Costruire con il Legno

Di Ron Alexander - Translated with Permission (C) EAA - Dicembre 1998

Traduzione di Pietro Bruni

Fin dagli inizi della aviazione il legno è stato usato per le costruzioni aeronautiche. I primi progettisti e costruttori usarono frassino o noce bianco americano . Stavano cercano un tipo di legno che potesse essere relativamente leggero e contemporaneamente molto robusto. Proprio poco prima della prima guerra modiale il Sitka Spruce fu scoperto, ci si rese conto che le caratteristiche si avvicinavano molto a quello che si stava cercando. Si scoprì che il rapporto tra robustezza e peso era molto favorevole per le costruzioni aeronautiche. Molti altri legni avevano simili caratteristiche di peso e robustezza ma non erano altrettanto comuni e di facile approvvigionamento.
A questo punto lo spruce si dimostrò la scelta giusta, non solo per le caratteristiche meccaniche e di peso, ma anche per la non meno importante caratteristica di esser facilmente disponibile e per la facilita con cui poteva essere lavorato. Con questi vantaggi, lo Spruce diventò largamente accettato come il principale materiale per le costruzioni aeronautiche Con la seconda guerra mondiale lo spruce si diffuse in modo ancor maggiore, i costruttori lo utilizzarono per un gran numero di velivoli. I longheroni costruiti in legno furono costruiti in Spruce in molti aerei così come le centine e altre parti strutturali. A causa della grande richiesta sia di aerei che per l'uso di questo legno per le parti principali degli stessi, , le foreste di questo popolare legno furono disboscate rapidamente. L'uso dello Spruce, che fu adottato anche per molte costruzioni postbelliche e per le attività di manutenzione e restauro, richiesero una grossa quantità di materiale, il legno fu la scelta più seguita per i suo rapporto peso/resistenza, lavorabilità, disponibilità e basso costo. Il più grande aereo costruito Il Spruce Goose (Oca di legno) era in gran parte di spruce; in questo periodo lo spruce era più economico dell'alluminio o dell'acciaio. Anche al giorno d'oggi lo Spruce e il legno in generale rimangono comunque diffusi nelle costruzioni aeronautiche. Molti progettisti e costruttori di kit di montaggio nell'industria aeronautica usano il legno come materiale principale. E comunque se il legno non è il principale materiale viene comunque utilizzato in molte parti. Il legno non è resistente come l'acciaio o l'alluminio, comunque, il progetto può essere disegnato in modo che si raggiungano le specifiche di resistenza richieste con un contemporaneo risparmio in peso.
Molto progettisti preferiscono utilizzare il legno nei velivoli acrobatici perché il legno sopporta meglio gli sforzi durante le acrobazie e a differenza del metallo non subisce la fatica. Questo naturalmente è un vantaggio per i costruttori. Il legno è usato nel fabbricare i longheroni , scali di montaggio, pavimenti del velivolo, panelli strumenti tip alari, correnti , stringers , bordi di entrata etc. Il legno si può modellare con facilità ed è quindi la scelta ovvia per le appunto le wing tip e i bordi d'entrata o le parti calpestabile. La lavorazione del legno e facilmente a acquisibile anche dai principianti che hanno spesso un conoscenza di base sulle costruzioni lignee e alcuni degli attrezzi necessari. Difetti pericolosi sono facilmente evidenziabili a differenza di altri tipi di costruzioni. Al contrario commettere degli errori può essere costoso. Non è possibile recuperare facilmente un pezzo tagliato in dimensioni sbagliate. In questo e negli articoli che seguiranno parlerò dei legni che si possono usare nelle costruzioni aeronautiche, come eseguire correttamente i controlli sulle proprietà del materiale, in modo da assicurarne la sicurezza , gli attrezzi necessari per lavorare il legno, parlerò di compensati e di colle, dei fondamenti delle costruzione aeronautiche in legno e come ispezionare le strutture lignee in un aereo terminato.
Lo spruce è da molto tempo riconosciuto come il legno migliore per le costruzioni aeronautiche.E' lo standard in relazione a tutti gli altri tipi di legno verificati. Ha molte caratteristiche che lo rendono la scelta ottimale. E' leggero in considerazione alle sue caratteristiche meccaniche e di durezza, a differenza degli altri legni. E' facilmente lavorabile, uniforme nella fibra resistente all'umidità e non ha odore. Inoltre può essere ottenuto in pezzi PULITI e di grana uniforme con veramente pochi difetti. Questo dipende dalle dimensioni di un albero di spruce adulto. Il Sitka Spruce é il legno maggiormente usato negli aeroplani. Il nome SITKA viene da un città non lontano da Juneau in Alaska. Il Sitka Spruce si trova principalmente sulle coste nordovest del pacifico in particolar modo lungo la costa della Alaska. Molte delle foreste in USA e Canada sono state disboscate lungo le coste pacifiche. Gli alberi crescono bene in un clima umido e temperato. Difficilmente si trovano foreste di queso legno a più di 50 miglia (80 Km) dalla costa. Gli alberi di spruce crescono tipicamente molto vicini tra loro, questo li porta a crescere molto snelli e velocemente per trovare in alto la luce solare e di conseguenza hanno pochi rami e comunque solo nella parte alta. Questo facilita il tipo di crescita necessaria ad ottenere tavole prive di nodi da utilizzare nelle costruzioni aeronautiche. Un albero di spruce può crescere fino a 200 piedi (circa 60 metri) e più, con un diametro di 8 piedi (2,5 metri ) ed oltre, Un albero di queste dimensioni po' avere circa 400 o più anni di età .Un albero di spruce non è utilizzabile per ottenere materiale da costruzione aeronautiche fino a quando non raggiunge i 5 piedi di diametro (circa 1,5 mt.) e comunque anche a questa dimensione solo il 5% del materiale ottenuto avrà la qualità sufficiente per essere utilizzato. Questa purtroppo è la causa per cui spesso un subisce un decadimento della qualita del legname per uso aeronautico. Come accennato prima l'utilizzo massiccio dello spruce prima e durante la seconda guerra mondiale a portato all'esaurimento di molte foreste di questo pregiato legno.
Lo spruce non viene certo usato solo per le costruzione aeronautiche. In realtà l'industria aeronautica una percentuale molto piccola di tutto il legname di spruce che viene raccolto. La maggior quantità raccolta, viene usata per costruire scale, case, alberi per barche a vela, botti, armadietti, casse acustiche per pianoforti e organi e altri usi. La costruzione ed il restauro di aerei è un business pressochè insignificante per il mercato del legname. A complicare ulteriormente la situazione si aggiunge il fatto che molte foreste di spruce sono protette da vincoli ambientali come ad esempio la salvaguardia della civetta chiazzata che vive in quelle foreste. Diamo ora una occhiata a cosa succede tra la raccolta e la consegna a casa vostra di un pezzo di spruce certificato per l'uso aeronautico. Gli alberi sono tagliati dai boscaioli e inviati alla segheria. Qui il legname viene ridotto in parti più piccole chiamate "cants". Questi pezzi sono abitualmente di circa da 15 a 20 cmq e lunghi dai 3.25 ai 6.5 mt. Sono poi caricate su chiatte per il viaggio dall'Alaska allo stato di Washington. Quando arrivano alle falegnamerie in Washington o in Oregon vengono poi tagliati in pezzi più piccoli per gli utilizzi accennati prima. Sono a conoscenza solo di una o due falegnamerie nel nord-est che producano legname per l'uso aeronautico. Queste falegnamerie, cercano di trovare del materiale con l'adeguato grado di qualità per l'utilizzo aeronautico e di accumularne a sufficienza in tempo per soddisfare gli ordini dei costruttori. Questo spesso richiede molti mesi, Una volta accumulata la quantità sufficiente lo stesso viene essiccato e tagliato nelle misure richieste di spessore e larghezza. Il legno viene certificato secondo la direttiva militare 6073 da un falegname certificato. Per quanto riguarda la direttiva stessa ne parleremo più avanti. Il legno viene a questo punto spedito ai fornitori di materiale aeronautico. Le dimensioni abituali delle tavole sono di circa da 10 a 20 Ft (da3 mt a poco piu di 6 mt) di lunghezza e larghe 6" (circa 15 cm). Le tavole sono sono rifinite sulle superfici piane e tagliate in modo non rifinito alle estremità Una tavola tagliata in questo modo viene definita S2S che sta ad indicare che sono rifinite solo due superfici. La dimensione dichiarata di 6" (15 cm) può essere un problema per i fornitori ed in ultima analisi anche per il costruttore, in quanto questa è una dimensione "nominale" e la tavola può comunque essere leggermente più grande o più piccola e quindi se dobbiamo costruire un longherone di 6" potremmo aver problemi con questa misura. La certezza potremmo averla solo se dobbiamo costruire un pezzo di 5" .Altro problema sta nella lunghezza, è difficile trovare tavole più lunghe di 14 ft. (4.62 mt.) Uno spessore superiore al pollice (25.4 mm) e oltremodo difficile da trovare. Perché non è semplice trovare pezzi di tali dimensioni senza difetti, e tipicamente più aumentano le dimensioni più diventa facile trovare dei difetti significativi. In conclusione é abbastanza difficile per il fornitore trovare grosse quantità di spruce di ottima qualità nelle dimensioni richieste per costruire un aeroplano.
Quando una ditta (aeronautica) riceve il legno dalle falegnamerie lo taglia in parti più piccole secondo le dimensioni richieste dai clienti. Una cosa ESTREMAMENTE importante ASSOLUTAMENTE NESSUNO apporrà un timbro che certifichi l'uso aeronautico. Le falegnamerie non garantiscono il legno per un "utilizzo aeronautico" e nemmeno lo fanno le aziende che forniscono materiale per la costruzione aeronautica. Alcuni anni fa qualcuno lo faceva ma ora non più. Dimenticatevi di poter ricevere del legno "certificato per l'uso in un aeroplano" .L'unica certificazione ottenibile sarà quella di corrispondenza alla specifica militare 6073 ma in nessun modo diranno che questo attesta la utilizzabilità per una costruzione aeronautica. L'unico responsabile in ultima analisi è il costruttore che utilizza il materiale nel suo aereo e che è responsabile che il materiale usato abbia la necessaria qualità. In questa serie di articoli vedremo più in la come esaminare ed ispezionare il materiale.
La vendita di spruce è una specie di incubo per i fornitori. Il prezzo che pagano per la spedizione è molto alto inoltre hanno dei costi veramente notevoli per la preparazione del materiale per la spedizione stessa. Il legno è molto delicato. Alla fine circa il 40 % del legno che ricevono non può essere utilizzato per costruire longheroni , sono quindi costretti a tagliarlo in parti più piccole per essere venduti come listelli o correnti oppure scartati e bruciati nel camino. Tagliare il legno in queste parti più piccole è un lavoro pesante. Quindi alla fine il prezzo pagato per un longherone in spruce non garantisce un guadagno al fornitore. Sono stato in questo genere di bussines per oltre 17 anni e ho potuto personalmente rendermi conto di quanto affermo.

ALTERNATIVE ALLO SPRUCE

Dato che il Sitka Spruce è così difficile da ottenere perché non cercare delle alternative? E' una domanda sensata e certamente un certo numero di alternative allo spruce esistono. Prima di tutto bisogna vedere quali legni possono essere usati in sostituzione nelle parti strutturali del velivolo. Purtroppo le informazioni sull'uso del legno negli aerei sono limitate. La fonte primaria di informazioni può essere la Circolare informativa FAA 43-13, il Bollettino governativo ANC-19 e una copia delle specifiche militari 6073. La circolare FAA elenca una serie di diversi legni che posso essere usati nelle strutture aeronautiche. Alcuni di questi sono l'abete Douglas , l'Abete "Noble", il Western Hamlock (Abete canadese), il Pino bianco, il Cedro bianco ed il pioppo giallo . Noi parleremo di quelli più facilmente reperibili, "Douglas", "Noble" , "Western Hamlock" e Pino Bianco . Come si vede dalla tabella comparativa di figura 1, il "Douglas" é una buona alternativa, le sue capacità meccaniche sono approssimativamente superiori del 23% allo spruce

Figura 1
Tabella dei legno per uso Aeronautico

La circolare FAA 43-10 indica che questo può essere usato come sostituto dello spruce nelle medesime dimensioni,. O in dimensioni leggermente più piccole purchè le le caratteristiche meccaniche siano verificate anche riducendo le sezioni. . L'abete ha la tendenza a scheggiarsi rendendone più difficile la lavorazione. E' inoltre più pesante dello spruce di circa il 26% ricordatevi però che è possibile ridurne le sezioni in funzione della maggior resistenza. Anni fa alcune aziende aeronautiche come la Boeing lo fecero su alcuni PT13 e PT17.
Si può quindi acquistare del buon "Douglas"? Alcuni falegnami possono averne di buona qualità a prezzi ragionevoli, non così i fornitori aeronautici che trovano difficoltoso acquistare l'abete cosi come lo spruce. E possibile quindi trovane a prezzo più contenuto più probabilmente presso le falegnamerie.
Che dire del pino bianco? Come si vede dalla tabelle le sue caratteristiche sono inferiori di circa il 5-15% allo spruce, è facile da lavorare e piuttosto comune. Molti costruttori di kit lo utilizzano. Ha però delle caratteristiche meccaniche inferiori e non può quindi essere usato come sostituto diretto dello spruce senza ricalcolarne le dimensioni per ottenere la stessa robustezza. Il "Western Hamlock" detto anche abete canadese è stato usato per molti anni nelle costruzioni aeronautiche. Le sue caratteristiche meccaniche sono leggermente superiori allo spruce e può quindi essere utilizzato come diretto sostituto. La circolare FAA 43.13 segnala però una minor uniformità nella fibra.
A riguardo della tabella di confronto della figura 1 sono considerati due parametri. Gli anelli per pollice sono una misura del tasso di crescita del diametro dell'albero questi anelli corrispondo esattamente agli anni di accrescimento dell'albero.(Figura 2) Non sono necessariamente un indicatore certo della resistenza del legno. La specifica militare 6073 definisce il numero di anelli di accrescimento per pollice per l'utilizzo in strutture aeronautiche. Il bollettino governativo ANC-19 afferma che "lo scarto di un materiale che si basi sul numero di anelli per pollice è comunque arbitrario perché questo non sempre indica la resistenza del pezzo". L'inclinazione massima della fibra è invece la deviazione delle stessa rispetto al parallelismo del pezzo di legno. Guardando la faccia della tavola gli anelli di accrescimento non devono essere inclinati in su o in giù più del valore indicato in tabella 1 abitualmente 1" ogni 15 " di lunghezza. Entrambi questi argomenti verranno trattati in dettaglio nella parte riguardante le ispezioni del materiale.

Ispezionare il legno per l'uso aeronautico

Se non è possibile utilizzare lo spruce o qualsiasi altro legno approvato per le costruzioni aeronautiche come posso sapere se la qualità è sufficiente? La risposta è che non è possibile saperlo. E' necessario trovare qualcuno che abbia maggior conoscenza oppure studiare ed aumentare il proprio livello di conoscenza. In ogni caso anche se certamente esistono delle differenze sostanziali sotto l'aspetto legale tra costruzioni di serie e costruzioni amatoriali, questa differenza non esiste se parliamo di qualità dei materiali. La produzione industriale deve verificare la provenienza di tutti i materiali che vengono usati in sostituzione del materiale previsto in origine. Questo significa semplicemente che bisogna essere in grado di tracciare la provenienza del legno che verrà usato nella sostituzione di un longherone su un velivolo di serie. Dato che il legno non viene marcato come "certificato" per l'utilizzo aeronautico, cosa la FAA richiede come documentazione per verificare che il materiale usato per la sostituzione è adatto? Molti ispettori con cui ho parlato, concordano che il materiale utilizzato debba far parte di un lotto che soddisfi la specifica militare 6073 . In ogni caso la certificazione del legno utilizzato, da un punto do vista legale concerne alle società che effettua la riparazione ed ai suoi funzionari incaricati della stessa.
Come invece probabilmente sapete, in un velivolo amatoriale autocostruito, non è necessario soddisfare alcun requisito da un punto di vista legale. Questo però non esime il costruttore dal un normale critico buon senso. In altre parole anche se non è obbligatorio verificare l'origine del legno usato in un experimental, è comunque una buona cosa farlo. Raccomando il costruttore di verificare con attenzione ogni pezzo prima di montarlo. Il costruttore di un experimental può andare dal locale falegnameria e comprare il legno che desidera (spruce, douglas o pino). Se sta comprando dello spruce è importante accertare che si tratti di "sitka spruce". Nessun certificato di qualità può normalmente ottenersi perché nessun esperto lo fa. Non c'è nulla di male o anormale nel comprare il legno in modo autonomo presso la locale falegnameria a patto che si sappia cosa si sta comprando. In altre parole, bisogna acquisire familiarità con i difetti tipici dei vari legni. Questo può essere fatto con la AC43-13, ANC 19, Mil-Spec 6073 etc. in modo da sapere come operare in sicurezza sul vostro aeroplano. Se non vi sentite sicuri, cercate qualcuno che conosca la materia e fatevi aiutare. Nei prossimi articoli tratteremo di come identificare e ispezionare i legni e sapere se il materiale che state usando è sicuro. Utilizzeremo molto la Mil Spec 6073.Lo stesso documento può essere richiesto ad esempio a "Aircraft Spruce and Specialty". Anche il "Forest Products Laboratory" ha abbondanza di informazioni sui legni in generale.
Sono stati di molto aiuto alla EAA e ai costruttori in generale. L'Aviation Information Service (infoserv@eaa.org) presso la sede della EAA ha inoltre molte informazioni utili circa e costruzioni aeronautiche in legno.