Progettazione, ottimizzazione e analisi di sostenibilità del processo di Filament Winding di componenti assialsimmetrici in materiale composito

The present work is in line with the growing need to develop innovative and sustainable manufacturing processes able to combine high mechanical performance with low costs and reduced environmental impacts. In this context, the attention has been focused on Filament Winding (FW) process which is an automated technology to produce fiber-reinforced polymer-matrix composite components widely used in aerospace, automotive, energy, marine and many other industrial sectors. The main goal of this study is to analyse the technological, mechanical, environmental and economic aspects related to the FW process, by using an integrative approach. The methodology adopted consisted of three complementary and interconnected phases: a laboratory-scale experimental investigation of the FW process, aimed to assess the effect of the main process parameters on the mechanical properties of the manufactured components; the design of industrial structural components followed by environmental and economic impact analyses using the standardized methodologies of Life Cycle Assessment (LCA) and Life Cycle Costing (LCC); and finally, the development of a predictive mathematical model based on a non-linear multiple regression to estimate winding times and energy consumption as a function of input parameters, subsequently integrated into a model for the evaluation of environmental and economic sustainability of the process. The experimental study allowed to identify the most relevant correlations between technological parameters and the mechanical properties of the wound composite components, highlighting the crucial role of the winding angle. The LCA and LCC analyses showed that the main source of the environmental impacts is related to the production of the carbon fibers, while the automation of the FW process significantly reduces energy consumption and labour costs compared to traditional manufacturing techniques. The predictive model developed provided an accurate evaluation of production times and energy demand, enabling performance, economic, and environmental assessments to be integrated into a single decision-support tool. This approach led to the definition of an integrated sustainability model, which can be useful for the industrial to optimize the component design and the process parameters management, according with Design for Environment principles. Therefore, this work contributes to expanding the scientific knowledge about the FW process, which has not yet been widely discussed in literature from a sustainability perspective, and offers a model that can be applied by industries to improve the production cycle of composite components, promoting the adoption of lightweight solutions with limited environmental impacts, even though the components are realized by composite materials.

Il presente lavoro di ricerca si inserisce nella crescente esigenza di sviluppare processi produttivi innovativi e sostenibili, in grado di coniugare prestazioni meccaniche elevate e, al contempo, costi e impatti ambientali contenuti. In questo contesto, l’attenzione è stata posta sul processo di Filament Windiing (FW), una tecnologia automatizzata per la realizzazione di componenti in materiale composito a matrice polimerica fibrorinforzata, ampiamente utilizzata nei settori aerospaziale, automobilistico, energetico, nautico e molti altri ancora. L’obiettivo principale dello studio è stato quello di analizzare in maniera integrata aspetti tecnologici, meccanici, ambientali ed economici legati al processo di FW. L’approccio metodologico utilizzato ha previsto tre fasi complementari e interconnesse: lo studio sperimentale su scala laboratoriale del processo di FW, volto a valutare l’effetto dei principali parametri di processo sulle proprietà meccaniche dei manufatti; la progettazione di componenti strutturali industriali con successiva analisi degli impatti ambientali ed economici mediante le metodologie standardizzate di Life Cycle Assessment (LCA) e Life Cycle Costing (LCC) e, infine, lo sviluppo di un modello matematico predittivo basato su una regressione multipla non lineare per la stima dei tempi di avvolgimento e del consumo energetico in funzione dei parametri di input, successivamente integrato in un modello per la valutazione della sostenibilità ambientale ed economica del processo. L’attività sperimentale ha permesso di individuare le correlazioni più significative tra i parametri tecnologici e le proprietà meccaniche dei componenti in composito, evidenziando il ruolo determinante dell’angolo di avvolgimento. Le analisi LCA e LCC hanno evidenziato come la fase di produzione delle fibre di carbonio costituisca la principale fonte di impatto ambientale, mentre l’automazione del processo di FW consente di ridurre significativamente i consumi energetici e i costi di manodopera rispetto a processi tradizionali. Il modello predittivo sviluppato ha fornito un’accurata stima dei tempi di produzione e del fabbisogno energetico, consentendo di integrare le valutazioni prestazionali, economiche e ambientali in un unico strumento di supporto decisionale. Tale approccio ha portato alla definizione di un modello integrato di sostenibilità, applicabile in ambito industriale per ottimizzare la progettazione dei componenti e la gestione dei parametri di processo nell’ottica di Design for Environment. Pertanto, questo lavoro contribuisce ad ampliare le conoscenze scientifiche sul processo di FW, ancora poco trattato in letteratura dal punto di vista della sostenibilità, e offre un modello applicabile a livello industriale per il miglioramento del ciclo produttivo di componenti in composito, favorendo l’adozione di soluzioni a basso peso con impatti ambientali contenuti, pur trattandosi di componenti realizzati in materiale composito.