Studio di processi innovativi per la produzione sostenibile di manufatti in materiali compositi alto-prestazionali

In recent years, the manufacturing industry has shown increasing interest in sustainable production solutions, focusing on innovative technologies such as Additive Manufacturing (AM). 3D printing of carbon fibre reinforced polymer composites (CFRP) is a promising alternative to traditional methods, thanks to waste reduction, design optimisation and the possibility of realising complex geometries. However, critical issues remain related to the mechanical performance and economic and environmental sustainability of the materials. This study investigates the potential of AM in the production of CFRP by analysing two different approaches: the printing of composites with continuous fibres and with short fibres. In the first case, the co-extrusion of continuous carbon fibres impregnated with a thermoplastic matrix was studied, analysing the effect of moisture absorption on mechanical properties. Subsequently, the compression behaviour of 3D-printed isogrid structures, of particular interest in the aerospace sector, was analysed. Furthermore, a Life Cycle Assessment (LCA) compared 3D printing with traditional autoclave moulding, highlighting advantages in terms of waste reduction and recyclability. A Life Cycle Costing (LCC) assessment quantified the economic benefits. In the case of short fibre CFRP, the study assessed the feasibility of AM for mould production, showing how 3D printing can reduce costs and time compared to traditional metal moulds. The effects of thermal cycling and clamping on the dimensional stability of the moulds were analysed, confirming the benefits also through LCA and LCC, especially for low-volume production. In conclusion, AM proves to be a promising technology to make CFRP production more efficient and sustainable, although it requires further development to improve its quality, mechanical properties and industrial scalability.

Negli ultimi anni, l’industria manifatturiera ha mostrato un crescente interesse per soluzioni produttive sostenibili, puntando su tecnologie innovative come l’Additive Manufacturing (AM). La stampa 3D di compositi polimerici rinforzati con fibre di carbonio (CFRP) rappresenta un’alternativa promettente ai metodi tradizionali, grazie alla riduzione degli scarti, all’ottimizzazione del design e alla possibilità di realizzare geometrie complesse. Restano però criticità legate alle prestazioni meccaniche e alla sostenibilità economica e ambientale dei materiali. Questo studio esplora il potenziale dell’AM nella produzione di CFRP, analizzando due approcci distinti: la stampa di compositi con fibre continue e con fibre corte. Nel primo caso, è stata studiata la co-estrusione di fibre di carbonio continue impregnate con una matrice termoplastica, analizzando l'effetto dell’assorbimento di umidità sulle proprietà meccaniche. In seguito, è stato analizzato il comportamento a compressione di strutture isogrid stampate in 3D, di particolare interesse nel settore aerospace. Inoltre, un'analisi Life Cycle Assessment (LCA) ha confrontato la stampa 3D con il tradizionale stampaggio in autoclave, evidenziando vantaggi in termini di riduzione degli sprechi e riciclabilità. Una valutazione Life Cycle Costing (LCC) ha quantificato i benefici economici. Nel caso dei CFRP a fibre corte, lo studio ha valutato la fattibilità dell’AM per la produzione di stampi, mostrando come la stampa 3D possa ridurre costi e tempi rispetto agli stampi metallici tradizionali. Sono stati analizzati gli effetti dei cicli termici e del serraggio sulla stabilità dimensionale degli stampi, confermando i benefici anche tramite LCA e LCC, soprattutto per produzioni a basso volume. In conclusione, l’AM si conferma una tecnologia promettente per rendere la produzione di CFRP più efficiente e sostenibile, pur richiedendo ulteriori sviluppi per migliorarne qualità, proprietà meccaniche e scalabilità industriale.