Il carbonio è vitale per l'esistenza di tutti gli organismi viventi, poiché costituisce la base di tutte le molecole organiche che, a sua volta, costituiscono la base di tutti gli esseri viventi. Anche se questo da solo è piuttosto impressionante, ha recentemente trovato applicazioni sorprendentemente nuove in discipline come l'aerospaziale e l'ingegneria civile con lo sviluppo di fibre di carbonio più resistenti, più rigido, e più leggero dell'acciaio. Di conseguenza, le fibre di carbonio hanno preso il posto dell'acciaio in prodotti ad alte prestazioni come aerei, auto da corsa, e attrezzature sportive.

Le fibre di carbonio sono solitamente combinate con altri materiali per formare un composito. Uno di questi materiali compositi è la plastica rinforzata con fibra di carbonio (CFRP), che è ben noto per la sua resistenza alla trazione, rigidità, e un elevato rapporto resistenza-peso. A causa della sua forte domanda, i ricercatori hanno condotto diversi studi per migliorare la forza dei CFRP, e la maggior parte di questi si è concentrata su una particolare tecnica chiamata "design a fibre ottiche, " che ottimizza l'orientamento delle fibre per aumentare la resistenza.

Però, l'approccio al design guidato dalla fibra non è privo di inconvenienti. "Il design a fibre ottiche ottimizza solo l'orientamento e mantiene fisso lo spessore delle fibre, impedendo il pieno utilizzo delle proprietà meccaniche del CFRP. Un approccio alla riduzione del peso, che consente di ottimizzare anche lo spessore della fibra, è stato considerato raramente, " spiega il dott. Ryosuke Matsuzaki della Tokyo University of Science (TUS), Giappone, la cui ricerca è focalizzata sui materiali compositi.

In questo contesto, Il dottor Matsuzaki, insieme ai suoi colleghi della TUS, Yuto Mori e Naoya Kumekawa—hanno proposto un nuovo metodo di progettazione per ottimizzare contemporaneamente l'orientamento e lo spessore delle fibre a seconda della posizione nella struttura composita, che ha permesso loro di ridurre il peso del CFRP rispetto a quello di un modello di laminazione lineare a spessore costante senza comprometterne la resistenza. I loro risultati possono essere letti in un nuovo studio pubblicato su Strutture composite .

Il loro metodo consisteva in tre fasi:preparatoria, iterativo, e processi di modifica. Nel processo preparatorio, è stata eseguita un'analisi iniziale utilizzando il metodo degli elementi finiti (FEM) per determinare il numero di strati, consentendo una valutazione qualitativa del peso mediante un modello di laminazione lineare e un design guidato dalle fibre con un modello di variazione dello spessore. Il processo iterativo è stato utilizzato per determinare l'orientamento della fibra in base alla direzione della sollecitazione principale e calcolare iterativamente lo spessore utilizzando la teoria della sollecitazione massima. Finalmente, il processo di modifica è stato utilizzato per apportare modifiche che tengano conto della producibilità creando prima un fascio di fibre di base di riferimento in una regione che richiede un miglioramento della resistenza e quindi determinando l'orientamento e lo spessore finali disponendo i fasci di fibre in modo tale che si diffondano su entrambi i lati del fascio di riferimento.

Il metodo di ottimizzazione simultanea ha portato a una riduzione del peso superiore al 5%, consentendo al contempo una maggiore efficienza di trasferimento del carico rispetto a quella ottenuta con il solo orientamento della fibra.

I ricercatori sono entusiasti di questi risultati e attendono con impazienza la futura implementazione del loro metodo per un'ulteriore riduzione del peso delle parti CFRP convenzionali. "Il nostro metodo di progettazione va oltre la saggezza convenzionale del design composito, per aerei e automobili più leggeri, che possono contribuire al risparmio energetico e alla riduzione di CO ₂ emissioni, " osserva il dottor Matsuzaki.