale, è opportuno eseguire sempre per prima una prova di durezza:

a HBS.

b HBW. c HRC. d HRB.

12. I materiali debolmente attratti magneticamente si dicono:

a paramagnetici.

b diamagnetici.

c ferromagnetici.

d non magnetici.

13. Qual è il tipico percorso delle linee di forza di un campo magnetico?

a Chiuso: dal polo Nord verso il polo Sud.

b Aperto: dal polo Nord verso il polo Sud.

c Chiuso: dal polo Sud verso il polo Nord.

d Aperto: dal polo Sud verso il polo Nord.

14. Da che cosa dipende la scelta della colorazione delle particelle magnetiche?

a Dal contrasto sulla superficie del materiale.

b Dal tipo di liquido usato per il rivelatore a umido.

c Dal tipo di luce ultravioletta.

d Dal tipo di rivelatore.

15. Il metodo magnetoscopico rileva le discontinuità del materiale quando sono:

a superficiali o interne ortogonali al flusso magnetico.

b superficiali o interne parallele al flusso magnetico.

c solo profondità ortogonali al flusso magnetico.

d solo profondità parallele al flusso magnetico.

16. Quale tra i seguenti materiali non è di tipo ferromagnetico?

a Ferro.

b Ghisa.

c Cobalto.

d Acciaio austenitico.

17. La smagnetizzazione del materiale esaminato è necessaria:

a sempre.

b mai.

c quando lo richiedono le sue condizioni di esercizio.

d quando deve essere trattato termicamente.

18. La prova di resilienza mira a stabilire la capacità di un materiale a resistere a una sollecitazione:

a improvvisa.

b lenta.

c periodica.

d statica.

19. La resilienza si misura in:

a coulomb.

b ampere.

c joule.

d newton.

20. Il lavoro L che compare nella definizione di resilienza è il lavoro assorbito:

a dalla mazza quando rompe la provetta.

b dalla macchina quando rompe la provetta.

c dalla provetta stessa quando si rompe.

d dall’asta della mazza quando rompe la provetta.

21. Le provette sono parallelepipedi di dimensione:

a (12 × 12 × 50) mm.

b (15 × 15 × 65) mm.

c (10 × 10 × 55) mm.

d (11 × 11 × 45) mm.

22. L’energia meccanica disponibile nel pendolo

Charpy è:

a 280 ± 10 J.

b 300 ± 10 J.

c 320 ± 10 J.

d 340 ± 10 J.

23. La provetta di resilienza con intaglio a V ha profondità d’intaglio pari a:

a 1 mm.

b 4 mm.

c 2 mm.

d 5 mm.

24. La prova di resilienza serve per stabilire la temperatura alla quale il materiale cambia comportamento da duttile a:

a malleabile.

b fragile.

c imbutibile.

d tenace.

25. Stabilita la temperatura che dà il comportamento corretto cercato, il materiale va impiegato a una temperatura:

a superiore a quella stabilita.

b inferiore a quella stabilita.

c uguale a quella stabilita.

d vicina a quella stabilita.

26. Le provette EN hanno diametro di:

a 10 mm.

b 15 mm.

c 12 mm.

d 18 mm.

27. Le provette EN hanno un tratto di lunghezza utile di:

a 42 mm.

b 55 mm.

c 50 mm.

d 63 mm.

28. Il carico unitario di rottura si indica con la lettera:

a A.

b E.

c Rs.

d Rm.

29. Il carico unitario di snervamento si indica con la lettera:

a A.

b E.

c Rs.

d Rm.

30. Il modulo di elasticità lineare si indica con la lettera:

a A.

b E.

c Rs.

d Rm.

D SEZIONE

MATERIALI DIGITALI

METALLICI Materiali

CAPITOLO 5 materiali ferrosi

CAPITOLO 6 materiali NON ferrosi

VERIFICA LE CONOSCENZE

● Differenze tra i materiali ferrosi

● Metodi di produzione dei materiali ferrosi

● Classificazione dei materiali ferrosi e loro utilizzo

● Materiali metallici privi di carbonio

● Applicazioni dei materiali metallici

SVILUPPA LE ABILITÀ

● Conoscere la percentuale di carbonio in una lega ferrosa

● Spiegare il miglior metodo di produzione dell’acciaio

vDescrivere la sinergia tra metalli diversi

● Conoscere la fragilità dei materiali ferrosi

COSTRUISCI LE COMPETENZE

● Saper decidere se utilizzare una ghisa o un acciaio

● Saper distinguere un materiale duttile da uno fragile

● Sapere scegliere i materiali adatti per l’aeronautica

● Essere in grado di ottenere oggetti per sinterizzazione

MATERIALI IN AZIONE

I batteri antimetalli

Nel 2022 grazie ai fondi del PNRR, è nato il progetto RETURN che vede la collaborazione di ENEA e molte università e centri di ricerca italiani. Questo progetto ha lo scopo di trovare una soluzione per ridare vita ai suoli rovinati dalle attività minerarie . Il processo consiste nell’inserire nel terreno inquinato microrganismi capaci di trasformare o catturare sostanze dannose. La sperimentazione è avvenuta nel Parco Geominerario di Ingurtosu, in Sardegna, un tempo grande centro per l’estrazione di piombo e zinco. Qui sono stati introdotti 11 ceppi batterici isolati dagli stessi scarti minerari del sito. Questi batteri non eliminano i metalli, ma li immobilizzano migliorando la biodiversità di suoli compromessi. Inoltre, i batteri producono sostanze che favoriscono la crescita delle piante autoctone, migliorano la biodiversità microbica e contribuiscono al recupero del terreno. L’obiettivo a lungo termine di questo progetto è sviluppare un modello di rigenerazione del territorio che sia sostenibile, replicabile in altri siti degradati, che migliori suolo, vegetazione, qualità ambientale.

materiali ferrosi

CI OCCUPEREMO DI...

1. Differenza tra ghisa e acciaio

2. Produzione della ghisa

3. Produzione dell’acciaio

5.1 Differenza tra ghisa e acciaio

I materiali ferrosi per uso industriale e impiegati nelle costruzioni metalliche sono leghe ferro-carbonio, con l’aggiunta di altri elementi chimici tali da esaltare alcune proprietà come la durezza, l’inossidabilità, la resistenza meccanica ecc. Questi materiali ferrosi sono la ghisa e l’ acciaio come illustrato in ➜ Fig. 1a e ➜ Fig. 1b. La differenza sostanziale tra i due materiali sta nel loro contenuto di carbonio e cioè:

■ per la ghisa C > 2%.

■ per l’acciaio C < 2%

Per produrre una lega Fe-C è necessaria la combustione prodotta da un carbone detto coke, che bruciando liquefa i minerali contenenti ferro, arricchendo quest’ultimo di carbonio. Il liquido ottenuto in questo modo è la ghisa, molto ricca di carbonio. Ne consegue che per avere l’acciaio bisogna eliminare parte del carbonio contenuto nella ghisa. Ciò si fa utilizzando i convertitori, che convertono la ghisa in acciaio facendo reagire l’ossigeno con il carbonio della ghisa, in modo da liberare gas come CO e CO2, fino a ridurre il carbonio al di sotto del 2%. Si ottiene così l’acciaio.

4. La colata dell’acciaio

5. La ghisa

6. L’acciaio

5.2 Produzione della ghisa

Per ricavare la ghisa partendo dai minerali del ferro, è necessaria una struttura detta altoforno. Gli altoforni utilizzati già nel 1300 erano alimentati con carbone di legna, e permettevano di ottenere solo piccole produzioni di 1,5-2 tonnellate al giorno.

Verso il 1650 si sostituì il carbone di legna con il carbon coke, aumentando così la quantità di ghisa prodotta. Successivamente, con la rivoluzione industriale, si adottò una combustione alimentata da aria calda o vento caldo a 1000 °C, con conseguente aumento del rendimento. Attualmente si usa insufflare ossigeno anziché aria, ottenendo produzioni di ghisa anche di 1000-1500 tonnellate giornaliere. Il crogiolo, da dove si spilla la ghisa, può raggiungere i 10-15 metri di diametro e l’altezza dell’altoforno può essere anche di 40 metri.

Nello schema di ➜ Fig. 2 è rappresentata la produzione della ghisa ottenuta con l’ altoforno e nella ➜ Fig. 3 la successiva produzione dell’acciaio. Si parte dalle materie prime estratte dal sottosuolo, come il minerale di ferro ridotto in apposita pezzatura e raccolto in un silos.

In un altro silos si raccoglie il fondente, di solito calcare, anch’esso ridotto in pezzatura adeguata. Nella cokeria si trasforma il carbone fossile litantrace in carbon coke, anch’esso ridotto a opportuna pezzatura e raccolto in un altro silos. A questo punto il minerale di ferro, il coke e il fondente sono introdotti nell’altoforno con un carrello, detto skip, attraverso la bocca di carico.

Dal loro riscaldamento si ottiene la ghisa greggia d’altoforno o ghisa madre e la loppa o scoria. La

ghisa arriva quindi in acciaieria, trasportata da un carro ferroviario detto carro siluro, dove viene trasformata in acciaio dai convertitori.

L’acciaio prelevato dal convertitore va a riempire la secchia o siviera , che versa l’acciaio fuso diret -

skip

gas di altofor no

campane

nastro trasportatore

focolare

tubiera anulare

ugelli

skip

➜ Fig. 2 • Schema semplificato del processo siderurgico integrale.

➜ Fig. 3 • Dal carro siluro alla colata continua in acciaieria.

tamente nella lingottiera o nella colonnetta per la colata in sorgente o nella paniera per la colata continua , come si vede in ➜ Fig. 3 . Nel caso della colata continua si ottiene il blumo , la bramma o la billetta .

minerali ferro calcare coke

serpentine

torre calda

focolare

aria calda

ugelli siviera

camino

acqua di raffreddamento

ghisa all’acciaieria loppa

carro siluto

siviera

decarburazione convertitore

accaio speciale

lingotti

lingottiere

lingotti

acciaio normale

5.3 Produzione dell’acciaio

5.3.1 CONVERTITORE BESSEMER

Sir Henry Bessemer (1813-1898), ingegnere e inventore inglese, nel 1855 ebbe l’idea di eliminare il carbonio dalla ghisa in un recipiente, detto convertitore (➜ Fig. 4), e di scaldarla ad alta temperatura in presenza dell’ossigeno dell’aria. In questo modo il carbonio in eccesso della ghisa brucia e nel forno rimane l’acciaio. Il convertitore ha una capacità media di 10-20 t di ghisa liquida per un’altezza che varia

monossido di carbonio

scoria

rivestimento metallico

mattoni refrattari

acciaio

Vista esterna Sezione del convertitore

➜ Fig. 4 • Convertitore Bessemer.

aria comburente riscaldata

gas combustibile riscaldato

acciaio fuso

ugelli

aria calda

da 4 a 6 m, e un diametro da 3 a 4 m. La carica è costituita da ghisa fusa di opportuna composizione, che si introduce a convertitore inclinato. Alle alte temperature, il carbonio della ghisa e l’ossigeno contenuto nell’aria spinta nel forno reagiscono formando ossido ferroso, che a sua volta agisce sul manganese e il silicio ossidandoli, e generando delle scorie con caratteristiche vampate di fuoco che fuoriescono dalla bocca del forno. In questo modo il carbonio in eccesso nella ghisa si consuma, lasciando nella pancia del forno l’acciaio.

5.3.2 FORNO MARTIN-SIEMENS

Il forno consiste in un crogiolo di forma rettangolare, rivestito di mattoni refrattari, che misura circa 6 m per 10, chiuso da un tetto posto a circa 2,5 m di altezza. Il forno Martin-Siemens (➜ Fig. 5) consente il preriscaldamento del gas combustibile e dell’aria di alimentazione. La carica è formata generalmente da ghisa e rottami di ferro o da carbonio e rottami che forniscono un ulteriore apporto di ossigeno. I forni Martin-Siemens, le cui capacità raggiungono le 500 t, sono alimentati solitamente con olio combustibile o metano. Nei forni Martin-Siemens è possibile raggiungere temperature tra 1540 °C e 1650 °C e produrre circa 100 t di acciaio in 11 ore.

lance di ossigeno

porte di carico

uscita gas

livello del suolo

verde

camere di rigenerazione

rivestimento refrattario

valvole di commutazione

stoccaggio gas

gas combustibile

➜ Fig. 5 • Forno Martin-Siemens.

5.3.3 CONVERTITORE LD

Nel convertitore LD (➜ Fig. 6) l’aria è sostituita da un getto di ossigeno puro insufflato dall’alto e ad alta pressione. Il suo nome deriva dalle iniziali delle due città austriache, Linz e Donawitz, dove è stato usato per la prima volta. Il convertitore LD è costituito da mattoni refrattari rivestiti da una lamiera d’acciaio. Dall’alto si inserisce una lancia raffreddata ad acqua a circa 2 m sopra il livello del metallo fuso; con questa lancia si soffia ossigeno che reagisce con il carbonio trasformando la ghisa in acciaio. L’ossigeno infatti si combina con il carbonio e gli altri elementi indesiderati molto più rapidamente che nel processo Bessemer: in meno di 50 minuti il ciclo è terminato, con la produzione di oltre 200 t di acciaio. Il convertitore LD è oggi il sistema più utilizzato per trasformare la ghisa in acciaio.

convertitore BOP

additivo per formare scorie ossigeno aria

idrogeno e/o argon

5.3.4

FORNO ELETTRICO

Il forno elettrico (➜ Fig. 7) è costituito da un crogiolo, da un tino disposto lateralmente sopra il crogiolo e da tre elettrodi in grafite alimentati da energia elettrica. La carica è costituita quasi completamente da rottami di ferro che prima dell’uso sono analizzati e selezionati, perché gli elementi leganti contenuti influenzano la composizione dell’acciaio. Talvolta si aggiunge anche della ghisa. La capacità di un forno elettrico è di 50-70 t di acciaio. Una volta caricato il forno, gli elettrodi si abbassano in prossimità della superficie del metallo. Scocca un arco elettrico dagli elettrodi alla carica metallica e il forte calore generato dall’arco elettrico causa la fusione del rottame. All’inizio del processo di affinazione un getto di ossigeno molto puro, iniettato con una lancia, innalza la temperatura e diminuisce il tempo necessario alla produzione dell’acciaio.

sistema di rilevamento delle perdite

idrocarburo

➜ Fig. 6 • Convertitore LD.

deposito di scorie

➜ Fig. 7 • Forno elettrico.

5.4

La colata dell’acciaio

Una volta che l’acciaio è stato ottenuto dalla decarburazione della ghisa d’altoforno con uno dei vari processi precedentemente elencati, viene prelevato dal convertitore per la produzione dell’acciaio solido. Per ottenere quest’ultimo basta riempire la siviera con l’acciaio liquido proveniente dal forno o dal convertitore e versare l’acciaio in appositi recipienti detti lingottiere. L’operazione di riempimento delle lingottiere è detta colata dell’acciaio. Si tratta poi di liberare i solidi prodotti, cioè i lingotti, dalle lingottiere, e questa operazione di liberazione si dice strippaggio dei lingotti. Le tecniche oggi esistenti per la colata dell’acciaio sono: SCHEMA 1

colonnetta. Sia nella colata in lingottiera sia in sorgente, sulla sommità delle lingottiere si posizionano sempre delle piastre di materiale esotermico costituite da una miscela di alluminio e ossido di ferro, che favoriscono un raffreddamento lento della parte superiore del lingotto. Ciò permette di raccogliere le scorie e quindi poterle eliminare. Dopo un tempo che va da un minimo di 30 minuti a un massimo di 1 ora, si strippa il lingotto ancora caldo per evitare che la lingottiera si danneggi.

5.4.1 COLATA IN LINGOTTIERA

Nella colata in lingottiera l’acciaio è colato dal forno o dal convertitore in un grosso recipiente detto siviera, che successivamente versa il metallo liquido nelle lingottiere, dove il metallo solidifica in lingotti (➜ Fig. 8). Il riempimento della lingottiera è veloce e il lingotto che si forma presenta numerosi difetti generati dalla violenza con cui l’acciaio liquido entra nella lingottiera. I lingotti sono dei grossi pezzi di acciaio: ■ quadrati o rettangolari se destinati alla laminazione; ■ rotondi o ottagonali se destinati alla fucinatura

Le dimensioni dei lingotti variano molto a seconda della loro destinazione, da 180 kg a oltre 5 t.

5.4.2 COLATA IN SORGENTE

Nella colata in sorgente l’acciaio liquido entra nella lingottiera dal basso. La lingottiera si riempie lentamente, con gradualità. Così si evitano gli inconvenienti della colata in lingottiera. Nella ➜ Fig. 9 è illustrata una stazione di sei lingottiere, con al centro il canale di adduzione dell’acciaio liquido detto

➜ Fig. 9 • Schema della colata in sorgente.

5.4.3 COLATA CONTINUA

Nella colata continua l’acciaio è colato in lingottiere verticali di rame senza fondo e scende lentamente a formare il lingotto ( ➜ Fig. 10).

Per evitare l’ossidazione degli elementi di lega, la colata si esegue in siviere poste in serbatoi a vuoto spinto, o collocate all’interno di recipienti chiusi da un diaframma d’alluminio che fonde sotto il getto d’acciaio liquido quando questo esce dal fondo della siviera.

Questo tipo di colata è detta continua perché produce un lingotto ininterrotto piatto o lungo. I prodotti ottenibili sono detti billette e bramme . La stessa quantità di acciaio che cola in forma liquida

nella lingottiera di rame lunga circa 800 mm, esce solidificata in superficie e alla relativa estremità inferiore.

Successivamente si taglia alla lunghezza desiderata con trance o taglio a cannello. Le bramme che si ottengono hanno misure che vanno da (130 × 170) mm2 a (130 × 300) mm2 e sono poi trasportate nel magazzino del laminatoio. SCHEMA 2

5.5

La ghisa

La ghisa è una lega ferro-carbonio con un tenore di carbonio maggiore del 2% e per le applicazioni industriali di solito non superiore al 4%, anche se la ghisa è stata studiata fino alla percentuale del 6,67%.

Questa elevata quantità di carbonio tende a formare delle lamelle di grafite generando la ghisa grigia a grafite lamellare ( ➜ Fig. 11 a pag. seguente), e conferendo a questo materiale proprietà di:

■ resistenza alla corrosione;

■ capacità di assorbimento delle vibrazioni, innescate per esempio dalle lavorazioni per asportazione di truciolo;

■ elevate capacità di resistenza a sollecitazioni di compressione.

Per contro la ghisa è:

■ fragile;

■ non sopporta deformazioni plastiche;

■ non resiste bene alle sollecitazioni di trazione;

■ è saldabile solo con particolari accorgimenti.

Per contenere la fragilità si lavora sulla forma delle lamelle di grafite trasformandole, con l’aggiunta di cerio (Ce) e di magnesio (Mg), in globuli o sferule proprie della ghisa grigia a grafite sferoidale (➜ Fig. 12).

La scoperta è avvenuta per caso in Inghilterra nel 1948, forse perché la siviera era rimasta contaminata da tracce di Mg o Ce, elementi che innescano la sferoidizzazione delle lamelle di grafite.

Per aumentare la capacità di deformazione plastica si parte dalla produzione delle ghise bianche ( ➜ Fig. 13) che, essendo temprate, sono costituite quasi totalmente di carburo di ferro, ossia cementite (Fe3C). Quindi con un opportuno trattamento termico si ottengono le ghise malleabili a cuore bianco ( ➜ Fig. 14) o a cuore nero.

Per aumentare la resistenza a trazione, invece, si producono le ghise legate speciali (➜ Fig. 15).

5.6 L’acciaio

Gli acciai appartengono a due grandi famiglie, quelle del 1° e del 2° gruppo: SCHEMA 3

3

1° Gruppo acciai non trattabili termicamente

La designazione è fatta in base al loro impiego e alle caratteristiche meccaniche o fisiche

2° Gruppo acciai trattabili termicamente

B430N (FeB44K)

Acciaio per cemento armato B con carico di snervamento a trazione minimo prescritto di 430 N/mm2 (430). La lettera N indica che l’acciaio ha subito un trattamento termico di normalizzazione. Questo acciaio è usato per armare il calcestruzzo nella costruzione di fondazioni , travi e colonne in campo edilizio (➜ Fig. 17).

La designazione è fatta in base alla composizione chimica ➜ Fig. 16 • Telaio di un capannone industriale in S235JR.

5.6.1 ACCIAI APPARTENENTI AL 1° GRUPPO

Nel 1° gruppo sono trattati gli acciai in base al loro impiego e alle loro caratteristiche meccaniche o fisiche, utilizzando per esempio per le caratteristiche meccaniche il loro carico di snervamento o di rottura.

La designazione degli acciai appartenenti al 1° gruppo inizia con una lettera, seguita da un numero che indica il carico unitario di snervamento o di rottura minimo prescritto, in N/mm2.

La lettera può essere:

S = acciai per impieghi strutturali;

P = acciai per impieghi sotto pressione;

L = acciai per tubi di condutture;

E = acciai per costruzioni meccaniche;

B = acciai per cemento armato.

Esaminiamo alcuni esempi di acciai del 1° gruppo.

S235JR (Fe360B)

Acciaio per impiego strutturale S con carico di snervamento a trazione minimo prescritto di 235 N/mm2, (con resilienza maggiore di 27 joule a +20 °C JR). Questo acciaio è utilizzato per costruzioni in carpenteria metallica come capannoni (➜ Fig. 16), apparecchi di sollevamento ecc.

➜ Fig. 17 • Tondini in acciaio per utilizzo nel calcestruzzo.

5.6.2 ACCIAI APPARTENENTI AL 2° GRUPPO

Nel 2° gruppo sono trattati gli acciai in base alle loro caratteristiche chimiche. Il primo numero che si incontra nella designazione di un acciaio appartenente al 2° gruppo rappresenta sempre la quantità in peso di carbonio aumentata di 100 volte. Gli acciai del 2° gruppo sono suddivisi in:

■ acciai non legati con un tenore medio di Mg < 1%;

■ acciai non legati con un tenore medio di Mg ≥ 1%;

■ acciai legati, esclusi quelli rapidi;

■ acciai rapidi.

Vediamo alcuni esempi di acciai del 2° gruppo.

C16E

Acciaio non legato (C) o al solo carbonio da cementazione carburante, con lo 0,16% in peso di carbonio, quindi 100 kgf di questo acciaio contengono 0,16 kgf di carbonio. Si indurisce la superficie del pezzo per una profondità di circa 1 mm aggiungendo carbonio. La superficie resiste bene a usura e a forze concentrate, quindi è indicato per la produzione di ruote dentate (➜ Fig. 18).

C40E

Acciaio non legato (C) o al solo carbonio da bonifica, con lo 0,4% in peso di carbonio, quindi 100 kgf di questo acciaio contengono 0,4 kgf di carbonio. Si usa per organi rotanti che devono resistere al fenomeno della fatica ➜ Fig. 19

➜ Fig. 19 • Esempi di oggetti bonificati.

41CrAlMo7

Acciaio legato da nitrurazione con lo 0,41% in peso di carbonio, l’1,75% in peso di cromo (Cr), e con una percentuale in peso di alluminio (Al) e molibdeno (Mo) indicate nell’analisi di colata. Si indurisce la superficie del pezzo per una profondità di circa 0,3 mm aggiungendo azoto atomico. La superficie resiste bene a usura ma non altrettanto bene a forze concentrate, quindi è indicato per la produzione di alberi a camme (➜ Fig. 20).

➜ Fig. 18 • Esempi di oggetti carbocementati.

➜ Fig. 20 • Esempi di oggetti nitrurati.

VERIFICA LE CONOSCENZE

1. L’acciaio contiene carbonio fino a un valore massimo di:

a 1,0%.

b 2,0%.

c 3,0%.

d 4,0%.

2. Nell’altoforno si produce:

a la ghisa.

b l’acciaio.

c il litantrace.

d il carbon coke.

3. La lingottiera è un recipiente che accoglie:

a la scoria.

b il coke.

c la loppa.

d l’acciaio.

4. Fra i seguenti il minerale che contiene più ferro è:

a la siderite.

b l’ematite rossa.

c la magnetite.

d la limonite.

5. Il carro siluro è riempito di:

a ghisa.

b loppa.

c acciaio.

d scoria.

6. La ghisa contiene carbonio fino a un valore minimo di:

a 4,0%.

b 3,0%.

c 2,0%.

d 1,0%.

Test interattivi

7. Per produrre l’acciaio partendo dalla ghisa si usa:

a il convertitore.

b il carro siluro.

c l’altoforno.

d la siviera.

8. Per produrre acciaio partendo quasi completamente da rottami di ferro si usa:

a il forno Martin-Siemens.

b il convertitore Bessemer-Thomas.

c il forno elettrico.

d il convertitore Linz-Donawitz.

9. Il paniere si trova nella colata:

a in sorgente.

b in lingottiera.

c in cascata.

d continua.

10. Nella colata continua la lingottiera è di:

a rame.

b acciaio.

c ghisa.

d ottone.

11. L’acciaio S235JR è un acciaio per:

a cemento armato.

b tubi di condutture.

c impieghi strutturali.

d impieghi sotto pressione.

12. L’acciaio C40E è importante per la resistenza a:

a ossidazione.

b usura.

c corrosione.

d fatica.

6

materiali non ferrosi

CI OCCUPEREMO DI...

1. Il rame (Cu)

2. L’alluminio (Al)

3. Il titanio (Ti)

6.1 Il rame (Cu)

Già dalla fine del V millennio a.C. alcune popolazioni dell’Oriente impararono a utilizzare il rame

All’inizio esso era usato da solo, poi fu combinato con il piombo e successivamente con lo stagno. Rame e stagno combinati assieme formano il bronzo, con il quale si producevano armi e utensili; per tale ragione fu chiamato “età del bronzo” il periodo storico che va dal III millennio al 750 a.C. circa. L’isola di Cipro possedeva le miniere principali di rame ed è proprio dal nome di quest’isola che deriva il termine latino Cuprum, così come il simbolo chimico del rame, Cu (➜ Fig. 1). L’ottone invece è una lega di rame e zinco.

4. Le terre rare

5. La fibra di carbonio

6. Stagno

7. Zinco

8. Il magnesio (Mg)

9. La metallurgia delle polveri

Il rame cristallizza nel reticolo cubico a facce centrate CFC e oggi è prodotto puro al 99,90%; tuttavia infinitesime differenze di composizione chimica producono significative variazioni delle caratteristiche tecnologiche. I due tipi di rame oggi prodotti sono quelli della ➜ Tab. 1, dove la comparazione delle composizioni chimiche pone in evidenza le differenze infinitesime dei due tipi dovute ai contenuti di ossigeno e fosforo. Il fosforo però influenza in modo significativo la conduttività elettrica del rame: infatti il Cu-DHP ha una conduttività elettrica di oltre il 30% in meno rispetto al Cu-ETP. Il rame utilizzato in campo elettrotecnico ed elettrico sarà quindi il Cu-ETP. La presenza di fosforo conferisce al rame Cu-DHP migliore deformabilità plastica a freddo e aumenta l’attitudine alla saldatura per brasatura; inoltre questo rame è meno costoso del Cu-ETP poiché non è necessario eliminare il fosforo (➜ Fig. 2-3).

➜ Tab. 1 • Composizione chimica dei due tipi di rame ETP e DHP.

Il suo utilizzo è frequente per la realizzazione di tubi per impianti di riscaldamento e scambiatori di calore e, in genere, per tutto ciò che riguarda la trasmissione del calore. Il rame può combinarsi in lega con vari metalli, come per esempio lo zinco, con il quale forma l’ottone, e lo stagno, con cui forma il bronzo. Per poter considerare il rame in lega deve essere presente per almeno il 50%.

6.1.1 L’OTTONE (Cu+Zn)

L’ottone (➜ Fig. 4) è una lega di rame e zinco, dove il rame è presente in percentuali variabili dal 55% all’80%. Se la lega rame-zinco presenta percentuali di rame dall’80% al 95% il materiale non è più chiamato ottone bensì similoro o tombacco (ottone rosso) ed è usato per oggetti di falsa oreficeria o bigiotteria. Mentre il rame da solo possiede scarsa attitudine alla colabilità, quando è in lega con lo zinco per formare l’ottone si lascia colare con facilità permettendo di ot tenere getti e pani. L’ottone si può lavorare anche plasticamente sia a caldo sia a freddo, per la produzione di lastre, lamiere, tubi, fili, molle e bossoli per artiglieria. Inoltre possiede un’elevata resistenza alla corrosione da parte degli agenti atmosferici e ha caratteristiche meccaniche elevate. Se l’ottone è destinato a lavorazioni con macchine utensili contiene anche piombo dall’1% fino

a circa il 3%. Il piombo facilita la lavorazione per asportazione di truciolo. Nella designazione degli ottoni la percentuale di rame non è dichiarata, ma desunta dalle percentuali degli altri elementi in lega indicate nella sigla.

6.1.2 IL BRONZO (Cu+St)

Il bronzo (➜ Fig. 5) è una lega di rame e stagno dove lo stagno è presente in percentuali variabili dall’1,25% fino al 20%. Come visto in precedenza, mentre il rame da solo possiede scarsa attitudine alla colabilità, quando è in lega con lo stagno per formare il bronzo si lascia colare facilmente. Inoltre, possiede un’elevata resistenza alla corrosione da parte degli agenti atmosferici e caratteristiche meccaniche elevate.

Quando il bronzo è utilizzato come rivestimento antifrizione contiene piombo anche fino al 30%.

Con il bronzo si producono anche cuscinetti a strisciamento o cuscinetti radenti, detti bronzine (➜ Fig. 6). Sono cilindri con delle cavità interne atte a ospitare olio di lubrificazione.

La bronzina lavora con il perno dell’albero che galleggia al suo interno, supportato da un velo d’olio di consistente spessore, così da mantenere sempre separate le microasperità delle due superfici, evitando i contatti metallici diretti.

6.1.3

IL CUPRALLUMINIO (Cu+Al)

È una lega di rame e alluminio, più nota come bronzi all’alluminio, in cui l’alluminio è l’elemento aggiuntivo principale dal 5% al 12%. Si tratta di un materiale molto resistente alla corrosione e alle sollecitazioni meccaniche. È usato per produrre stampi per materie plastiche, tubazioni, pompe e apparecchiature chimiche.

Il cupralluminio è noto per la sua notevole resistenza meccanica e alla corrosione; è impiegato anche in presenza di fluidi ad alta velocità (➜ Fig. 7).

In alcune applicazioni esso può sostituire leghe più costose, come i bronzi allo stagno (➜ Fig. 8).

➜ Fig. 8 • Lamine forate in cupralluminio per rivestire lo Switch+, costruzione temporanea per il centro informazioni della manifestazione Skulptur Projekte Münster 2007, presso l’LWL-Museum für Kunster und Kultural di Münster, in Germania.

6.1.4 IL CUPRONICHEL (Cu+Ni)

È una lega di rame e nichel fino al massimo del 30% di nichel (➜ Fig. 9).

La resistenza del cupronichel alla corrosione in ambiente marino è eccezionale, tanto da essere preferito per costruire impianti di dissalazione e condensatori per motori marini.

Alle basse temperature i CuNi, come altri materiali con struttura cristallina cubica a facce centrate, non infragiliscono.

Questa duttilità e una adeguata conducibilità termica fanno sì che i cupronichel siano materiali idonei per scambiatori di calore e per altri componenti negli impianti di liquefazione e stoccaggio dei fluidi criogenici; anzi, il rame e le sue leghe sono stati i primi materiali usati per questo scopo.

➜

9 • La parte “bianca” delle monete da 1 e 2 euro è in cupronichel CuNi25.

6.1.5

L’ALPACCA (Cu+Ni+Zn)

È una lega di rame dal 47% al 64%, con nichel dal 10% al 25% e zinco dal 15% al 42%. È detta anche argentone o argento tedesco, ha buone caratteristiche meccaniche e di resistenza alla corrosione (➜ Fig. 10). La presenza del nichel migliora tali caratteristiche e conferisce alla lega un aspetto molto simile a quello dell’argento (➜ Fig. 11). Un tempo l’alpacca era usata per la fabbricazione di posate. Oggi è apprezzata nella costruzione di piccoli particolari meccanici. Inoltre, con questa lega si producono anche chiavi, rivetti, parti di macchine fotografiche e contatti elettrici.

6.2 L’alluminio (Al)

L’alluminio è il terzo elemento in quantità massica presente nel sottosuolo terrestre. Esso però non si trova allo stato puro data la sua grande affinità per l’ossigeno, ma è contenuto in taluni minerali dei quali non è facile l’estrazione. Uno di questi è la bauxite, così denominata perché fu scoperta nel 1821 nella località di Les-Baux-de-Provence, nella Francia meridionale.

Per ottenere l’alluminio, la bauxite viene sottoposta al processo Bayer, che è molto inquinante. Ecco perché è assolutamente necessaria la raccolta differenziata di questo metallo. L’alluminio è un metallo di color argento chiaro ed è duttile e malleabile. Se esposto all’aria reagisce con l’ossigeno passivandosi, formando cioè una pellicola di ossido di alluminio (Al2O3) che lo protegge da una successiva ossidazione. Per proteggere l’alluminio dalla corrosione lo si anodizza, cioè lo si fa reagire con ossigeno durante il processo di passivazione anodica. L’alluminio così trattato si impiega per costruire infissi (➜ Fig. 12), pareti mobili, verande, cabine di ascensori. Inoltre con l’alluminio si costruiscono anche parti meccaniche (➜ Fig. 13).

Alluminio: sostenibile o no?

6.3

Il titanio (Ti)

Il nome “titanio” deriva dalla mitologia greca, infatti i Titani erano i figli del cielo e della terra costretti a vivere tra le fiamme nascoste sotto terra. Fu scoperto in Cornovaglia nel 1791, dove il reverendo William Gregor, dalla sabbia del fiume, estrasse con una calamita una polvere scura, la ilmenite, (FeTiO3). Nel 1795 in Germania M.H. Klaproth isolò lo stesso minerale che oggi è il rutilo (TiO2). Dalla temperatura ambiente fino a 882 °C, il titanio ha una struttura EC. Oltre questa temperatura il titanio si trasforma in un sistema CCC, che rimane stabile fino al punto di fusione (1668 °C). Il titanio è un metallo duro di color argento e bassa densità. È amagnetico, ha un elevato rapporto prestazioni/peso ed è resistente alla corrosione. Per le difficoltà di produzione e di lavorazione, il titanio è un metallo costoso: oltre 5 volte l’alluminio. Questo limita i suoi impieghi in settori di alta tecnologia. Le principali applicazioni del titanio sono nell’industria aerospaziale (➜ Fig. 14), nell’industria chimica e petrolchimica, nella nautica, nella biomedica per la sua biocompatibilità (➜ Fig. 15), nella produzione di componenti automobilistici e sportivi.

uscita aria compressa

➜ Fig. 12 • Finestra in alluminio con taglio termico.

ingresso aria ambiente ingresso gas di scarico uscita gas di scarico turbina

➜ Fig. 13 • Sistema turbocompressore per autovettura.

➜ Fig. 15 • Implantologia dentale: il sistema di ancoraggio della corona sulla mascella/mandibola è in titanio. compressore

➜ Fig. 14 • Mach 3.0, la temperatura ai bordi principali dell’ala supera i 400 °C, per cui sono realizzati in lega di titanio.

6.4 Le terre rare

Le terre rare sono un gruppo di diciassette elementi chimici, più precisamente: cerio (Ce), disprosio (Dy), erbio (Er), europio (Eu), gadolinio (Gd), olmio (Ho), lantanio (La), lutezio (Lu), neodimio (Nd), praseodimio (Pr), promezio (Pm), samario (Sm), scandio (Sc), terbio (Tb), tulio (Tm), itterbio (Yb) e ittrio (Y).

Tale denominazione venne assegnata a questi speciali elementi chimici presenti nei minerali non per la loro scarsa presenza sul pianeta, ma per via della loro difficile identificazione oltreché per la complessità del processo di estrazione e lavorazione del minerale puro.

LE TERRE RARE

Le terre rare sono un gruppo di diciassette elementi chimici, più precisamente: cerio (Ce), disprosio (Dy), erbio (Er), europio (Eu), gadolinio (Gd), olmio (Ho), lantanio (La), lutezio (Lu), neodimio (Nd), praseodimio (Pr), promezio (Pm), samario (Sm), scandio (Sc), terbio (Tb), tulio (Tm), itterbio (Yb) e ittrio (Y).

Questi metalli sono essenziali per l’industria tecnologica ed elettronica, poiché vengono utilizzati per realizzare un’ampia gamma di prodotti di largo consumo come televisori, memoria del computer, batterie, telefoni cellulari, generatori di turbine eoliche ecc. Non solo, le terre rare vengono utilizzate anche per la “tecnologia verde”, cioè per pannelli fotovoltaici e auto elettriche la cui diffusione è prevista in forte crescita nei prossimi anni, ma anche nel settore medico e in quello aerospaziale. Le terre rare hanno proprietà magnetiche e conduttive tali da consentire la riduzione delle dimensioni dei dispositivi elettronici.

globale di litio vedrà un importante rialzo. La causa di questa crescita è dovuta al fatto che la produzione di veicoli elettrici registrerà un considerevole incremento dovuto all’implementazione delle politiche di transizione energetica che mirano a eliminare dal mercato le macchine a combustione. L’espansione del mercato legato alla produzione di veicoli elettrici rappresenta una opportunità per paesi come il Cile, perché la ricchezza proveniente dall’esportazione di materie prime potrebbe essere redistribuita ai ceti più poveri e diventare uno strumento per promuovere il loro sviluppo sociale ed economico. Al contempo però, devono essere perseguite importanti politiche di protezione economica, ambientale e sociale per non rischiare che il contesto favorevole attuale comporti conseguenze negative al mediolungo termine.

6.4.2 LA QUESTIONE AMBIENTALE

Le riserve mondiali di terre rare si trovano in tutto il mondo, ma sono molto più diffuse in Cina, Brasile e Russia. Recentemente si è scoperto che la Groenlandia ha il sottosuolo più ricco di terre rare al mondo.

6.4.1

Tale denominazione venne assegnata a questi speciali elementi chimici presenti nei minerali non per la loro scarsa presenza sul pianeta, ma per via della loro difficile identificazione oltreché per la complessità del processo di estrazione e lavorazione del minerale puro.

IL LITIO

al fatto che la produzione di veicoli elettrici registrerà un considerevole incremento dovuto all’implementazione delle politiche di transizione energetica che mirano a eliminare dal mercato le macchine a combustione. L’espansione del mercato legato alla produzione di veicoli elettrici rappresenta una opportunità per paesi come il Cile, perché la ricchezza proveniente dall’esportazione di materie prime potrebbe essere redistribuita ai ceti più poveri e diventare uno strumento per promuovere il loro sviluppo sociale ed economico.

Al contempo però, devono essere perseguite importanti politiche di protezione economica, ambientale e sociale per non rischiare che il contesto favorevole attuale comporti conseguenze negative al mediolungo termine.

Le miniere di terre rare, in particolare nelle fasi di estrazione e raffinamento, generano una grande quantità di scarti tossici, con effetti come la perdita di biodiversità, l’inquinamento idrico, l’erosione del suolo e la formazione di pozzi di assorbimento. È stato calcolato che la lavorazione di una tonnellata di metalli di terre rare produce circa 2000 tonnellate di rifiuti tossici. Ecco perché è di fondamentale importa il riciclo di Rifiuti da Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche, RAEE. La possibilità di estrarre dai rifiuti materie prime seconde, prende il nome di urban mining cioè miniere urbane. In questo modo elementi come le terre rare possono essere gestiti correttamente, riciclati e immessi in nuovi cicli produttivi senza la necessità di nuove estra-

Il litio è il primo degli elementi alcalini nella tavola periodica. È il metallo solido più leggero, è morbido, di colore bianco-argento, con un basso punto di fusione.

Questi metalli sono essenziali per l’industria tecnologica ed elettronica, poiché vengono utilizzati per realizzare un’ampia gamma di prodotti di largo consumo come televisori, memoria del computer, batterie, telefoni cellulari, generatori di turbine eoliche ecc. Non solo, le terre rare vengono utilizzate anche per la “tecnologia verde”, cioè per pannelli fotovoltaici e auto elettriche la cui diffusione è prevista in forte crescita nei prossimi anni, ma anche nel settore medico e in quello aerospaziale.

Come tutti i metalli alcalini il litio reagisce facilmente e non si trova in natura allo stato libero in conseguenza della sua elevata reattività.

La maggior parte delle riserve di litio si trovano in Bolivia, Cile, Australia e Cina.

Le terre rare hanno grandi proprietà magnetiche e conduttive, caratteristiche essenziali che hanno consentito la riduzione delle dimensioni dei dispositivi elettronici.

Le riserve mondiali di terre rare si trovano in tutto il mondo, ma sono molto più diffuse in Cina, Brasile e Russia. Recentemente si è scoperto che la Groenlandia ha il sottosuolo più ricco di terre rare al mondo.

IL LITIO

Il litio è utilizzato in farmacologia, in metallurgia come fondente per saldatura, come componente di vetri ottici e nei processi di fusione nucleare. Negli ultimi anni è diventato l’elemento indispensabile per le batterie delle auto elettriche. Si stima che nel prossimo futuro la domanda

Il litio è il primo degli elementi alcalini nella tavola periodica. È il metallo solido più leggero, è morbido, di colore bianco-argento, con un basso punto di fusione.

Come tutti i metalli alcalini il litio reagisce facil-

6. La fibra di carbonio

LA FIBRA DI CARBONIO

La fibra di carbonio è un polimero di atomi di carbonio strutturato in forma grafitica, cioè presenta una disposizione esagonale degli atomi di carbonio a piani sovrapposti.

La fibra di carbonio è un polimero di atomi di carbonio strutturato in forma grafitica, cioè presenta una disposizione esagonale degli atomi di carbonio a piani sovrapposti.

Per realizzare un manufatto a base di fibra di carbonio sono necessari due elementi principali: la fibra di carbonio, ossia il materiale strutturale responsabile delle proprietà meccaniche del manufatto, e una resina che funge da matrice, all’interno della quale i filamenti di fibra di carbonio sono immersi, e che è responsabile della coesione delle fibre all’interno del manufatto. Tra le caratteristiche della fibra di carbonio spiccano l’elevata resistenza meccanica, la bassa densità, la capacità di isolamento termico, la resistenza alle variazioni di temperatura e all’effetto di agenti chimici e le buone proprietà ignifughe. Di contro il materiale in fibra di carbonio risulta non omogeneo e presenta spesso una spiccata anisotropia, cioè le sue caratteristiche meccaniche non sono uguali in tutti i punti.

Per realizzare un manufatto a base di fibra di carbonio sono necessari due elementi principali: la fibra di carbonio, ossia il materiale strutturale responsabile delle proprietà meccaniche del manufatto, e una resina che funge da matrice, all’interno della quale i filamenti di fibra di carbonio sono immersi, e che è responsabile della coesione delle fibre all’interno del manufatto. Tra le caratteristiche della fibra di carbonio spiccano l’elevata resistenza meccanica, la bassa densità, la capacità di isolamento termico, la resistenza alle variazioni di temperatura e all’effetto di agenti chimici e le buone proprietà ignifughe. Di contro il materiale in fibra di carbonio risulta non omogeneo e presenta spesso una spiccata anisotropia, cioè le sue caratteristiche meccaniche non sono uguali in tutti i punti.

in grado di “ riparare ” i buchi che si possono formare nei suoi fogli quando viene esposto a molecole che contengono carbonio, come gli idrocarburi. Gli atomi di carbonio di questi composti, comportandosi come autentici atomi di carbonio isolati, si allineano e si coordinano perfettamente in schemi esagonali fino a riempire i buchi.

contengono carbonio, come gli idrocarburi. Gli atomi di carbonio di questi composti, comportandosi come autentici atomi di carbonio isolati, si allineano e si coordinano perfettamente in schemi esagonali fino a riempire i buchi.

Uno tra i principali campi nei quali viene utilizzato il grafene è la scienza dei materiali, dal momento che il grafene può combinarsi ad altre sostanze come metalli e plastiche, rendendole non solo più forti ma anche più leggere. Queste proprietà sono ottime per il settore aerospaziale, delle costruzioni e della telefonia.

Il grafene si sta rivelando estremamente importante anche nel campo dell’immagazzinamento dell’energia, visto il grande rapporto tra superficie e volume.

Uno tra i principali campi nei quali viene utilizzato il grafene è la scienza dei materiali, dal momento che il grafene può combinarsi ad altre sostanze come metalli e plastiche, rendendole non solo più forti ma anche più leggere. Queste proprietà sono ottime per il settore aerospaziale, delle costruzioni e della telefonia. Il grafene si sta rivelando estremamente importante anche nel campo dell’immagazzinamento dell’energia, visto il grande rapporto tra superficie e volume. Questa caratteristica lo rende ottimo non solo per creare batterie al grafene ma anche per la realizzazione di supercondensatori, in grado di immagazzinare più energia e di ricaricarsi più in fretta.

Questo materiale fu scoperto negli anni ‘50, ma i primi sviluppi commerciali sono arrivati solo dopo alcuni decenni. Grazie alle sue caratteristiche, la fibra di carbonio è diventata il materiale preferito per sostituire materiali metallici convenzionali soprattutto in quei settori in cui sono richieste prestazioni esasperate in campo tecnologico (es. auto da Formula 1, attrezzi sportivi da competizione ecc.)

Questo materiale fu scoperto negli anni ‘50, ma i primi sviluppi commerciali sono arrivati solo dopo alcuni decenni. Grazie alle sue caratteristiche, la fibra di carbonio è diventata il materiale preferito per sostituire materiali metallici convenzionali soprattutto in quei settori in cui sono richieste prestazioni esasperate in campo tecnologico (es. auto da Formula 1, attrezzi sportivi da competizione ecc.)

Questa caratteristica lo rende ottimo non solo per creare batterie al grafene ma anche per la realizzazione di supercondensatori, in grado di immagazzinare più energia e di ricaricarsi più in fretta. Questo supermateriale però può nascondere delle insidie, soprattutto in campo ambientale. I ricercatori del Riverside Bourns College of Engineering dell’Università della California hanno studiato la filiera dell’ossido di grafene utilizzato in biologia e medicina, e hanno notato che tende ad accumularsi nelle acque poco dure come quelle di laghi e fiumi.

Questo supermateriale però può nascondere delle insidie, soprattutto in campo ambientale. I ricercatori del Riverside Bourns College of Engineering dell’Università della California hanno studiato la filiera dell’ossido di grafene utilizzato in biologia e medicina, e hanno notato che tende ad accumularsi nelle acque poco dure come quelle di laghi e fiumi. Le particelle di questo composto, in ragione della loro ridotta dimensione, possono così accumularsi nell’ambiente e penetrare nelle cellule umane fino a danneggiarle. Le ricerche riguardo la tossicità del grafene sono solo agli inizi.

Le particelle di questo composto, in ragione della loro ridotta dimensione, possono così accumularsi nell’ambiente e penetrare nelle cellule umane fino a danneggiarle. Le ricerche riguardo

6.5.1 IL GRAFENE

IL GRAFENE

Il grafene può essere considerato come uno dei tanti monostrati che compongono la struttura della grafite. Il grafene ha dunque solo due dimensioni.

A causa della forza e della stabilità dei legami covalenti tra gli atomi di carbonio, il grafene resiste molto bene alle deformazioni e possiede un’ottima resistenza termica. Si tratta poi di un semimetallo, quindi ha una struttura elettronica simile a quella dei semiconduttori, permettendo agli elettroni di muoversi molto rapidamente. Inoltre il grafene può sostenere una densità di corrente elettrica sei volte più grande di quella del rame, è leggero, flessibile, estremamente impermeabile ed è il materiale più sottile che esista.

Il grafene può essere considerato come uno dei tanti monostrati che compongono la struttura della grafite. Il grafene ha dunque solo due dimensioni. A causa della forza e della stabilità dei legami covalenti tra gli atomi di carbonio, il grafene resiste molto bene alle deformazioni e possiede un’ottima resistenza termica. Si tratta poi di un semimetallo, quindi ha una struttura elettronica simile a quella dei semiconduttori, permettendo agli elettroni di muoversi molto rapidamente. Inoltre il grafene può sostenere una densità di corrente elettrica sei volte più grande di quella del rame, è leggero, flessibile, estremamente impermeabile ed è il materiale più sottile che esista. Una caratteristica del grafene è quella di essere

Una caratteristica del grafene è quella di essere in grado di “riparare” i buchi che si possono formare nei suoi fogli quando viene esposto a molecole che

6.6 Stagno

6.7 Zinco

Lo stagno è un metallo noto fin dall’antichità per la preparazione del bronzo e del peltro. Lo stagno in natura si trova sotto forma di minerale denominato cassiterite ( ➜ Fig. 16 ) (biossido di stagno SnO2) e si ottiene per riduzione con carbone in forni a tino (a 850 °C). I giacimenti più importanti si trovano in Malesia, Cina, Bolivia, Tailandia. Successivamente viene raffinato con procedimenti elettrolitici o termici ottenendo un metallo al 99,6 ÷ 99,9% di purezza. Lo stagno è tenero e di color bianco lucente simile all’argento. Alla temperatura di -40 °C si trasforma in polvere grigia, questo fenomeno è denominato “peste dello stagno”. Alla temperatura di 200 °C è fragilissimo. Alcuni dei principali impieghi dello stagno sono:

■ Banda stagnata (o lamiera stagnata o latta): la banda stagnata rappresenta il più vasto impiego dello stagno: il 40% della produzione totale (➜ Fig. 17).

■ Leghe di saldatura: le cosiddette “leghe dei saldatori” contengono percentuali variabili di stagno-piombo, (Sn-Pb), stagno-argento (Sn-Ag) e stagno-rame (SnCu) (➜ Fig. 18).

■ Peltro: il peltro è una lega di stagno-rame-antimonio-piombo usata sin dall’antichità per produrre vasellame e oggetti ornamentali ( ➜ Fig. 19). Gli elementi indicati possono essere in proporzioni differenti; talvolta il peltro contiene anche piccole percentuali di bismuto. Il peltro è particolarmente indicato per essere fuso dato che: - ha un basso punto di fusione: 280 ÷ 300 °C; - è molto fluido allo stato fuso.

Lo zinco si trova diffuso nella crosta terrestre sotto forma di numerosi minerali come: la blenda (➜ Fig. 20), la calamina comune, la calamina nobile o smithsonite, la zincite. Miniere di questi minerali si trovano in Australia, Canada, Cina, Perù, Stati Uniti, Belgio, Germania. In Italia piccoli giacimenti esistono in Sardegna.

La separazione dello zinco dai suoi minerali può avvenire secondo due diversi procedimenti:

■ Procedimento a secco: la calamina nobile per semplice arrostimento si trasforma in ossido ZnO; analogamente il solfuro di zinco viene desolforato in forni appositi e trasformato anch’esso in ossido ZnO. Successivamente l’ossido ZnO viene ridotto con carbone a 1100 °C in speciali «storte» senza contatto dell’aria.

■ Procedimento a umido: le blende, quelle piuttosto ricche, sono dapprima arrostite per eliminare lo zolfo e poi trattate con acido solforico per trasformare lo zinco in solfato. La soluzione si elettrolizza usando lastre di piombo (anodi), e lastre di alluminio (catodi) dove lo zinco si deposita.

Lo zinco è un metallo di color grigio azzurro, a temperatura ordinaria è fragile, ma a 100 ÷ 150 °C diventa duttile e malleabile; a 200 °C diventa molto fragile e può ridursi in polvere.

Gli usi dello zinco sono:

a) produzione di lamiere per coperture, grondaie, reti di recinzioni ecc.;

b) impieghi propriamente chimici: coloranti, sali antisettici ecc.;

c) produzione di leghe; d) zincatura di lamiere.

Oltre alle numerose leghe come gli ottoni, l’elektron, il tombacco, l’alpacca ecc. lo zinco è importante anche per: Lega Zama : con la seguente composizione: alluminio (1 ÷ 4%), rame (1 ÷ 3%), magnesio (~ 0,04%), zinco (il resto)

(➜ Fig. 21).

6.8 Il magnesio (Mg)

Il magnesio puro è un metallo di colore bianco argenteo. Si incendia facilmente, quando si trova sotto forma di trucioli o polveri, generando una luce intensissima: viene infatti usato in fotografia per il flash e ancora attualmente in pirotecnica.

Il magnesio è facilmente corrodibile e deve essere protetto con dei trattamenti superficiali. Cristallizza con reticolo EC, per cui è poco malleabile rispetto all’alluminio. A temperatura compresa fra 260 °C e 360 °C si ha però un notevole aumento di malleabilità. La resistenza meccanica del magnesio è più elevata di quella dell’alluminio, ma le sue proprietà elastiche, la sua malleabilità e la sua duttilità sono molto ridotte. Nel settore automotive, i getti pressofusi in magnesio stanno sostituendo sempre più i componenti in acciaio o in alluminio, riducendo il peso totale dei veicoli (➜ Fig. 22 e 23). Un ottimo rapporto resistenza/peso, con peso minore del 45% se confrontato con quello dell’alluminio, permette nuove applicazioni nei settori dell’aviazione e aerospaziale.

6.9

La metallurgia delle polveri

6.9.1 NOTIZIE STORICHE

La metallurgia delle polveri, spesso abbreviata con l’acronimo MdP, è conosciuta anche col nome di sinterizzazione o metalloceramica . Rispetto alla metallurgia tradizionale, permette di ottenere una microstruttura più fine e omogenea, e quindi migliori proprietà meccaniche.

La sua scoperta risale alle origini della nostra civiltà, ma è rimasta in ombra per molti secoli. Occorre attendere gli anni Venti del secolo scorso perché compaiano applicazioni della MdP di un certo rilievo, fino a registrare, specie negli anni Sessanta e Settanta, tassi di crescita notevoli, anche a spese delle tecnologie di produzione di tipo più tradizionale. Con questa tecnica si realizzano pezzi di media e grande serie, con differenze spesso minime tra un pezzo sinterizzato e uno tradizionale.

6.9.2 PRODUZIONE DELLE POLVERI

Il rottame di ferro è caricato in forni elettrici (➜ Fig. 24). Una volta avviati, gli elettrodi del forno generano archi elettrici con il rottame, portandolo a fusione a una temperatura di 1600-1750 °C. Terminata la fusione si procede alla successiva fase di affinazione , cioè si aggiungono al bagno fuso tutti

quegli elementi necessari a ottenere la composizione chimica del bagno voluta, eliminando, quanto più possibile, le impurità presenti nel bagno stesso. I principali elementi aggiunti con l’immissione in forno sono:

■ il carbonato di calcio, che protegge il bagno e il refrattario del forno stesso dall’azione dell’arco elettrico;

■ gli ossidi di ferro che favoriscono l’ossidazione del carbonio in eccesso;

■ la fluorina, per fluidificare la scoria;

■ l’ ossigeno , per fondere il rottame situato nelle zone del forno dette zone fredde.

La successiva fase di colata può essere fatta in siviera, che porterà il bagno fuso sulle linee di granulazione o direttamente in vasca di atomizzazione.

6.9.3

GRANULAZIONE E FORMA DEI GRANULI

La granulazione della colata è il processo mediante il quale il metallo fuso è polverizzato, a bassa pressione, per effetto dell’azione dinamica di getti d’acqua o d’aria a 70-80 bar. Questi getti spezzano la continuità della colata producendo granuli e graniglie illustrati nella ➜ Fig. 25.

6.9.4 SINTERIZZAZIONE

I pezzi, che provengono dalle presse, in gergo verdi o al verde, sono convogliati ai forni di sinterizzazione (➜ Fig. 26) per la fase finale, quella che fornisce i pezzi pronti per le lavorazioni complementari successive o direttamente per l’impiego. Nella maggior parte dei casi i forni sono del tipo continuo, costituiti da tre sezioni fondamentali:

■ sezione di eliminazione del lubrificante , in cui l’innalzamento della temperatura liquefa il lubrificante che abbandona i pezzi in fase gassosa attraverso i canali rimasti tra le particelle;

■ sezione di sinterizzazione, dove la temperatura raggiunge il suo massimo valore, dagli 800 ai 1250 °C. Questa temperatura è comunque inferiore a quella massima di fusione delle polveri con cui è stato formato il pezzo, proprio per evitare che questo fonda;

■ sezione di raffreddamento, in cui la temperatura dei pezzi si riduce fino alla temperatura ambiente, per evitare che si ossidino all’uscita dal forno e per permettere il loro successivo maneggio. I pezzi sono ora pronti per lavorazioni complementari o per essere direttamente consegnati all’utilizzatore per il montaggio (➜ Fig.27).

VERIFICA LE CONOSCENZE

1. Il rame ha un reticolo:

a cubico a corpo centrato.

b cubico a facce centrate.

c esagonale compatto.

d a cella tetragonale.

2. Il fosforo nel rame Cu-DHP migliora:

a la resistenza a trazione.

b la deformabilità plastica a caldo.

c la resistenza a un urto.

d la deformabilità plastica a freddo.

3. Il fosforo nel rame Cu-ETP migliora:

a la durezza Brinell.

b la resistenza alla corrosione.

c la conduttività elettrica.

d la resistenza a trazione.

4. Il bronzo è una lega di:

a rame e stagno.

b rame e cromo.

c rame e nichel.

d rame e alluminio.

5. Il piombo conferisce al bronzo:

a lavorabilità alle macchine utensili.

b proprietà antifrizione.

c resistenza alla trazione.

d maggiore durezza Rockwell.

6. In ambiente marino resiste meglio:

a il cupralluminio.

b il rame.

c il cupronichel.

d il bronzo.

7. L’ottone è una lega di:

a rame e ferro.

b rame e carbonio.

c rame e zinco.

d rame e fosforo.

Test interattivi

8. L’ottone rosso è una lega di rame e zinco con rame compreso:

a tra 80% e 95%.

b tra 60% e 75%.

c tra 40% e 55%.

d tra 20% e 35%.

9. Il piombo nell’ottone facilita:

a la saldabilità.

b l’innesco alla corrosione.

c la piegabilità.

d la lavorazione alle macchine utensili.

10. Una chiave è fatta in:

a alpacca.

b ottone.

c rame.

d bronzo.

11. L’alluminio si ottiene:

a dalla bauxite.

b dalla fluorite.

c dalla apatite.

d dalla calcite.

12. Il titanio fonde a:

a 1868 °C.

b 1768 °C.

c 1668 °C.

d 1568 °C.

13. Nel flash della macchina fotografica si utilizza:

a l’alluminio.

b il titanio.

c il magnesio.

d l’alpacca.

14. I granuli dell’MdP si formano polverizzando il metallo:

a con getti di olio.

b con getti di acqua.

c con getti di alcool.

d con getti di petrolio.

NON METALLICI Materiali SEZIONE E E

MATERIALI

DIGITALI

CAPITOLO 7 altri materiali per l’ingegneria

MATERIALI IN AZIONE

La lampada arancione

Ogni anno in Italia sono prodotte circa 30 milioni di tonnellate di rifiuti urbani, e oltre il 38% è costituito da scarti alimentari, come bucce di frutta e resti di cibo. Grazie alla ricerca e alla tecnologia questi rifiuti possono essere riciclati e trasformati in nuovi materiali. Infatti è possibile ottenere bioplastiche, tessuti innovativi, profumi naturali e perfino energia. In questo modo ciò che sembrava un rifiuto diventa una nuova risorsa, con vantaggi sia per l’ambiente sia per l’economia.

Un esempio concreto arriva da Krill Design, una piccola impresa italiana che usa i sottoprodotti dell’industria alimentare, come bucce d’arancia, fondi di caffè e gusci di nocciola, per creare un materiale speciale chiamato Rekrill®. Si tratta di un polimero naturale e biodegradabile, che può sostituire la plastica tradizionale derivata dal petrolio.

Tra i prodotti più famosi di Krill Design c’è Ohmie, la lampada arancione, la prima lampada al mondo realizzata con le bucce delle arance siciliane trasformate in biomateriale e stampate in 3D. È 100% compostabile e Made in Italy. Ohmie non è solo una lampada: è il simbolo di un nuovo modo di produrre oggetti basato sull’economia circolare.

Altri materiali per l’ingegneria

CI OCCUPEREMO DI...

1. I prodotti del petrolio

2. La gomma naturale e la gomma sintetica

3. Le materie plastiche

4. I materiali compositi

5. I ceramici

7.1 I prodotti del petrolio

7.1.1 FORMAZIONE DEL PETROLIO

Milioni di anni fa si sono depositati sui fondali marini grandi quantità di resti di microrganismi acquatici, animali (zooplancton) e vegetali (fitoplancton),

6. Il vetro

7. I leganti

8. Il calcestruzzo

9. Il legno

10. Conduttori, semiconduttori e isolanti

che insieme costituiscono il plancton. Questi resti organici si sono mescolati con frammenti di rocce e sabbia, e il tutto è stato poi ricoperto da successivi sedimenti (➜ Fig. 1). Quindi, senza ossigeno e per la pressione esercitata dai sedimenti che via via si sono accumulati nel tempo, si è formato un fango putrefatto di nome sapropel ricco di sostanza organica (➜ Fig. 2).

rocce impermeabili

roccia serbatoio

1) Formazione del sapropel

2) Trasformazione del sapropel in roccia madre

➜ Fig. 1 • Come si è generato il petrolio in milioni di anni.

3) Migrazione delle gocce di petrolio della roccia madre alla roccia serbatoio

roccia serbatoio

roccia madre acqua

gas pozzo

roccia di copertura

4) Formazione di una trappola geologica costituita da una anticlinale

Il sapropel si forma nei fondali marini, lagunari e deltizi. Lo strato di sapropel è stato ricoperto quindi da successivi strati di sedimenti che hanno impedito l’ossidazione della materia organica, ed è poi sprofondato fino a una profondità di 1-2 km, trasformandosi in roccia madre, ancora ricca di sostanza organica (➜ Fig. 3). La vicinanza alle sacche magmatiche calde e l’aumento di pressione dovuto alla profondità, nel corso di milioni di anni, hanno trasformato la materia organica intrappolata nella roccia madre in idrocarburi, ovvero in petrolio e gas, occupando le porosità della roccia stessa. La pressione dei gas assieme alla pressione dovuta ai movimenti della crosta terrestre hanno compresso la roccia madre strizzandola come una spugna ed espellendo gli idrocarburi che hanno iniziato a muoversi verso l’alto perché più leggeri. Se al di sopra della roccia madre si trova una roccia arenaria, questa funziona da roccia serbatoio, quindi gli idrocarburi vi migrano perché più leggeri, muovendosi dalla roccia madre alla roccia serbatoio so-

➜ Fig. 2 • Sapropel: fango putrefatto formato dalla decomposizione di materia organica a opera di batteri anaerobici con sabbia e frammenti di roccia.

➜ Fig. 3 • Roccia madre contenente gocce oleose di petrolio. Esso può essere di colore da giallo a bruno scuro e a nero, dotato di fluorescenza da verde ad azzurra.

vrastante. La roccia serbatoio è una arenaria porosa e permeabile in grado di ospitare il petrolio nei propri interstizi come gocce oleose. E qui il petrolio può restare milioni di anni, impedito di salire ulteriormente se sopra la roccia serbatoio si trova uno strato di roccia impermeabile che impedisce la dispersione del petrolio e dei gas che restano prigionieri per effetto di queste trappole geologiche, stratificandosi e formando il giacimento di petrolio. All’interno della roccia serbatoio il gas meno denso si raccoglie in superficie, sotto di esso si accumula il petrolio e più in basso si trova l’acqua, elementi disposti appunto secondo le relative masse volumiche.

Riassumendo, si può dire che la formazione dei giacimenti di idrocarburi comprende le seguenti fasi:

1. depositi di resti organici e frammenti di rocce;

2. sprofondamento dovuto alla pressione;

3. formazione del petrolio nella roccia madre; 4. migrazione del petrolio verso la roccia serbatoio; 5. formazione del giacimento.

7.1.2 LA DISTILLAZIONE FRAZIONATA DEL PETROLIO

Il greggio, che come si è detto è una miscela di idrocarburi, soprattutto alcani, deve essere separato nei suoi componenti. Questo si fa mediante una distillazione nel corso della quale vengono appunto raccolte separatamente le varie fasi (➜ Fig. 5).

La torre di frazionamento è composta da una torre cilindrica in acciaio alta circa 30 m e larga 3,50 m. All’interno della torre a intervalli regolari si trovano dei piatti orizzontali forati, muniti di appositi passaggi, alcuni dei quali sormontati da coperchi detti campane di gorgogliamento.

La temperatura della torre è elevata alla base e diminuisce con l’altezza. Il petrolio che entra alla base della torre è preriscaldato in un forno fino a circa 400 °C.

I componenti che hanno punto di ebollizione inferiore a questa temperatura, salgono la torre sotto forma di vapore. Incontrando i piatti e le campane di gorgogliamento che sono al di sotto della temperatura di ebollizione, condensano e si depositano sul piatto allo stato liquido. Apposite tubazioni possono raccogliere queste frazioni liquide e allontanarle dalla torre.

Le frazioni a elevato punto di ebollizione che non evaporano entrando nella torre, si spostano alla base e, data l’elevata temperatura, passano allo stato aeriforme e, condensando, si raccolgono sui piatti inferiori.

I prodotti petroliferi sono la fonte principale di inquinamento nel mondo, anche per la loro grande diffusione.

➜ Fig. 5 • Schema di distillazione frazionata del petrolio.

for no

il greggio è prima inviato a un for no

greggio 400 °C

La combustione della benzina emette il monossido di carbonio che è molto tossico, idrocarburi non bruciati e composti dell’azoto.

La combustione del gasolio emette particolato, particelle liquide e solide molto tossiche, e i composti dello zolfo che causano le piogge acide.

20 °C gas naturale

vapori su metano, butano, propano

liquidi giù o fuori

30 °C benzina per autotrazione

benzina avio

vapori su

liquidi giù o fuori

180 °C kerosene

motori a reazione, riscaldamento

260 °C gasolio per autotrazione

riscaldamento centrali termoelettriche

280 °C oli lubrificanti

vapori su combustibili e cere

liquidi giù o fuori

360 °C asfalti e catrami

carburanti per navi, oli lubri canti, coperture per tetti, pavimentazione stradale

torre di frazionamento

Tutte le molecole esistenti sono costituite da due soli tipi di atomi: atomi di carbonio e atomi di idrogeno; in base alla quantità di atomi di carbonio presenti nella molecola, gli idrocarburi sono allo stato:

■ gassoso con atomi di carbonio fino a 4;

■ liquido con atomi di carbonio da 5 a 16;

■ solido con atomi di carbonio oltre 16.

Dal top della torre si estraggono le frazioni leggere, cioè gli idrocarburi con un numero di atomi di carbonio tra 1 e 5, nei piatti più in basso si estraggono le benzine con un numero di atomi di carbonio tra 6 e 9, e più in basso ancora il kerosene con un numero di atomi di carbonio da 10 a 12, quindi il gasolio con un numero di atomi di carbonio da 13 a 14, e ancora l’olio combustibile, con un numero di atomi di carbonio da 15 a 20, e infine i bottoms, che sono idrocarburi pesanti come le peci, gli asfalti e le paraffine solide.

Carburanti: benzine per i motori a combustione interna, gasolio per i diesel, kerosene per gli aerei.

Combustibili: gasolio per il riscaldamento e impieghi industriali, olio combustibile (o nafta) per le centrali termoelettriche.

Virginafta: è la materia prima per l’industria petrolchimica che produce materie plastiche, gomme sintetiche, fertilizzanti artificiali.

Prodotti derivati: lubrificanti, asfalti e bitumi, paraffina (cere, lucidi), vasellina (farmacia e prodotti cosmetici) ecc. (➜ Fig. 6)

➜ Fig. 6 • Asfaltatura utilizzando “prodotti derivati”.

7.2 La gomma naturale e la gomma sintetica

7.2.1 GOMMA NATURALE

La scoperta dell’America portò con sé la scoperta della gomma naturale usata dagli indigeni per rendere impermeabili i loro abiti. Si ottiene dal lattice coagulato di piante come l’Hevea brasiliensis, pianta originaria del Brasile ma che ora è coltivata estesamente soprattutto in Malesia.

Il lattice è una dispersione acquosa del polimero, resa stabile da alcune proteine e acidi grassi. Praticando delle incisioni sulla corteccia del tronco della pianta, il lattice fuoriesce lentamente, riempiendo appositi recipienti legati intorno al tronco. Una volta raccolto, viene fatto coagulare per aggiunta di acido acetico ottenendo la gomma naturale. La gomma è successivamente spremuta tra cilindri, essicata con aria calda e sottoposta poi a una severa lavorazione meccanica a caldo, che spezza le lunghe catene molecolari portandola a uno stato omogeneo e plastico. La struttura chimica della gomma naturale facilita la successiva aggiunta di agenti vulcanizzanti, plasticizzanti, antiossidanti, coloranti e rinforzanti ( nerofumo ).

7.2.2 GOMMA SINTETICA

I primi tentativi di fabbricare la gomma sintetica, realizzati prima dalla Russia e poi dalla Germania, sono antecedenti alla Prima guerra mondiale e hanno portato, polimerizzando l’isoprene e il butadiene, al polibutadiene, che fu chiamato gomma Buna.

Per ovviare alla scarsa tenacità, alla scarsa resistenza e alla tendenza a cristallizzare della gomma Buna si è messo a punto, prima della Seconda guerra mondiale, un altro prodotto denominato Buna S, ottenuto con tre parti di butadiene e una parte di stirolo. La maggior parte della produzione mondiale di gomma sintetica, in particolare per pneumatici, è tuttora costituita da Buna S, che ha proprietà anche migliori della gomma naturale (➜ Fig. 7).

Il petrolio e i suoi derivati sono però aggressivi nei confronti della

➜ Fig. 7 • Esempio di applicazione della gomma.

Buna S, perciò per produrre tubi e guarnizioni resistenti al passaggio di questi prodotti aggressivi si è messa a punto una gomma sintetica denominata Buna N, costituita da 2,5 parti di butadiene e una parte di acrilonitrile. Altri elastomeri importanti sono il neoprene, ottenuto per polimerizzazione del cloroprene, e le gomme siliconiche.

7.2.3 PROCESSO DI PRODUZIONE DELLA GOMMA

Nel 1839 l’inventore statunitense Charles Goodyear brevettò il processo di vulcanizzazione, mediante il quale si “cuoce” la gomma predeterminando:

■ la pressione

■ la temperatura

■ il tempo

mescolandola a particolari agenti chimici come lo zolfo. L’insieme della gomma (elastomero), compresi tutti gli agenti sopra elencati, è denominata mescola.

La mescola è preparata impastando il tutto con una macchina detta mescolatore, quindi è tagliata in apposita pezzatura per l’invio al settore stampaggio e al settore estrusione. La temperatura e la pressione necessarie per lo stampaggio sono fornite da una pressa i cui piani sono mantenuti caldi da vapore acqueo leggermente surriscaldato. Il tempo di permanenza nello stampo, serrato tra i piani della pressa, permetterà la completa vulcanizzazione della gomma.

Nel settore estrusione la gomma “cruda”, quindi ancora allo stato plastico, alimenta un estrusore uscendo da una filiera e assumendo il profilo desiderato. Il successivo ingresso in un tunnel a raggi infrarossi o l’immersione in vasca contenente dei sali fusi attiva il processo di vulcanizzazione della gomma. Nella ➜ Tab. 1 sono indicate alcune proprietà dei principali elastomeri.

7.3 Le materie plastiche

Sono dette materie plastiche quei materiali artificiali con struttura macromolecolare che in determinate condizioni di temperatura e pressione subiscono variazioni permanenti di forma.

7.3.1 NOTIZIE STORICHE

Già il naturalista latino Plinio il Vecchio, vissuto nel I secolo d.C., descrisse le proprietà di una resina fossile in grado, se strofinata, di attirare le particelle di polvere. Questa resina era l’ambra, il cui nome greco élektron deriva appunto dalle sue capacità elettrostatiche. In natura esistono molti altri esempi di materiali con queste caratteristiche, detti polimerici, come per esempio il legno, la lana, il cotone e il cuoio.

Nel 1800 l’inglese John Tradescant portò in Europa la guttaperca, usata poi come rivestimento isolante per cavi sottomarini fino al 1940.

Nel 1838 Regnault e Simon polimerizzarono rispettivamente il cloruro di vinile e lo stirolo, ottenendo dal primo il PVC (➜ Fig. 8), dal secondo il polistirolo. Nel 1869 l’americano John W Hyatt realizzò la nitrocellulosa, che qualche anno dopo fu filata in fibre. Mescolata a canfora, essa dà la celluloide, con la quale si producevano palle da biliardo in sostituzione dell’avorio.

Agli inizi del 1899 il belga Leo Baekeland ottenne la bachelite mediante condensazione tra fenolo e formaldeide. Tra la prima e la seconda guerra mondiale si ottenne la prima poliammide: il nylon 6,6. Recentemente si usano resine epossidiche e poliestere rinforzate con vari tipi di fibre; tali prodotti sono detti materiali compositi e tra questi va ricordato anche il calcestruzzo armato.

(cis-poliisoprene)

Buna S (copolimero butadiene-stirolo)

Buna N (copolimero butadiene-acrilonitrile)

➜ Tab. 1 • Proprietà dei principali elastomeri.

7.3.2 MATERIE TERMOPLASTICHE

E MATERIE TERMOINDURENTI

Il nome più corretto per le materie plastiche (o resine) è quello di plastomeri, ossia polimeri plastici, per distinguerli dagli elastomeri come la gomma, ossia polimeri elastici. Si dividono in due grandi categorie:

■ materie termoplastiche;

■ materie termoindurenti.

MATERIE TERMOPLASTICHE

Si dicono termoplastiche quelle resine che, partendo dallo stato solido a temperatura ambiente, se riscaldate rammolliscono e passano allo stato liquido, più o meno viscoso, ritornando poi allo stato solido primitivo se raffreddate.

Questa proprietà si manifesta indefinitamente ogni volta che si riscaldano ed è utile per le varie fasi della formatura.

Le resine termoplastiche sono fusibili e solubili.

MATERIE TERMOINDURENTI

Si dicono termoindurenti quelle resine che, partendo dallo stato solido e plastico a temperatura ambiente, diventano progressivamente rigide per effetto del calore. Questa proprietà è irreversibile in quanto la resina raffreddata non può tornare a plasticizzare.

L’azione del calore, qualora esso fosse eccessivo, comporta la decomposizione delle resine termoindurenti e la loro carbonizzazione.

Le resine termoindurenti sono infusibili e insolubili.

7.3.3 RESINE TERMOPLASTICHE

RESINE ACRILICHE

Si ottengono partendo dall’acido acrilico e dall’acido metacrilico. Rammolliscono verso gli 85-90 °C. Una delle resine acriliche più importanti è il polimetilmetacrilato, commercialmente denominato Vedril, Plexiglas o Perspex (➜ Fig. 9). Ha buona trasparenza e buona resistenza meccanica ed è infrangibile. È prodotto in blocchi, tubi e lastre, e spesso è usato in sostituzione del vetro; è sufficiente però della polvere portata dal vento per rigarne la superficie e fargli perdere la dote della trasparenza. Resiste bene agli acidi e alle basi.

Polimerizzando il nitrile dell’acido acrilico si ottiene un prodotto chiamato poliacrilonitrile utilizzato per produrre fibre tessili.

– gruppi e fibre ottiche – vasche idromassaggio – attrezzi per laboratori chimici – oggetti d’arredamento – cupolette per aerei – fibre tessili: Acrilan, Dralon, Leacril, Orlon

RESINE POLIVINILICHE

Si ottengono per polimerizzazione in emulsione o sospensione del cloruro di vinile. La più importante è il PVC (Poli-Vinil-Cloruro) o VIPLA. Senza aggiunta di plastificanti il PVC è molto rigido, resiste bene ai solventi e agli acidi ed è pertanto usato nell’industria chimica e per valvole e pompe. Se invece sono aggiunti plastificanti, il PVC diviene flessibile ed è utilizzato per pelli artificiali (➜ Fig. 10) e come rivestimento di conduttori in sostituzione della gomma; tuttavia la sua resistenza al calore è scarsa, solo fino a 60 °C.

Il suo maggiore impiego è comunque in campo edilizio. I dischi microsolco ad alta fedeltà sono fatti di acetato di vinile al 15% e all’85% di cloruro. Polimerizzando acetato di vinile si ottiene un prodotto adesivo commercialmente conosciuto con il nome di Vinavil.

– tubi per acqua fredda

– vinilpelle

– pavimentazioni

– dischi tipo long playing microsolco

– collanti

– guanti da lavoro

– rivestimento di conduttori

– serbatoi e vasche per acidi

➜ Fig. 10 • Borsa da viaggio in vinilpelle.

RESINE POLIAMMIDICHE

La più importante materia plastica di questo tipo è il nylon, materiale termoplastico ad alta resilienza scoperto dall’americano Wallace H. Carothers nel 1935. Rinforzato con fibre di vetro per i raggi, serve a produrre ruote di bicicletta stampate. È un materiale dotato di buona resistenza a fatica e usura, combinata con una adeguata rigidità (➜ Fig. 11).

Prodotti

– ruote dentante silenziose e autolubrificanti

– pettini

– lame per tosaerba

– materiale elettronico

– cuscinetti e loro gabbie

– siringhe

– ruote di bicicletta stampate

– viti isolanti, basette

– boccole

– fibre tessili: nylon

RESINE POLIPROPILENICHE

lente e resiste bene alle sollecitazioni di fatica. Ha una buona resistenza agli acidi e alle basi, ed è perciò senz’altro un prodotto concorrenziale con tutte le altre resine termoplastiche.

Prodotti

– tubi per impianti di riscaldamento

– valigie

– ruote dentate silenziose

– pannelli per autoveicoli

– rivestimenti di serbatoi

– fibre tessili: Meraklon

– elementi per elettrodomestici

6.3.4 Resine termoindurenti

RESINE POLIESTERE

Si ottengono facendo condensare un alcool polivalente con un acido polibasico. Fra queste resine si ricorda il Terital o Dacron, che però non risulta essere termoindurente bensì termoplastico.

L’impiego forse più interessante delle resine poliestere termoindurenti si ha nella preparazione dei plastici rinforzati o compositi, denominati commercialmente vetroresine (➜ Fig. 13). Sono materiali compositi ottenuti per combinazione di queste resine con fibre di vetro, e possono anche essere formati in lastre piane e ondulate. Hanno buona resistenza chimica.

– canne da pesca, imbarcazioni

– articoli d’arredamento

– tubazioni per acidi e solventi

– articoli igienici e sanitari

– carrozzerie per automobili

– coperture civili, ondulati trasparenti

– separatori e tappi per batterie

Si ottengono per polimerizzazione del propilene, un gas che si sviluppa durante la distillazione del petrolio grezzo. Queste resine hanno molte caratteristiche comuni al polietilene o politene e rammolliscono a 120 °C.

Il polipropilene fu ottenuto per la prima volta dal chimico italiano Giulio Natta e fu messo in commercio con il nome di Moplen.

Se viene filato sostituisce degnamente la lana, assumendo il nome commerciale di Meraklon (➜ Fig. 12). Fonde a 175 °C, per cui può sopportare l’acqua bol-

RESINE FENOLICHE

Si ottengono facendo condensare il fenolo con l’aldeide formica in ambiente alcalino. Oltre una certa temperatura carbonizzano senza ritornare allo stato plastico. La prima di queste resine è stata la bachelite (➜ Fig. 14). Se rinforzate con fibre di vetro, queste resine trovano applicazione nel settore automobilistico e aeronautico (➜ Fig. 15). Il bacino del carburatore così prodotto raggiunge una temperatura inferiore; si riduce pertanto la quantità di carburante che evapora e si diminuisce l’inquinamento.

Prodotti

– bacino del carburatore – parti della trasmissione idraulica automatica – al posto dell’alluminio – ali ed eliche per piccoli aerei – collanti e vernici protettive – pistoni dei cilindri dei freni – cuscinetti, materiali compositi – agglomeranti per sabbia da fonderia

RESINE EPOSSIDICHE

Queste resine sono impiegate come adesivi strutturali perché dotate di elevata aderenza nei confronti di molti materiali come il calcestruzzo, il legno e i metalli. Resistono ottimamente alla corrosione. Un esempio è l’araldite. In campo aeronautico questi adesivi hanno sostituito le saldature eseguite per unire parti di leghe leggere, evitando il rischio di trasformazioni strutturali di invecchiamento legate a riscaldamenti e raffreddamenti locali.

Prodotti

– adesivi strutturali, materiali compositi

– modelli e anime per fonderia – materiale elettrico in genere – scafi, serbatoi, piscine, carrozzerie

– modelli da riprodurre con macchine utensili a copiare

7.4 I materiali compositi

Un materiale composito è un’associazione di due o più materiali tra loro non mescolabili. In questo modo si riescono a sfruttare le caratteristiche migliori di ognuno dei materiali componenti, e il composito così realizzato risponde all’esigenza di elevata resistenza e basso peso. La parola composito è spesso utilizzata in modo restrittivo per designare un materiale a matrice polimerica e comunemente chiamato materia plastica. Per esempio il cemento armato non è considerato un vero composito perché costituito da due materiali tra loro non mescolabili. Un composito si designa con il nome del polimero utilizzato e del tipo di rinforzo, per esempio: resina epossidica + fibra di kevlar.

Di solito uno dei materiali componenti, detto carica , ha elevate caratteristiche meccaniche, ossia ha elevata durezza e resiste bene alle azioni di forze esterne, mentre l’altro, detto matrice, ha lo scopo di contenere la carica. La tipologia costruttiva di un materiale composito può essere:

■ semplice se il prodotto è realizzato in lamina unica;

■ complessa se il prodotto è realizzato in più lamine; in questo caso si dice laminato.

Nella tipologia semplice un composito è costituito dai soli componenti matrice e carica.

7.4.1 LE MATRICI

La matrice è il componente in percentuale maggiore e ha lo scopo di contenere la carica; essa può essere:

■ una resina termoplastica;

■ una resina termoindurente;

■ un materiale metallico;

■ un materiale ceramico.

7.4.2 LE CARICHE

Le cariche sono il componente in percentuale minore e in base alla loro geometria si classificano in:

cariche granulari o sferiche quarzo, silice, vetro, CaCo3 = carbonato di calcio

cariche lamellari talco, mica

cariche aghiformi wollastonite

cariche fibrose vetro, carbonio, kevlar

Il vetro e il carbone sarebbero materiali con ottime caratteristiche meccaniche, quasi prossime a quelle dell’acciaio, se non fosse per la presenza consistente di difetti cristallini. Producendo quindi fibre di dimensioni abbastanza piccole di questi materiali, si riduce la probabilità che si generino difetti, ottenendo così una eccellente perfezione strutturale che permette elevate caratteristiche meccaniche anche con materiali come il vetro e il carbone. Per questo motivo, prodotti come le canne da pesca sono realizzati utilizzando una matrice in resina poliestere con carica costituita da fibre di vetro. Le fibre di carbonio sono realizzate in atmosfera controllata grafitizzando delle fibre di rayon (poliacrilonitrile = PAN) a una temperatura di poco superiore ai 2000 °C. Le fibre di carbonio, inconfondibili per il loro colore nero brillante, stanno sostituendo in molti casi le fibre di vetro perché sono più leggere, risentono meno delle dilatazioni termiche e sono più rigide. Queste caratteristiche permettono la fabbricazione di dispositivi ottici, radar, racchette da tennis ecc. In un materiale composito la concentrazione delle fibre, la loro lunghezza e la loro orientazione consentono di variare le caratteristiche del prodotto e di ottenere proprietà che ciascuno dei singoli materiali componenti da solo non possiede o non possiede in misura adeguata: tale risultato si dice sinergismo. Per esempio, nella vetroresina gli sforzi di trazione e di flessione sono sopportati dalle fibre di vetro, mentre quelli di taglio e di torsione sono sopportati dalla matrice plastica.

7.4.3 LE CARICHE IN FIBRE

Le fibre utilizzate sono principalmente di:

■ vetro (le più economiche);

■ carbonio (le più resistenti);

■ poliammide aromatico o aramide o kevlar.

L’aspetto esteriore delle fibre è molto vario, ma di solito sono lunghe e continue. Possono essere in forma di matassa, in rotoli a fibre lunghe o in fogli continui di varie dimensioni (➜ Fig. 17). Se le fibre si presentano in forma mista si parla di ibrido. Per avere delle proprietà finali del composito ottimali, bisogna avere delle fibre e una matrice molto efficaci, e rendere ottimale il legame fra questi due componenti. A questo scopo si deposita sulla fibra, soprattutto sulle fibre di vetro, un agente chimico, in grado di realizzare un forte legame tra la superficie della fibra e la matrice polimerica. Questo è comunemente definito agente legante. La matrice, per legare bene con la fibra, deve avere con questa un contatto intimo e uniforme, pertanto si parla di bagnabilità della fibra da parte della matrice. Ecco che le resine termoindurenti si prestano bene a quello che si chiama impregnazione della fibra da parte della resina, perché sono molto fluide prima del loro indurimento. Le resine termoplastiche invece sono più viscose allo stato fuso, e per questo è più difficile realizzare dei compositi. Ecco perché la maggior parte della produzione dei compositi si fa con resine termoindurenti. I prodotti ottenuti con queste tecniche resistono bene alla corrosione, sono isolanti, decorativi, leggeri grazie alla matrice di materia plastica e meccanicamente molto resistenti grazie alle fibre (➜ Fig. 18).

7.5 I ceramici

I prodotti ceramici sono materiali a base di argilla, forgiati a freddo e consolidati a caldo mediante cottura. Prodotti ceramici sono:

■ gli oggetti artistici e la stoviglieria;

■ i materiali da costruzioni (mattoni, tegole, piastrelle);

■ gli articoli igienico-sanitari (lavandini, vasche);

■ il vasellame domestico;

■ le porcellane tecniche e i refrattari (➜ Fig. 19).

L’argilla è stata per migliaia di anni la principale materia prima utilizzata nella fabbricazione di vasellame, mattoni, piastrelle. È una roccia sedimentaria formata da minerali provenienti da rocce eruttive. Il suo colore rossastro è dovuto alla presenza di impurità di ossidi ferrosi.

In base al contenuto di impurità e di sabbia si possono distinguere diversi tipi di argilla:

■ argille grasse: untuose al tatto, molto plastiche e con poca sabbia;

■ argille magre: poco plastiche e friabili, con molta sabbia.

In base a come reagiscono al calore le argille si distinguono in:

� refrattarie: resistenti alle alte temperature;

� fusibili: facili a fondersi a determinate temperature.

Le caratteristiche dell’argilla sono:

� la plasticità, di cui gode quando si trova allo stato umido, cioè la capacità di essere plasmata e modellata nelle forme più diverse;

� la contrattilità, cioè la proprietà di diminuire di volume se essiccata o se sottoposta a cottura.

TERRECOTTE

Sono ceramiche che, dopo il processo di cottura, hanno un colore che varia dal giallo al rosso mattone per la presenza di sali o ossidi di ferro. La cottura avviene a 930-960 °C. L’ossido di ferro, oltre a dare il colore tipico, migliora anche la resistenza meccanica della ceramica cotta. Si possono anche rivestire in superficie.

Se rivestite si utilizzano come vasellame da cucina (tazze, piatti), altrimenti come ceramica strutturale e ornamentale (mattoni, tegole, coppi, vasi, brocche ecc. ➜ Figg. 20-21).

I REFRATTARI

I refrattari sono materiali in grado di resistere ad alte temperature (➜ Fig. 22), a sbalzi termici, all’attacco chimico, all’abrasione, in presenza di elevate forze agenti. Sono generalmente costituiti da ossidi o miscele di ossidi. Si possono classificare sulla base della composizione, della temperatura di rammollimento, del sistema di fabbricazione. Molto usata è la classificazione basata sulla capacità di resistere a sostanze acide o basiche.

LE PORCELLANE TECNICHE

Nella camera di combustione di un motore (➜ Fig. 23) si producono temperature fino a 3000 °C e una pressione di 50 bar. Inoltre, si verificano tensioni d’accensione fino a 40000 volt. Ma anche gli influssi chimici rappresentano elevati requisiti di qualità. I prodotti ceramici, oltre che con l’argilla, si realizzano con il caolino. Il caolino è un silicato idrato di alluminio appartenente al gruppo delle argille. Si presenta sotto forma di polvere grigio-verdastra o avorio, dalle proprietà assorbenti e opacizzanti. L’isolatore della candela è realizzato in ceramica di ossido d’alluminio e isola l’elettrodo centrale fino a una tensione di 40000 volt contro massa. Il platino dei contatti offre una resistenza ottimale contro la combustione e prolunga pertanto gli intervalli di sostituzione.

7.6

Il vetro

7.6.1 NOTIZIE STORICHE

La

Plinio il Vecchio narra di un’antica leggenda fenicia del II millennio a.C., che racconta di alcuni mercanti che, tornando dall’Egitto con un grosso carico di carbonato di soda, si fermarono una sera sulle rive del fiume Belo per ristorarsi. Posarono utensili e tegami per la preparazione dei cibi su alcuni blocchi di salnitro, accesero il fuoco sotto ai blocchi lasciandolo ardere per tutta la notte. Il mattino seguente i mercanti videro con stupore che al posto della sabbia del fiume e del carbonato di soda vi era una nuova materia lucente e trasparente. Altri popoli che lavorarono il vetro furono gli egizi e i romani, fino ad arrivare al Medioevo quando si sviluppò la tecnica del vetro colorato, che portò alla realizzazione delle grandi vetrate che ornano le cattedrali. A partire dal XII secolo, l’isola di Murano presso Venezia divenne il centro della produzione del vetro soffiato (➜ Fig. 24).

La materia prima per fare il vetro è una sabbia silicea o quarzite (➜ Fig. 25). È una roccia biancastra dura e compatta, di aspetto vetroso. I giacimenti di quarzite si trovano in varie zone del territorio. Prima di

➜

aprire una cava si svolgono le operazioni di sondaggio del sottosuolo, scopertura del manto vegetale e sbancamento del terreno; poi inizia lo sfruttamento a cielo aperto. La silice è la materia prima vetrificante, mentre la soda (carbonato di sodio, Na2CO3) o la potassa (carbonato di potassio) sono le sostanze fondenti, cioè abbassano la temperatura di fusione da 1700 °C a 800 °C. Le sostanze stabilizzanti come gli ossidi di calcio, bario, magnesio e zinco migliorano la resistenza alle intemperie e all’azione dell’acqua. I coloranti sono in genere degli ossidi. Per ottenere un vetro comune tutti questi materiali sono macinati e mescolati tra loro.

Il vetro comune è costituito da:

■ biossido di silicio (SiO2) 70%-74% fino all’80%;

■ ossido di sodio (Na2O) 12%-13% fino al 20%;

■ ossido di calcio CaO 12%-13%.

7.6.3

STRUTTURA AMORFA

Il disordine è una caratteristica predominante dello stato solido non cristallino. Al crescere della temperatura, molti materiali aumentano il proprio disordine fino ad arrivare alla fusione. I liquidi possono trasformarsi in solidi non cristallini, in fase di raffreddamento, se il processo di cristallizzazione diviene non sostenibile, per esempio a causa di un raffreddamento troppo rapido che produce la tempra (➜ Fig. 26). Esistono due tipi di stati non cristallini o amorfi:

■ liquido, è caratterizzato da una bassa viscosità e da una elevata energia termica;

■ vetroso, è caratterizzato da un’elevata viscosità e da una bassa energia termica.

regione amorfa

regione cristallina

➜ Fig. 26 • Differenza tra struttura amorfa e struttura cristallina.

Lo stato liquido è di importanza considerevole nella scienza dei materiali, poiché nei procedimenti di sintesi spesso sono coinvolti processi di solidificazione. Lo stato vetroso è a sua volta importante, perché molte sostanze sono trasformate appositamente in vetri per sfruttarne le proprietà specifiche.

7.6.4 PRODUZIONE DI VETRO PIANO: LASTRE

Il floating glass, ossia “vetro galleggiante”, permette di ottenere lastre di spessore regolare. Il vetro fuso cola su un letto di stagno liquido sul quale galleggia e si distribuisce in modo uniforme. La lastra di vetro calda entra poi nel forno di ricottura per evitare l’insorgere di tensioni interne. Infine è squadrata in pezzi commerciali (➜ Fig. 27).

Vetro piano comune: sono le lastre di vetro con spessore da 2 mm a 19 mm. infor natura

colata su stagno

bruciatore for no o bacino di colata stagno fuso

➜ Fig. 27 • Schema di impianto per produrre lastre di vetro.

taglio

lastra di vetro nita

for no di ricottura

7.6.5 PRODUZIONE DI VETRO CAVO: LE BOTTIGLIE

La soffiatura meccanica nello stampo è usata nella produzione di bottiglie. Essa avviene in tre tempi. In uno stampo (1) si posiziona una goccia di vetro detta parison, quindi si soffia con un getto di aria compressa (2) per far nascere la forma preliminare. Poi la forma è trasferita sullo stampo finitore (3) dove un altro getto di aria compressa fa aderire la pasta alle pareti dello stampo che infine si apre liberando la bottiglia per la ricottura (➜ Fig. 28). Il vetro è un materiale amorfo e quindi è privo di una struttura cristallina, pertanto non presenta bordi dei grani. Se si frantuma un vetro e lo si riduce in polvere allora esso perde la propria trasparenza.

o la non trasparenza del vetro è dovuta alla presenza dei giunti dei grani, cioè da difetti intrinseci che aumentano la rifrazione della luce. Un grano perfetto è trasparente e lascia quindi passare la luce. Un insieme di piccoli grani, accoppiati e giuntati nei bordi, invece, rifrange la luce in ogni direzione e l’oggetto perde quindi la sua trasparenza.

➜

29 •

per la produzione di bottiglie di vetro.

7.7 Ciclo di produzione dei laterizi

La prima fase è l’ estrazione , la materia prima si estrae dalla cava d’argilla situata nei pressi della fornace così da risparmiare energia a vantaggio dell’ambiente. Infatti il trasporto dell’argilla avviene in modo ecologico attraverso un nastro trasportatore elettrico, lungo centinaia di metri, fino al deposito di stoccaggio dell’argilla dove viene automaticamente scaricata e miscelata in modo ottimale (➜ Fig. 30).

La seconda fase è la modellazione dell’impasto, l’argilla recuperata dalla cava necessita sempre di bagnatura e miscelazione in quanto al momento dell’estrazione è generalmente poco omogenea (➜ Fig. 31).

La terza fase è la formazione del prodotto , utilizzando una mattoniera per la formatura dell’argilla. Quest’ultima, umida e allo stato pastoso, viene spinta e compressa contro una filiera, dalla quale esce sotto forma di nastro. In seguito un filo d’acciaio taglia il filone dell’argilla producendo i singoli mattoni della misura desiderata (➜ Fig. 32).

La quarta fase è l’essiccazione. Per anni e anni il sole è stato un essiccatoio naturale. Oggi si utilizzano essiccatoi artificiali alimentati con aria calda recuperata dal forno di cottura o prodotta da una sorgente di calore. L’argilla è sottoposta a cicli di essiccazione per 36 o 53 ore a seconda delle esigenze. In questa fase si ha il ritiro graduale dell’impasto che, perdendo una quota pari a circa il 97% di acqua, si riduce di massa e di volume (➜ Fig. 33).

La quinta fase è la cottura, che avviene all’interno di un forno detto tunnel lungo anche 120 metri, dotato di bruciatori laterali fissi a metano e lavora in maniera continua, nel senso che i carri vi transitano in lento ma costante movimento. All’uscita dal forno i pacchi

di prodotto cotto vengono scaricati in modo automatico dai carri e avviati all’imballaggio, mentre i carri vuoti ritornano alla zona di impilaggio (➜ Fig. 34).

L’imballaggio consiste nel prelevare un pacco per volta dal carro e nell’adagiarlo sopra un pallet di legno per agevolare il trasporto, quindi viene applicato un cappuccio di film plastico termoretraibile (➜ Fig. 35).

7.8 I leganti

Sotto il nome di leganti si raggruppano quei prodotti che nelle opere murarie sono utilizzati per legare fra loro altri materiali come laterizi, pietrame ecc. Più in dettaglio, si tratta di sostanze che, messe a contatto con acqua o altro liquido, formano una pasta più o meno densa che acquista nel tempo la proprietà di indurire e aderire ai materiali con cui viene a contatto ed è in grado di resistere a sollecitazioni meccaniche e ad agenti fisici e chimici.

I materiali leganti sono tradizionalmente suddivisi in base alla loro capacità di indurire all’aria ovvero anche a contatto con l’acqua.

Si hanno così:

■ leganti aerei che induriscono all’aria: la calce, il gesso, cementi magnesiaci;

■ leganti idraulici che induriscono in acqua e induriti resistono all’acqua: cementi Portland, cementi pozzolanici, cementi d’alto forno, cementi alluminosi.

Una posizione intermedia occupano le calci idrauliche. Nel processo di indurimento si distinguono due fasi: ■ presa, in poche ore il materiale acquisisce proprietà tali da mantenere la forma impartita;

■ indurimento, in pochi mesi o anche in anni il materiale acquisisce le proprietà finali.

7.8.1

IL GESSO

Il gesso è solfato di calcio biidrato CaSO4 · 2H2O, quindi un sale che fa parte delle rocce sedimentarie evaporitiche perché deve la sua origine all’evaporazione di acqua marina.

L’isolamento del Mediterraneo, dovuto alla temporanea chiusura dello stretto di Gibilterra avvenuta nel

Miocene (oltre 5 milioni di anni fa), causò la lenta evaporazione delle acque marine e quindi la precipitazione dei sali minerali; si formarono così le evaporiti. Sul fondo si depositarono i sali contenuti nell’acqua del mare in ordine inverso alla loro solubilità: prima la calcite e la dolomite, poi il gesso e l’anidride, infine il salgemma, la silvite e la carnallite; si formarono così vasti giacimenti di sale spessi decine di metri.

PRODUZIONE E TIPI DI GESSO

I blocchi di gesso provenienti dalla cava (➜ Fig. 36) sono stoccati in frantoi, per poi venire frantumati e macinati allo scopo di rendere più agevole il passaggio ai forni e più efficace la fase di cottura. La temperatura di cottura è regolata a seconda del prodotto finale che si vuole ottenere:

■ a 130 °C si avverte un crepitio, dovuto al fatto che i tre quarti d’acqua contenuta nei cristalli evapora, facendoli scoppiare. Si ottiene il gesso da presa per la produzione di intonaci e stucchi;

■ tra i 300 °C e i 500 °C si ottiene un gesso adatto alla lavorazione ornamentale e artistica. In questo caso si parla di gesso comune da costruzione (➜ Figg. 37-38);

■ oltre i 1000 °C si ottiene il gesso idraulico o a lunga presa, ideale per la realizzazione di sottofondi per pavimenti (➜ Fig. 39).

Il gesso correntemente utilizzato nell’edilizia contiene, in genere, i due terzi di gesso comune e un terzo di gesso sovracotto, e si presenta come una polvere finemente macinata.

➜ Fig. 37 • Gessetti bianchi e colorati per lavagna.

➜ Fig. 38 • Pannelli in cartongesso per la fabbricazione di pareti.

➜ Fig. 39 • Massetto premiscelato in gesso.

7.8.2 LA CALCE

La calce si ottiene dalla cottura alla temperatura di 895 °C di calcari ad alto contenuto di carbonato di calcio. Il calcare in natura (➜ Fig. 40) è presente sotto forma di carbonato di calcio (CaCO3). Le impurezze sono carbonato di magnesio (MgCO3) e argille. I calcari migliori sono quelli più puri e a struttura microcristallina.

Con il processo di cottura del calcare si ottengono:

■ calce viva, ossido di calcio (CaO);

■ calce spenta o idrata, idrossido di calcio (Ca(OH)2);

■ grassello, la calce piu pregiata perché ha potere legante piu elevato;

■ calce idraulica , fa presa e indurisce anche in acqua.

CALCE VIVA

La cottura del calcare avviene a T > 900 °C, dove la reazione di dissociazione è abbastanza veloce:

CaCO3 + 42500 cal/mole → CaO + CO2

L’ossido di calcio estratto dai forni si chiama calce viva in zolle.

CALCE SPENTA

La calce viva CaO è sottoposta a un processo che si chiama spegnimento, in cui è miscelata con acqua in grosse vasche (➜ Fig. 41).

Si ottiene l’idrossido di calcio Ca(OH)2 cioè calce spenta, con una reazione fortemente esotermica e con aumento di volume:

CaCO + H2O → Ca(OH)2 + 15500 cal/mole

Lo spegnimento può avvenire:

■ con eccesso di acqua; ■ con la quantità di acqua stechiometrica.

In ogni caso bisogna che lo spegnimento sia completo prima dell’impiego della calce, perché l’aumento di volume provoca forze sulla massa che indurisce.

SPEGNIMENTO CON ECCESSO D’ACQUA

La calce viva è miscelata con più acqua di quella necessaria per la stechiometria della reazione. Si ottiene così, dopo circa 24 ore di idratazione, una pasta morbida detta grassello (➜ Fig. 42). La pasta è costituita da una dispersione di cristalli di Ca(OH)2 in acqua.

SPEGNIMENTO CON ACQUA STECHIOMETRICA

Negli stabilimenti di produzione della calce viva si aggiunge il quantitativo di acqua stechiometrico per provocare la reazione di spegnimento ottenendo calce idraulica in polvere. Infatti lo sviluppo di calore e l’aumento di volume provocano la disgregazione dei granuli di calce, ottenendo una polvere molto fine. L’acqua in eccesso necessaria a ottenere il grassello va aggiunta prima della posa in opera.

PRESA DELLA CALCE

Prima della posa in opera, il grassello è miscelato con sabbia che costituisce l’inerte. Nella prima fase, quella della presa, l’acqua in eccesso del grassello evapora. Nella seconda fase, quella di indurimento, avviene la reazione di carbonatazione della calce con anidride carbonica:

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

La reazione comporta una diminuzione di volume. Anche in questo caso, il composto dopo indurimento ha la stessa composizione del prodotto di partenza.

1

CICLO DI PRODUZIONE

7.8.3 IL CEMENTO

Il cemento Portland (➜ Fig. 44) è il più importante dei cementi, ed è il materiale di base per tutti gli altri tipi di cementi. Il nome Portland deriva dalla somiglianza con i calcari argillosi della zona di Portland, nei pressi di Londra. Si ottiene partendo da clinker + gesso con circa 97 parti di clinker e 3 parti di gesso. SCHEMA 1

Il clinker si ottiene da:

■ calcare (ossido di calcio) (80% in peso);

■ argilla (silice, allumina e ossido ferrico) (20% in peso).

Durante il processo di cottura del clinker, il calcare e l’argilla si dissociano e si ricombinano per dare degli ossidi misti di calcio, silicio, alluminio e ferro.

Le materie di partenza per la fabbricazione del clinker (➜ Fig. 45) sono il calcare e l’argilla, in proporzione di 1 a 3. Il processo di fabbricazione prevede le seguenti fasi:

■ macinazione e miscelazione delle materie prime;

■ cottura a 1400-1500 °C;

■ aggiunta di gesso;

■ macinazione del clinker.

Il calcare e l’argilla sono estratti da cave e miniere, quindi macinati in frantoi. Si aggiungono e si macinano assieme materiali correttivi come la sabbia, il limo e la marna, quindi si esegue la omogeneizzazione in sili in cui si insuffla aria. La farina di clinker

è quindi miscelata con acqua per avere granuli più grandi da immettere in forni a tamburo rotante ( ➜ Fig. 46 ); questi granuli vengono infine cotti a 1450 °C per ottenere il clinker. Si aggiunge poi il gesso in piccole quantità e infine si macina in mulini a palle rotanti con successivo confezionamento e spedizione.

Per ottenere il clinker sono tipicamente necessari:

■ calcare (CaCO3, fornisce l’ossido di calcio) 1,2 t;

■ argilla (fornisce silice allumina e ossido di ferro) 0,4 t;

■ gesso 0,05 ton;

■ combustibile fossile 0,074 t o metano equivalente;

■ energia elettrica 103 kWh.

Per la cottura si usano forni rotanti con cilindro in acciaio lungo 70-120 m e diametro 3,5 m. Il forno è inclinato e posto in lenta rotazione. Il materiale esce dal forno a T = 1000 °C e riscalda l’aria che va al bruciatore. Il clinker, in forma di particelle sferiche di diametro 3-25 mm, è macinato in mulini a sfere con gesso (3-4% come SO3) fino a ottenere una polvere di dimensioni inferiori a 100 micrometri detta cemento.

7.9

Il calcestruzzo

7.9.1 COME SI PREPARA A MANO IL CALCESTRUZZO

II calcestruzzo è un materiale che si ottiene mescolando in opportune proporzioni il legante, che è il cemento, gli aggregati, che sono la sabbia e la ghiaia, e l’acqua Il cemento si trova in commercio in sacchi da 25 kg; esistono vari tipi di cemento, le cui caratteristiche sono in genere indicate sul sacco. Il cemento va tenuto al riparo dall’umidità, conservando i sacchi su di un piano asciutto di tavole o mattoni fuori dal contatto diretto con il terreno e con pareti umide. Se conservati all’aperto, i sacchi vanno protetti con teli impermeabili o simili.

La sabbia e la ghiaia devono essere pulite, e non contenere quindi impurità come terra, foglie, polvere ecc. Per verificare se la sabbia è pulita basta prenderne un pugno, stringerla nella mano e lasciarla cadere; dopo aver scrollato la sabbia, la mano deve rimanere pulita. La sabbia e la ghiaia vanno tenute separate in una zona dove l’acqua non possa ristagnare.

L’acqua da adoperare per il calcestruzzo deve essere anch’essa pura e pulita. Ottima è l’acqua potabile. Il proporzionamento della miscela si può fare misurando il peso del cemento, il volume della sabbia, della ghiaia e dell’acqua. Le proporzioni dei vari elementi possono variare a seconda del genere di lavoro che si deve eseguire. Quelle più comuni, prendendo come base 50 kg di cemento, sono le seguenti:

Cemento 50 kg (due sacchi)

Sabbia 0,067 m3 (pari al volume di 67 litri)

Ghiaia 0,134 m3 (pari al volume di 134 litri)

Acqua 20-25 litri

Classificazione dei leganti

Gesso aereo pietra da gesso cottura a 150-200 °C in polvere per pasta o malta

Calce aerea aereo calcare cottura a 600-900 °C in zolle, se calce viva, in polvere se spenta, oppure in pasta (grassello) per malta

Calce idraulica idraulico calcare + argilla cottura a 900-1000 °C in polvere per malta

Cemento idraulico calcare + argilla

cottura a 1400-1500 °C + macinazione con gesso e eventuali aggiunte (calcare, pozzolana, loppa ecc.)

in polvere per pasta, malta, calcestruzzo

Con questi materiali si ottiene un impasto del volume di 0,156 m3 circa, pari a 166 litri. Per misurare le quantità di sabbia e ghiaia necessarie si può usare una cassetta di legno scoperta e senza fondo, le cui dimensioni interne sono (50 × 50) cm alla base e 27 cm di altezza; il volume di questa cassetta è di 0,067 m3, pari a 67 litri.

7.9.2 ESECUZIONE DELL’IMPASTO

L’impasto a mano deve essere eseguito sopra un piano pulito e impermeabile. Sopra questo piano si stende prima la sabbia richiesta, in modo da formare uno strato dello spessore di 10-15 cm, misurandola con la cassetta. Sopra questo strato si versano i due sacchi di cemento in modo da coprire la sabbia. Si esegue una prima miscela spostando con la pala la sabbia e il cemento in una zona pulita del piano, ripetendo due o tre volte questa operazione. Poi si esegue con la pala una fossa centrale per aggiungere l’acqua. Per ottenere il calcestruzzo basta aggiungere la ghiaia con la sabbia. La resistenza a compressione di un calcestruzzo si valuta in classi di resistenza come illustrato in ➜ Tab. 2, e sono:

■ una classe con resistenza iniziale normale N; ■ una classe con resistenza iniziale superiore R.

Resistenza a compressione (MPa)

Classe di resistenza

32,5 N

32,5 R

42,5 N

Resistenza iniziale Resistenza normale

2 gg

Inizio presa (min)

42,5 R ≥ 10,0 ≥ 20,0 ––≥ 42,5 ≤ 62,5 ≥ 60

52,5 N

52,5 R ≥ 20,0 ≥ 30,0 ––≥ 52,5 – ≥ 45

➜ Tab. 2 • Classi di resistenza N e R a compressione del calcestruzzo.

7.10 Il legno

Il legno è un materiale che si ricava dai fusti delle piante, in particolare dagli alberi. Osservando un tronco di albero sezionato dall’esterno verso l’interno si possono evidenziare le parti seguenti (➜ Fig. 47).

� Corteccia : è uno strato di materiale fisiologicamente morto del libro con funzione protettiva. Consente gli scambi gassosi necessari alla vita della pianta stessa.

� Libro: serve per portare il nutrimento sintetizzato dalle foglie a ogni altra parte dell’albero.

� Cambio : è uno strato sottile di tessuto che aggiunge ogni anno un nuovo strato di legno.

� Alburno: è l’apparato circolatorio della pianta formato da cellule vive che permettono di portare i sali minerali e l’acqua dalle radici alle foglie.

� Durame: è la parte più interna del tronco formata da cellule morte; a livello commerciale è quella più pregiata, perché è la parte più vecchia della pianta quindi quella più stabile e meno soggetta agli attacchi dei parassiti. Man mano che l’albero cresce, l’alburno si trasforma in durame.

� Midollo: è la parte centrale del tronco, poco riconoscibile rispetto al durame che lo contiene. Il legno è composto da: – idrogeno 6%; – ossigeno 42%; – minerali, azoto, pigmenti 2%; – carbonio 50%.

LEGANTI AEREI E IDRAULICI

Legante + Acqua = Pasta

Legante + Acqua + Sabbia = Malta

Legante + Acqua + Sabbia + Ghiaia = Calcestruzzo

➜ Fig. 47 • La struttura del tronco di un albero. midollo libro

anelli di accrescimento

7.10.1 STAGIONATURA DEL LEGNO

Una volta tagliato il legno deve essere stagionato o essiccato per poter essere lavorato. Fin dalle origini dell’umanità, il legno è destinato a un’ampia varietà di utilizzi: per riscaldamento e cucina; per costruire strutture, in forma di tavole e travi; per la realizzazione di componenti per l’edilizia come parquet, perline e mobili. Se scomposto in fibre serve per produrre la carta. Una volta tagliato, il legno perde velocemente circa il 30% di acqua presente nelle cavità cellulari. Successivamente il legno continuerà a perdere acqua ma più lentamente, fino a raggiungere l’equilibrio con l’ambiente con circa il 17%-23% di umidità. Prima del processo di stagionatura e di essiccamento è quindi impossibile utilizzare il legno come materiale da lavoro, perché il volume del legno è destinato a ridursi per effetto dell’evaporazione dell’acqua.

Esistono due forme di stagionatura e di essiccamento del legno, quella naturale e quella in forno.

STAGIONATURA NATURALE DEL LEGNO

Dopo il primo taglio, le tavole di legno sono accatastate in un luogo all’aperto e al riparo dalle intemperie. Dei distanziali di legno sono interposti tra le tavole allo scopo di far circolare l’aria (➜ Fig. 48). Così avviene il processo di stagionatura del legno, che richiede però molto tempo.

STAGIONATURA ARTIFICIALE DEL LEGNO

In alternativa, è possibile accelerare il processo di stagionatura del legno al chiuso, in appositi forni o con altre tecnologie (➜ Fig. 49).

7.10.2

I DIFETTI PRINCIPALI DEL LEGNO

L’albero è costituito da materia vivente, cioè cellulosa al 60% più la lignina al 30%, e il suo tronco a volte presenta difetti che possono pregiudicare il corretto impiego del materiale, soprattutto nel caso del massello, cioè del legno massiccio (➜ Fig. 50).

1. Infradiciamento: gli insetti, le muffe e i parassiti intaccano la corteccia e penetrano all’interno producendo carie, infradiciamento e altri difetti. Sono necessarie delle operazioni di protezione prima della messa in opera, come carbonizzazione superficiale, spalmatura o iniezione di sostanze antisettiche.

2. Cipollature: distacco totale o parziale di due anelli annuali consecutivi.

3. Nodi: rami giovani inglobati nel legno o mai sviluppati, rami morti o spezzati, possono rappresentare un indebolimento del legno perché dopo l’essiccamento tendono a staccarsi producendo fori nelle tavole.

4. Fenditure/lunature o doppio alburno: il gelo crea fenditure, spaccature radiali più o meno profonde e lunature, cioè morte causata dal gelo della parte interna dell’alburno che non si trasforma in durame; si verifica quindi l’interposizione di un anello morto tra anelli sani.

5. Eccentricità: si verifica quando la posizione del midollo è spostata verso l’esterno rispetto alla posizione di centro; è un difetto tipico di alberi che crescono sui pendii molto ripidi.

6. Imbarcamento: le fibre non sono parallele all’asse del tronco ma seguono un andamento a elica, e la resistenza è compromessa. L’imbarcamento si verifica quando vi è una essiccazione troppo rapida che produce una diminuzione irregolare del volume.

5. Eccentricità

➜ Fig. 50 • Difetti del legno.

GLI SFOGLIATI

Gli sfogliati sono dei fogli in legno sottilissimi larghi quanto il tronco, che si ricavano, con un accurato taglio, da alberi come il faggio, la betulla o il pioppo, cioè da tutti quei legni che sono semplici da lavorare. La sfogliatura è il processo mediante il quale si riducono tronchi o altri pezzi di legno in fogli (➜ Fig. 51). È praticata con le sfogliatrici e le trance. I fogli che ne derivano costituiscono il punto di partenza della fabbricazione dei compensati oppure, trattandosi di legni fini, delle impiallacciature decorative. Lo spessore di sfogliatura può variare tra qualche decimo di

Bilancio ecologico del legno

pressoio

pressoio

sfogliatura

➜ Fig. 51 • Processo di sfogliatura del legno.

coltello

millimetro e i 6-7 mm; normalmente è fra gli 11/10 e i 15/10 di millimetro per i fogli di legno corrente da compensato, e fra i 4/10 e i 5/10 di millimetro per i tranciati da decorazione.

Il principio della compensazione permette di unire tra loro fogli sottili di legno con fibre incrociate e spessori compresi tra 2-10 mm. I fogli devono essere dispari, almeno tre, in modo che la fibra di un foglio sia ortogonale agli altri due. Così si realizza una struttura con resistenza più uniforme, con ritiri e deformazioni reciprocamente contrastanti.

piallacci con diverse venature

tranciatura

7.11 Conduttori, semiconduttori e isolanti

I materiali presenti in natura possono essere classificati in base alla difficoltà che presentano a lasciarsi attraversare dalla corrente elettrica.

Si parla quindi di conducibilità elettrica, che è una proprietà fisica già vista e misurabile tramite il calcolo della resistività r. I materiali conduttori si lasciano attraversare dalla corrente elettrica, mentre ciò non avviene per i materiali isolanti, e i semiconduttori si comportano in modo intermedio fra le due categorie.

7.11.1 BUONI CONDUTTORI

I materiali buoni conduttori hanno una resistività di valore molto basso (➜ Fig. 52). I principali materiali con questa caratteristica, utilizzati per la costruzione delle macchine e degli impianti elettrici, sono il rame e l’alluminio, perché hanno un basso valore della resistività, e costano meno dell’oro e dell’argento. La resistività del materiale aumenta rapidamente all’aumentare del contenuto di impurezza.

Il rame è il materiale più usato come conduttore elettrico, per le sue ottime caratteristiche, fra cui:

■ alta conducibilità elettrica, seconda solo a quella dell’argento;

■ elevata trafilabilità anche per produrre fili molto sottili; facilità di laminazione a caldo e a freddo, saldabilità;

■ resistenza alla corrosione l’atmosferica;

■ elevate caratteristiche meccaniche, anche a basse temperature;

■ completamente riciclabile.

L’alluminio, rispetto al rame, ha i vantaggi della leggerezza e del costo. Inoltre ha:

■ resistività maggiore del rame, per cui, a parità di resistenza elettrica, la sezione di un conduttore di alluminio è del 65% superiore a quella di un conduttore in rame;

■ caratteristiche meccaniche molto inferiori al rame;

■ temperatura di fusione di 658 °C contro 1083 °C del rame;

■ ottimo per ottenere forme per fusione o pressofusione;

■ ottima malleabilità, per cui può essere sottoposto a tutte le lavorazioni plastiche, sia a caldo sia a freddo; tuttavia qualche difficoltà si ha nella trafilatura, per cui non è molto adatto per realizzare fili sottili.

7.11.2 CONDUTTORI

I conduttori hanno valori di resistività un po’ più elevati, rispetto a quella dei buoni conduttori, per cui sono adatti per costruire i resistori, ossia quei componenti circuitali che realizzano volutamente resistenze di valore stabilito, calcolabile con il codice colori (➜ Fig. 53).

7.11.3 SUPERCONDUTTORI

➜ Fig. 53 • Resistori vari di valore prestabilito.

conduttori viti neutro terra linea neutro terra linea

➜ Fig. 52 • Cavo bipolare più terra. I colori delle guaine sono stabiliti dalle Norme CEI. La divisione dei conduttori in fili di piccolo diametro permette di aumentare la flessibilità del cavo.

I superconduttori sono particolari materiali che quasi annullano la loro resistività elettrica, se raffreddati fino a temperature al di sotto di una temperatura critica Tc, molto prossima a 0 K = −273 °C, e caratteristica di ogni materiale. Nella ➜ Tab. 3 riportiamo alcuni elementi superconduttori.

➜ Tab. 3 • Temperatura critica di alcuni elementi. Elemento Tc Elemento Tc Alluminio 1,20 Gallio 1,09 Mercurio 4,16 Indio 3,40 Piombo 7,22 Titanio 0,39 Zinco 0,54 Zirconio 0,55

7.11.4 SEMICONDUTTORI

I materiali semiconduttori hanno un valore intermedio tra quello dei conduttori e degli isolanti. Quando sono eccitati da corrente elettrica si trasformano in conduttori, quando invece sono a riposo si comportano da materiali isolanti.

Il silicio e il germanio, quest’ultimo non più utilizzato, sono elementi chimici ai quali vengono mescolate quantità minime di altri elementi, come l’arsenico o il tallio. Questi sono capaci di sostituire alcuni atomi del silicio o del germanio, così da far acquistare loro particolari caratteristiche. Questa sostituzione di elementi si dice drogaggio. Quindi il silicio può mancare di elettroni se lo si droga per esempio con il boro; in tal caso è un silicio positivo, oppure può acquistare elettroni, se lo si droga, per esempio, con fosforo, arsenico o antimonio, nel tal caso è un silicio negativo. Combinando opportunamente questi due tipi di silicio semiconduttore, si possono costruire dispositivi capaci di amplificare un segnale. I diodi LED sono un altro esempio della versatilità di questi elementi (➜ Fig. 54). Drogando il silicio con altri elementi particolari, come l’arseniuro di gallio (GaAs), si ha che al passaggio di una determinata corrente elettrica si ottiene una emissione luminosa. La ➜ Tab. 4 illustra gli elementi di drogaggio, indicati con il loro simbolo chimico, in funzione del colore della luce emessa.

Semiconduttore

Colore della luce emessa

Lunghezza d’onda (nm)

GaAs, GaAlAs, GaAsP, InGaAlP, GaP ROSSO 623-740

GaAsP, InGaAlP, GaP ARANCIO 612-623

GaAsP, InGaAlP, GaP GIALLO 574-612

InGaAlP, GaP, GaN, InGaN, SiC VERDE 505-574

GaN, InGaN, SiC BLU 430-505

7.11.5 ISOLANTI

I materiali isolanti, detti anche dielettrici, presentano una resistività elevatissima, non paragonabili a quella dei primi due tipi, e se sottoposti a differenze di potenziale (tensioni) notevoli, non sono praticamente attraversati da corrente. I materiali isolanti si dividono in tre tipologie: gassosi, liquidi, solidi.

Gli isolanti gassosi di maggior interesse pratico sono l’aria e l’esafloruro di zolfo (SF 6). L’aria è il dielettrico gassoso più impiegato nel caso delle linee di trasmissione dell’energia elettrica ad alta tensione.

L’esafloruro di zolfo è impiegato nei componenti per alte e medie tensioni. Il vuoto è utilizzato come isolamento elettrico nelle camere di interruzione a media tensione o nei cavi a superconduttore, e fa da isolamento termico ed elettrico.

Gli isolanti liquidi sono oli diatermici derivati dagli idrocarburi e servono per raffreddare in maniera efficiente parti interne di macchine elettriche (➜ Fig. 55).

Di solito sono utilizzati nei trasformatori di potenza e di misura, negli interruttori, nei passanti per alta tensione, nei cavi, nei condensatori, negli apparati elettronici. Sono in grado di ripristinare le condizioni di tenuta a seguito di una scarica elettrica, ma capacità assente in quasi tutti i solidi; possono essere usati come impregnanti in isolanti solidi quando questi sono insostituibili.

Gli isolanti solidi di maggior interesse pratico, impiegati in circa il 95% delle applicazioni, sono la porcellana, il vetro, la mica, la carta, il polietilene, la resina epossidica, le gomme sintetiche (➜ Fig. 56).

➜ Fig. 55 • Trasformatore di potenza isolato e raffreddato con olio diatermico. Il cilindro superiore funge da accumulo di olio.

➜ Fig. 56 • Isolanti solidi in vetro e ceramica, servono a separare elettricamente tra loro i cavi conduttori.

VERIFICA LE CONOSCENZE

1. Tra i materiali seguenti è una resina termoplastica:

a il polivinilcloruro.

b la vetroresina. c la fòrmica. d la bachelite.

2. Tra i materiali seguenti è una resina termoindurente:

a il Moplen.

b il Vinavil.

c il Perspex. d la fòrmica.

3. Il polipropilene è anche detto:

a Perspex.

b Moplen. c Nylon. d Terital.

4. Il processo di vulcanizzazione della gomma avviene grazie:

a al fosforo.

b al caolino. c allo zolfo. d al nerofumo.

5. Una canna da pesca è costituita di:

a resina ureica e fibra di vetro.

b resina acrilica e fibra di vetro.

c resina poliestere e fibra di vetro.

d resina poletilenica e fibra di vetro.

6. In una racchetta da tennis la torsione è assorbita:

a dalla fibra di carbonio.

b dalla matrice plastica.

c dalla maglia.

d dall’impugnatura.

7. Un materiale composito è l’insieme di almeno due materiali che:

a vanno in soluzione.

b non vanno in soluzione.

c realizzano un composto.

d realizzano una miscela.

8. Il colore rossastro dell’argilla è dovuto a:

a piante in putrefazione.

b scheletri di animali preistorici.

c ossidi ferrosi.

d carbonati di calcio.

9. I materiali refrattari:

a resistono ad alte temperature.

b non resistono a basse temperature.

c resistono a medie temperature.

d non resistono ad alte temperature.

10. Il composto principale di un vetro è:

a l’ossido di calcio.

b l’ossido di sodio.

c il biossido di silicio.

d il biossido di sodio.

11. Una lastra di vetro si ottiene facendo passare la massa vetrosa su:

a un letto di stagno fuso.

b un letto di piombo fuso.

c un letto di magnesio fuso.

d un letto di rame fuso.

12. Per fare la malta da intonaco in edilizia si utilizza la:

a calce viva.

b calce spenta.

c calce idrata.

d calce trasformata in grassello.

13. Il cemento Portland si ottiene partendo da:

a calce + gesso.

b clinker + gesso.

c clinker + calce. d solo clinker.

14. Nel legno le cipollature sono:

a rami giovani inglobati nel legno.

b distacco totale o parziale di due anelli.

c fenditure o spaccature generate dal gelo.

d corteccia intaccata da parassiti o muffe.

15. Il rame è:

a un semiconduttore.

b un isolante.

16. L’aria è:

a un semiconduttore.

b un isolante.

17. Il vetro è:

a un semiconduttore.

b un isolante.

c un superconduttore. d un conduttore.

c un superconduttore. d un conduttore.

c un superconduttore. d un conduttore.

Coordinamento redazionale: Marco Mauri

Responsabile editoriale: Martina Mirabella

Redazione: Martina Mirabella

Art director: Enrica Bologni

Progetto grafico: G.E.M.

Impaginazione: Alberto Rai

Copertina: Enrica Bologni, Alberto Catenacci

Ricerca iconografica: Martina Mirabella

Disegni: Daniele Gianni, G.E.M.

Immagini di copertina: Shutterstock

Referenze iconografiche: Shutterstock

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Si ringrazia Federico Zanni per la collaborazione redazionale.

Font: leggimi©Sinnos - www.sinnos.org

Contenuti digitali

Progettazione: Giovanna Moraglia

Realizzazione: bSmart Labs

Prima edizione: maggio 2026

Printed in Italy

Ringraziamenti

L’autore ringrazia: – Antonio Savio, per aver curato la terminologia inglese; – Krill Design Srl per la fotografia della lampada Ohmie di pp. 94-95.

© 2026 - Proprietà letteraria riservata. È vietata la riproduzione, anche parziale, con qualsiasi mezzo effettuata, compresa la fotocopia, anche ad uso interno o didattico, non autorizzata. Le fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall’art. 68, commi 4 e 5, della legge 22 aprile 1941 n. 633.

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