[pagina principale]  I materiali di nucleo dei sandwich  rendono le barche migliori. di Eric W. Sponberg, Architetto Navale Per gentile concessione dell'autore

Il presente articolo è apparso per la prima volta sulla rivista American Sailor. E’ stato editato e aggiornato alla più recente tecnologia dei materiali di nucleo.
Ndt. Abbiamo tradotto “core materials” con materiali di nucleo o di anima. Si tratta del materiale che riempie quello che comunemente si definisce sandwich.
 

Molte barche da regata in IMS, PHRF e one-design sono costruiti con almeno  un tipo di materiale di nucleo interno al laminato dei loro scafi e coperte  e per una buona ragione.
Le anime rendono gli scafi delle barche rigidi e leggeri. Rigidità significa che lo scafo non si flette dalla forma, che aumenterebbe la resistenza idrodinamica e rallenterebbe la barca.Leggerezza signidica meno peso da spostare attraverso l’acqua, così l’andatura è più veloce. In più, il materiale di nucleo isola lo scafo dal caldo e dal freddo, smorza le vibrazioni del mare battente e elimina lo scoppiettio  dei motori. Grazie ai materiali di nucleo le barche hanno migliori performances e migliorano il confort degli ecquipaggi.
I nuclei sono fatti di una varietà di materiali che hanno differenti caratteristiche di durezze e rigidità.
Da quando i nuclei sono una parte integrale della struttuta di una barca, il progettista deve tenere in debito conto queste loro proprietà in modo che scafi e coperte laminate non si rompano.
Dal comprendere come la struttura di una barca è progettata e come lavora potete comparare da voi stessi questi materiali.
Guardate la Figura 1a.  Il laminato dello scafo di una barca è irrigidito da elementi interni come paratie e correnti longitudinali.
Questi suddividono lo scafo laminato in sezioni. Ogni sezione subisce la pressione dell’acqua e l’impatto delle onde del mare. Sotto questi carichi,  la sezione si piega e subisce stress nel laminato.

Figura 1a. La sezione della struttura di una barca deve essere disegnata per sopportare un certa numero di differenti sforzi. I peggiori carichi sono determinati dall’impatto delle onde contro i lati e il fondo dello scafo.

Figura 1b. Le sezioni sono di solito analizzate guardando ad una striscia di laminato che sia più vicino tra due elementi della struttura interna come correnti longitudinali o paratie. La flessione della striscia è più grande al centro, ma gli sforzi in questo punto sono solo la metà di quelli alle estremità della striscia

Figura 1c. Alle estremità della striscia la superfice interna del laminato è in compressione, la regione  centrale e in taglio e la superfice esterna è in tensione.
 
 
 
 

Adesso guardiamo alla piccola striscia del centro della sezione, Figura 1b. Pensereste che lo stress sia più grande al centro della striscia dove la curvatura è maggiore. In realtà gli stress sono maggiori alle estremità della striscia. Qui la striscia deve sopportare tre tipi di stress quando viene piegata, Figura 1C.
In un laminato a singola pelle, la superfice esterna è in tensione, la superfice interna è in compressione e il centro è in sforzo di taglio.
Tensione e compressione sono generalmente facili da visualizzare. Lo sforzo di taglio è la tendenza della metà interna e quella esterna del laminato a scivolare in direzioni opposte. Lo sforzo di taglio è più forte nel centro del laminato.
Per resistere a questi stress senza fratturarsi, un laminato a singola pelle deve essere relativamente spesso e pesante. In un laminato con anima, la pelle esterna e quella interna subiscono la tensione e la compressione e l’anima subisce lo sforzo di taglio. A causa di questa separazione di funzioni, le pelli nel complesso possono essere meno spesse dello spessore totale della controparte a pelle singola. L’anima comunque deve essere abbastanza spessa e cosi lo spessore totale del laminato con anima è maggiore di uno laminato a singola pelle. Questo rende la pelle laminata con anima più rigida.
E poichè i materiali delle  anime sono molto leggeri, la pelle laminata con anima pesa meno che quella laminata a singola pelle.
I più comuni materiali per anime utilizzate nella costruzione di scafi di barche e coperte comprendono legno di balsa, schiuma PVC (polyvinylchloride), schiuna di SAN (styreneacrylonitrile) e nido d’api fatto di aramide(Kevlar®),plastica e carta.
Ampiamente usata in tutto il mondo l’anima in balsa è costruita con la vena diretta da pelle a pelle ed è definita balsa “end-grain” .
Uno dei primari sviluppatori  e produttori di balsa end-grain è la Baltek Corp. di Northvale,NJ. Baltek fornisce materiale per anime  in densità di 6,5,9,5 e 15,5 lbs/cu.ft. Recentmente (fine 99) la Baltek ha annunciato la disponibilità di SuperLite®, una gamma di balsa leggera da 4,9 a 8,7  lbs./cu.ft..
Le anime in schiuma di PVC sono di due varietà:a legame incrociato e lineare ( non legata trasversalmente). Quella a legame incrociato  è fragile e, se troppo curvata, si rompe. E’ disponibile in un’ampia gamma di densità, da 3 lbs./cu.ft. a 25 lbs./cu.ft. con la 5 - 10 libbre di densità  di uso più comune nella costruzione di barche. Il PVC a legame incrociato è il Divinycell® a il  Klegecell®, entrambi marchi della Diab Group della DeSoto, Texas. La Diab distribuisce ancheProBalsa®, un’ amina in balsa  end-grain in densità di 5.6, 9.7, e13.8 lbs./cu.ft.
Il PVC lineare non è chimicamente legato trasversalmente e non si rompe quando piegato. Esiste in solo due densità 3.8 e 5.5 lbs./cu.ft. Il marchio leader di PVC lineare è l’Airex®, distribuito della  Baltek Corporation.
La schiuma SAN è un nuovo materiale d’anima che è stato sviluppato posteriormente alla prima scrittura di  questo articolo, dieci anni fa. L’unico prodotto disponibile è chiamato Core-Cell® che è prodotto e distribuito dalla ATC Chemical Corporation di Buffalo, NY.
Fondamentalmente combina la caratteristica  del lineare di  non fragilità  dell’Airex in un vasta gamma di densità, come il  Divinycell, da 3-12 lbs./cu.ft.
L’alveolare era di solito costoso  (alcuni lo sono ancora), e per questo, raramente usato in barche di serie e solo nei più costosi one-offs. Questi sono estremamente leggeri e di solito ricordano un alveare di api senza il miele.
Sono fatti di diversi materiali:
*     Nomex®, con fibra aramidica è prodotto dalla Hexcel Composites, Dublin, CA
*     Plastica, Nida-Core®, dalla  Nida-Core Corporation, Hoboken, NJ
*     Carta; chiamata Tricel®, dalla Tricel Corporation, Gurnee, IL
Di queste, il Nomex è il più costoso ed è usato principalmente in barche custom. Le anime in plastica stanno incrementando il proprio utilizzo come anime strutturali in scafi e coperte e nei collegamenti interni.
L’anima in carta sta diventando comune nei collegamenti interni delle barche, ma non è raccomandato per strutture di scafi e coperta. Se la carta è bagnata diventa molle proprio come il cartone lasciato fuori alla pioggia.
Poichè i materiali di nucleo devono resistere allo sforzo di taglio, i progettisti comparano i diversi tipi principalmente per la loro resistenza al taglio  e modulo di  taglio. Modulo significa rigidità - più alto il modulo-più rigido il meteriale.
Il grafico a barre della Figura 2a mostra le proprietà di taglio di differenti materiali di nucleo. Più forte e rigido il materiale, più può essere sottile nel laminato.

Resistenza alla compressione e  modulo sono mostrati in figura 3. Proprietà di alta resistenza alla compressione sono necessarie per resistere a carichi di schiacciamento di bulloneria passante ovunque siano montate ferramenta come winches, binari e golfari. Le anime in balsa e le più alte densità di Divinycell e Klegecell hanno sufficiente proprietà compressive per resistere a questi carichi di schiacciamento, ma le altre anime devono essere rimosse e rimpiazzate con solido legno o stucchi strutturali dove devono essere posizionati i bulloni passanti.

Per finire la Figura 4 mostra i costi per piede quadrato. Il nodo d’api in carta e quelli in plastica sono i più economici, seguiti dalla balsa ,SAN , quello in PVC, con l’alveolare in Nomex come il più costoso.

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Figura 4. I costi mostrati sono al Novembre 99 per piede quadrato per un pollice di spessore, materiali piani per le densità indicate. Come per le proprietà meccaniche i prezzi aumentano con l’aumentare della densità. Notate comunque che la la balsa più pesante costa meno che quella più leggera. Questo perchè è richiesto pù lavoro per la selezione manuale della corretta densità degli stock di balsa per costruire i mannelli d’anima.

L’incollaggio delle pelli al nucleo deve essere perfetto. Nelle barche di serie il gruppo dei laminatori stende prima la pelle esterna su uno stampo femmina. Prima che si indurisca questi pressano il nucleo alla cieca sul laminato bagnato. I laminatori non possono vedere se l’anima è a perfetto contato con la pelle su ogni pollice quadrato di superfice.
Per ottenere il contatto totale tra anima e pelle esterna, molti costruttori al giorno d’oggi usano la tecnica del sacco sottovuoto usando gli stessi principi di tenuta che mantengono freschi i salumi bolognesi confezionati al supermercato.
Per insaccare sottovuoto un nucleo, i laminatori prima stendono un tessuto di drenaggio sull’anima e sopra stendono un largo foglio di pellicola di plastica - il sacco- e sigillano i lati tutt’intorno con un speciale pesante nastro adesivo sigillante. Un tubo per aspirare l’aria è installato nel sacco e l’aria tra tra il sacco e l’anima è aspirta attraverso il tupo da una pompa a vuoto. Come l’aria è rimossa la pressione esterna pressa l’anima uniformemente su tutta l’intera superfice della pelle. Il sacco è lasciato in sito fino che la pelle esterna si solidifichi con l’anima premuta contro di questo.
La pelle di vetroresina interna non presenta problemi durante la laminazione poichè i laminatori possono vedere la superfice dell’anima mentre stendono il laminato bagnato di vetroresina.
Balsa, e le schiume di PVC e SAN richiedono speciali stucchi per aiutare l’incollagio del nucleo con la pelle esterna. Lo stucco è steso sopra la pelle prima che indurisca poi l’anima è pre impregnata con la resina e poi pressata nello stucco. Lo stucco della Baltek si chiama Baltek-Bond® ed è usato con i suoi prodotti con anima in balsa. La Diab produce Divilette® (per il Divinycell), K-Lite® (per il Klegecell), e ProBond® (per la ProBalsa). La ATC Chemicals distribuisce uno stucco chiamato Core-Bond® per il loro Core-Cell.
Con gli alveolari, particolare cura deve essere presa con la superfice incollata perchè la pelle incolla solo il sottile lato di carta delle pareti del nido d’api.
E’ molto difficile  ottenere questo tipo di incollaggio  su ogni singola parete. Una vetroresina ben bagnata  o un materiale di incollaggio devono essere usati per un buon incollaggio, ma quantità eccessive di resina possono riempire le celle del nodo d’api rendendo la barca troppo pesante.
Il Nida-Core ha risolto questo problema per la loro anima in polipropilene usando una pellicola in polipropilene da fondere a un tessuto non tessuto di polietere su entrambi i lati dell’anima. Bagnate semplicemente il tessuto e stendete il vostro laminato poliestere o epossidico direttamente sul tessuto. Il tessuto e la pellicola provvedono all’appropriato incollaggio all’alveolare.
Quando deve essere spessa l’anima? Questo dipende direttamente ed interamente dalla taglia della barca e dai carichi previsti. Il progettista deve risolvere questo problema ingegneristico per ogni singolo pannello dello scafo e della coperta. Un materiale interno dovrebbe essere il più sottile possibile, conforme per resistenza, rigidità, facilità di applicazione e soprattutto per la durata dello scafo.
E’ un errore progettare e costruire pelli che sono troppo sottili. Le resine poliestere sono porose per cui l’acqua può facilmente filtrare nei laminati per osmosi.
Questo porta a un grave rigonfiamento a bolle (blistering), delaminazione e spesso considerevole aumento di peso, particolarmente negli scafi in  alveolare dove l’acqua può riempire tutte le celle aperte. Oltretutto una pelle sottile tende a deformarsi  al piegarsi del laminato. Una pelle sottile si può curvare più del previsto tanto da staccarsi dall’anima, causando una radicale delaminazione. Per finire i laminati sottili non sono molto durevoli contro gli impatti minori come l’urto dello scafo contro la banchina.
Riepilogando, i materiali di nucleo rendono le barche più rigide e più leggere. In molti casi , tutte le anime possono essere fatte per lo stesso lavoro. La scelta di quale materiale sia migliore per un particolare progetto spesso si riduce a quale materiale sia il meno costoso per la più grande resistenza e rigidità. Il peso di  differenti materiali è meno importante perchè questa tende a rappresentare solo una piccola porzione del peso totale del laminato.E, a seconda delle circostanze di costruzione, una spessa anima a bassa densità può avere lo stesso peso di una sottile ad alta densità per lo pari resistenza al taglio e rigidità. Dovete tenere anche conto dei pesi delle pelli che sono conseguenti  ad ogni dato materiale e rigidità. I laminati sottili generalmente hanno generalmente pelli più spesse, che significa più vetroresina, più lavoro e più costi per l’applicazione.

Generalmente non si può isolare il nucleo dal laminato per fare comparazioni. Dovete guardare di dati alla composizione totale del laminato quando comparate i nuclei e il peso del laminato, la resistenza, rigidità e il costo. Per finire, qual’è il materiale con il quale l’equipe dei costruttori ha più esperienza? Ogni tipo di nucleo richiede significative differenti tecniche di laminazione, e differenti equipe di operai tendono a sviluppare loro proprie preferenze.
Le linee guida che i progettisti e i costruttori devono seguire sono:

* Usare appropriate procedure di progetto e di realizzazione.
* Mantenere la laminazione semplice
* Seguire le istruzioni del produttore
* Usare il materiale di nucleo solo nel modo indicato dal  produttore

Molti fallimenti nella laminazione dei nuclei possono essere ricondotti ad una violazione di queste regole. Ma una barca con pelle con nucleo progettata e costruita con cure durerà per anni, mentre godete le migliori prestazioni e il confort per le persone.
I contati per dettagli sui diversi produttori di materiali di nucleo sono di seguito elencati:

ATC Chemical Corporation [Core-Cell (SAN schiuma)] 1051 Clinton Street Buffalo, NY 14206 Tel: (716) 836-1943 Fax: (716) 836-2362 Website: www.atc-chem.com Email: sales@atc-chem.com	Baltek Corporation [Balsa, Airex (PVC lineare)] P.O. Box 195 Northvale, NJ 07647 Tel: (201) 767-1400 Fax: (201) 387-6631 Website: www.Baltek.com Email: Baltekcorp@aol.com	DIAB Group [Divinycell (cross-linked PVC), Klegecell (PVCa legame incrociato), ProBalsa] 315 Seahawk Drive DeSoto, TX 75115 Tel: (972) 228-7600 Fax: (972) 228-2667 Website: www.diabgroup.com Email: info@diabgroup.com
Hexcel Composites [Nomex (alveolare in fibra aramidica)] 5794 West Las Positas Blvd. Pleasanton, CA 94588-8781 Tel: (925) 847-9500 Fax: (925) 734-9676 Website: www.hexcel.com	Nida-Core Corporation [Nida-Core (alveolare in plastica)] 65 Marshall Street Hoboken, NJ 07030 Tel: (201) 653-8181 Fax: (201) 653-1598 Website: www.nida-core.com Email: sales@nida-core.com	Tricel Corporation (Tricel (alveolare in carta)] 2100 Swanson Court Gurnee, IL 60031 Tel: (847) 336-1321 Fax: (847) 336-1311 Website: www.tricelcorp.com Email: john@tricelcorp.com