Tecnologie di produzione con i materiali compositi e loro ... · Tecnologie di produzione con i materiali compositi e loro settori di ... oltre ad applicare tutta una serie di accorgimenti

Tecnologie di produzione con i materiali compositi e loro settori di applicazione

Università di Bergamo, 14 Dicembre 2015 1

Tecnologie di produzione con i materiali compositi e loro settori di

applicazione

Università di Bergamo, Facoltà di Ingegneria - 14 Dicembre 2015

© 2015-2016 Ing. Andrea Rottigni. All rights reserved



Andrea Rottigni, laureato in ingegneria meccanica al Politecnico di Milano; libero professionista, consulente aziendale e temporary manager.Ho maturato esperienze in tutti gli ambiti aziendali e della consulenza, dal management alla produzione. Vanto più di dodici anni di esperienza nel settore dei materiali compositi in diversi ambiti tra i quali: automotive (luxury e mass volume production); aerospaziale; aeronautico; nautico; delle costruzioni.

chi sono



AGENDA

-) tendenza

-) compositi termoindurenti - preimpregnati (pre-preg) in fibra di carbonio

-) tecnologie di produzione con compositi a matrice termoindurente

-) compositi termoplastici – materiali e tecnologie di trasformazione

-) posizionamento delle tecnologie e dei materiali

-) esempi applicativi nei diversi settori

-) nanocompositi (cenni)

-) biocompositi (cenni)

agenda



tendenza

Source: Reinforced Plastics, CCeV, AVK (2014/01)

7 years

+ 181%

5 years

+ 57%

Global demand for CFRP in tonnes 2008-2020 (*estimated).

7 years

+ 181%

5 years

+ 57%



I COMPOSITI TERMOINDURENTI



i pre-impregnati (pre-preg) di carbonio



gestione del preimpregnato

Tessuto preimpregnato (pre-preg)

Si tratta del tessuto di fibra di carbonio, già impregnato di epoxy e relativo catalizzatore.

Il vantaggio industriale offerto dal pre-preg è la distribuzione uniforme della resina.

Stoccaggio - vanno stoccati a una temperatura che impedisca l’inizio del processo di catalisi (-18°C).

A lato, laminazione di pre-preg.Fonte: ReinforcedPlastics.

TACK LEVEL :Per i soli materiali preimpregnati, una caratteristica fondamentale è rappresentata dal “TackLevel” cioè la capacità di aderire sia su se stesso che sulle superfici degli stampi.

-) High tack; -) Medium tack; -) Low tack; -) Very Low tack.



gestione del preimpregnato

NESTING e TAGLIO PLOTTER



tecnologie di produzione con compositi a matrice termoindurente



produzione di particolari in materiale composito con autoclave



produzione di compositi con autoclave

Fasi di processo:

-) laminazione del particolare : cleanroom e sue caratteristiche (temperatura 18°C ed umidità circa 40%) ply book (schema di laminazione del particolare, deriva dai calcoli strutturali).

-) realizzazione vacuum bag;

-) ciclo in autoclave

-) estrazione particolari;

-) controlli non distruttivi (NDT);

-) finitura;



laminazione

Corretta esecuzione della laminazione.

Una corretta laminazione del pezzo in carbonio inizia dal seguire in maniera attenta e puntuale quanto riportato nel plybook, oltre ad applicare tutta una serie di accorgimenti tecnico/operativi dettati dall’esperienza.




L’autoclave e le sue caratteristiche

L’autoclave è definita come un serbatoio in pressione, isolato termicamente, con regolazione di pressione e temperatura interne e entro cui può continuare ad agire il “vuoto” creato con il vacuum bag sul pezzo laminato.

> 400°CTemperatura

± 1°CUniformità di temperatura

> 20 barPressione

Fonte: Ferruzzi Fercalx Group

1 ÷ 50 mtLunghezza

500 ÷ 9000 mmDiametro




Il vacuum bag

Lo scopo del “vacuum bag” (detto anche sacco a vuoto) è l’estrazione dell’aria presente all’interno del laminato, tramite l’applicazione di vuoto parziale (una depressione) ad -1 atm.

I componenti di base del vacuum bag sono:

• pompa del vuoto (pompa aspiratrice)• sacco sigillato di materiale plastico (di solito, poliammide), che racchiude la parte in CFRP

laminata e da polimerizzare• valvole e tubi di connessione



ciclo in autoclave

Teoria dei cicli di riscaldo, stazionamento e raffreddamento

(Fonte: Università di Messina – Ingegneria dei Materiali, Prof. Visco)

L’esecuzione delle fasi del ciclo di trattamento in autoclave – riscaldo, stazionamento in temperatura, raffreddamento – condiziona le caratteristiche meccaniche del pezzo prodotto.

Un corretto ciclo si basa sulla “Curva di viscosità della resina”, il solo parametro che governa la legge di riscaldo.



produzione di compositi con tecnologia RTM (Resin Transfert Moulding)




Descrizione sintetica

Nei processi RTM la resina viene iniettata a pressione in una cavità, formata da uno stampo e un controstampo rigidi, entro cui è stata disposta la fibra asciutta che è stata preformata.

Con RTM si possono ottenere particolari a spessori anche estremamente variabili, si può andare da un minimo di circa 1,5 mm fino ad un massimo di circa 15÷20 mm, anche se non esiste un limite teorico a tale spessore.

(Fonte: MOMENTIVE)

La tecnologia RTM sfrutta la possibilità di impregnare delle fibre asciutte mediante l’iniezione in pressione della resina che, per effetto della sua viscosità (legata alla temperatura), della capillarità, e della pressione, porta a impregnare completamente le fibre.



• Il processo RTM con stampo in acciaio, è orientato a volumi di produzione medio-alti..

• In un processo RTM messo bene a punto, la qualitàsuperficiale dei particolari prodotti è molto alta.

• Rispetto al processo con autoclave, con RTM è più difficile ottenere particolari con caratteristiche meccaniche elevate.

• I rischi di progettazione e relativi costi di errori sono molto elevati.


Vantaggi e svantaggi

(Fonte: GURIT – “Guide to Composites”)




Tipologie di stampi impiegabili e ricadute sul processo

La tipologia di stampo influenza pesantemente il processo RTM.

Sotto una tabella che illustra varie possibilità di stampo per RTM e le relative ricadute.

(Fonte: Politecnico di Milano – AA ’08-’09 - Tesi di Laurea “Ottimizzazione degli stampi ed analisi del processo RTM per materiali compositi fibrorinforzati”)

Service life breve,

superficie fragileBasso costo, rapido da realizzarePicoola serie11,5 KPoliestere (+ gel coat)

Composito

poliestere

Service life breve,

superficie fragile

Possibilità di regolare

accuratamente la temperaturaPicoola serie1,53 K ÷6 KEpoxy (+ gel coat)

Composito

epossidico

Possibili deformazioni

nel tempoCosto/Prestazione ottimaleMedia serie550 K ÷100 KNichelElettroformato

Scarsa durezza superficiale,

stampi piccoliAccuratezza e affidabilità nel tempoMedia serie710 K ÷30 K

Lega alluminio

(lucidata)Alluminio

Tempi di realizzazione,

costo, peso elevato

Grande accuratezza superficiale,

affidabilità nel tempoGrande serie20250 K ÷500 K

Carbon steel (lucidato,

eventualmente cromato)Acciaio

SvantaggiVantaggiProduzioniIndice

costo

Service life

(numero parti)SuperficieTipologia




Pre-forme in fibra e/o tessuti

Nell’ambito della produzione industriale, il rinforzo in fibra e/o tessuto del particolare da stampare viene normalmente pre-formato. Questo sia per avere produttività, sia per risolvere problemi legati alla geometria del particolare (soprattutto lo sviluppo in altezza).Le pre-forme sono costituite da fibra asciutta (continua o discontinua), oppure da tessuti, a cui vengono conferite sagomature prima che siano introdotte nello stampo, a costituire il rinforzo del particolare stampato. Le proprietà principali richieste alla pre-forma sono la ripetibilità e la stabilità di forma “a secco”.

Le pre-forme sono ottenute tramite diversi sistemi di produzione/assemblaggio, che possono prevedere cuciture, agugliature di tessitura, una sorta di “incollatura” ottenuta mediante dei leganti polimerici, avvolgimento.

Le pre-forme ottimizzano tutte le attività di movimentazione/manipolazione e riducono i tempi di introduzione dei rinforzi all’interno dello stampo, con riduzione dei costi di produzione, maggiore economicità e industrializzazione.




Esempi di pre-forme

Preforma (sopra) e particolare stampato (sotto).

(Fonte: Politecnico di Milano – Tecnologie e Materiali Aerospaziali –Cap.41-Tecnologie per Infusione)

(Fonte: 3Tex Inc.)



(Fonte: Lamiflex SpA)


Fasi del processo

Come detto, la tecnologia RTM è caratterizzata dall’avere stampo e controstampo rigidi, all’interno del quale viene inserita una preforma in fibra asciutta; all’interno di tali stampi può essere realizzata una depressione (nell’ordine di 0,8 bar) per facilitare l’inserimento della resina durante la successiva iniezione.

A stampo chiuso, avviene l’iniezione della resina in pressione nello stampo; al termine dell’inserimento della resina nello stampo si ha l’inizio del “curing”, cioè l’avvio della catalisi del pezzo che può avvenire a temperatura ambiente oppure mediante riscaldamento dello stampo (per diminuire il tempo ciclo).

Sotto, uno schema di principio.



(Fonte: Plastix)


Andamento dei parametri (p, T, ηαηαηαηα)Sotto, un esempio dell’andamento dei parametri principali durante le tre macro-fasi di processo (riscaldo; riempimento stampo; polimerizzazione).

Molto importante - analisi dei parametri di: “Permeabilità K” della preforma; Viscositàdella resina; software di previsione impregnazione; studio del Network di iniezione.



produzione di compositi – altre tecnologie di derivazione RTM




VARTM (RTM-Light) : la resina viene iniettata nello stampo; controstampo NON rigido (vacuum bag; siliconico; stampata in GF spessore ridotto) – minori pressioni di iniezione.

INFUSIONE : con vacuum bag, la depressione di -1 atm richiama la resina all’interno dello stampo.

RFI (Resin Film Infusion) : il processo prevede che uno strato di resina che si presenta come solida a temperatura ambiente, una volta riscaldata diventi fluida ed impregni le fibre e/o i tessuti secchi o che già contengano una certa quantità di resina al loro interno e siano quindi dei semi pre-impregnati; tali fibre/tessuti sono inseriti all’interno dello stampo sotto forma di pre-forme; tutto ciò normalmente subisce un ciclo in autoclave dove si hanno le azioni contemporanee del vuoto nello stampo, della temperatura e della pressione esterna.

RLI (Resin Liquid Infusion) : si utilizza una resina che si presenta allo stato liquido a bassa temperatura (quindi con valori di viscosità estremamente bassi), che viene utilizzata per impregnare le pre-forme in fibra/tessuti di vetro o carbonio. Tali resine liquide vengono iniettate a valori ben determinati di pressione e temperatura.

RIDFT (Resin Injection between Double Flexible Tooling) : si hanno le seguenti fasi: la pre-forma asciutta viene inserita all’interno di due membrane che vengono fissate tra loro; a questo punto avviene l’applicazione del vuoto e l’infusione della resina. Il tutto termina con lo stampaggio (formatura) del pacchetto formato dalle due membrane accoppiate su uno stampo rigido (che rappresenta la forma finale del pezzo da produrre).




SQRTM (Same Qualifield RTM) : la tecnologia SQRTM utilizza un sistema a stampo chiuso, in cui vengono combinati il materiale prepreg con lo stampaggio in fase liquida.

SCRIMP (Seeman’s Composite Resin Infusion Moulding Process) : è stato il primo metodo di infusione ad essere stato brevettato; la sua peculiarità è quella di avere un materiale da alta permeabilità inserito tra le pelli ed il vacuum-bag, tale materiale fa da supporto (normalmente sono delle reti semirigide) e facilita il flusso della resina, questo permette alla resina stessa di impregnare rapidamente ed in maniera estremamente uniforme tutto il particolare.




HP-RTM (High Pressure RTM) : E’ sicuramente la tecnologia che allo stato attuale permette di ottenere i risultati migliori e realizzare una produzione maggiore dal punto di vista del volume; quindi in questo caso si tratta di vere e proprie linee complete per la produzione di massa.




Fase di stampaggio: posizionamento della preforma nello stampo; chiusura dello stampo ed inizio applicazione della pressione (da 6000 kN fino a 36.000 kN che corrispondono grossomodo a da 600 a 3700 Tonnellate); realizzazione del vuoto nello stampo; iniezione della resina ad alta pressione (maggiore di 100 bar; resine caratterizzate da una bassissima viscosità); ciclo di riscaldo (curing); apertura stampo ed estrazione del pezzo.




In definitiva si può considerare la linea di HP-RTM come molto efficiente e caratterizzata da:

-) un processo progettato con il concetto di linea, completa di tutti gli aspetti produttivi ed orientata al prodotto;-) produzione completamente automatizzata; -) tempi ciclo molto brevi; -) vengono utilizzate resine con grado di reattività molto alto; -) componenti con un alto contenuto di fibre in volume -) processo caratterizzato da una stabilità molto elevata; -) le proprietà dei componenti ottenute con questa tecnologia sono eccellenti.

L’HP-RTM a sua volta si divide in :

HP – RTM : HP–CRTM (High Pressure Compression Resin Transfer Moulding) – prima fase del processo avviene a stampo aperto

HP–IRTM (High Pressure Injection Resin Tranfer Moulding) – lo stampo è semprechiuso durante ogni fase del processo



produzione di parti in FRP tramite stampaggio a compressione in pressa




Descrizione sintetica

Le tecnologie per lo stampaggio a compressione in pressa differiscono tra loro per la diversa tipologia di materiali (termoindurenti o termoplastici) che vengono utilizzati e per come sono posizionati all’interno dello stampo; i più comuni sono:

• SMC – Sheet Mould Compound;• BMC – Bulk Moulding Compound (nome maggiormente utilizzato); talvolta viene anche

definito DMC (Dough Moulding Compound), i due termini sono completamente intercambiabili;

• PMC – Prepreg Compression Moulding (stampaggio di pre-preg tramite compressione);• Ibrido PMC/SMC – Hydrid Moulding Process (processo di stampaggio ibrido PMC/SMC);• TMC – Thick Moulding Compound• Presse a PIANI RISCALDATI.

Una schematizzazione molto semplice del processo, indipendentemente dal materiale utilizzato è:

dove si ha lo stampo termostatato (con diverse metodologie e fluidi), montato su una pressa, con all’interno il materiale da stampare.



• Il processo di STAMPAGGIO A COMPRESSIONE necessita per la sua corretta riuscita di uno stampo in acciaio (termostatato), è quindi orientato a volumi di produzione medio-altiavendo tempi ciclo piuttosto bassi e quindi con alto livello di automazione e basso presidio: in altre parole, è un processo a elevato livello di industrializzazione.

• Nel processo di STAMPAGGIO A COMPRESSIONE messo bene a punto, la qualitàsuperficiale dei particolari prodotti è ottima.

• Rispetto al processo in autoclave, con lo STAMPAGGIO A COMPRESSIONE, utilizzando i materiali adatti, si ottengono particolari con caratteristiche meccaniche assolutamente paragonabili, se non identiche, con costi inferiori a partire da un certo volume di produttività.

• I particolari prodotti con questo processo necessitano di una ulteriore lavorazione fuori stampo per la loro finitura.

• I rischi di progettazione e relativi costi derivanti da errori sono molto elevati.


Vantaggi e svantaggi



il materiale SMC (Sheet MouldingCompounds)




Il materiale SMC (Sheet Moulding Compound)

Si tratta di un materiale composito all’interno del quale il rinforzo è rappresentato da fibre di vetro,

o da fibre di carbonio, con dimensione indicativa da 10 a 60 mm e con contenuto in percentuale

compreso tra il 15 ed il 65%. Questo materiale si presenta sotto forma di fogli piani, con dimensioni

tra 1200 e 1500 mm di larghezza e spessori variabili da 2 e 3 mm, oppure si presentano come fogli

continui avvolti su rulli, sempre con le stesse specifiche dimensionali viste precedentemente.

Una semplice schematizzazione del processo è la seguente:




Quindi possiamo considerare lo schema riassuntivo della tecnologia di stampaggio a

compressione utilizzando il materiale SMC, come il seguente:

Visivamente parlando i fogli di materiale SMCsi presentano in questo modo:




BMC - Bulk Moulding Compound

Il materiale BMC presenta migliori caratteristiche di scorrimento rispetto all’SMC quindi èparticolarmente adatto in pezzi che richiedano precisione di dettaglio e dimensionale, presentano però inferiori caratteristiche meccaniche.

Mentre per quanto riguarda il materiale BMC in forma random oppure con preforme definite:

Si tratta di un materiale in cui il contenuto percentuale di fibre è inferiore e con le stesse di dimensioni più corte, questo fa si che il BMC presenti delle caratteristiche meccaniche inferiori all’SMC.



PCM – Pre-preg Compression Moulding(Stampaggio a compressione in pressa di materiali compositi pre-impregnati)




Si tratta di un processo produttivo in cui il materiale pre-impregnato viene riscaldato molto velocemente e preformato; tale preformato viene poi caricato nello stampo e qui avviene lo stampaggio effettivo a compressione (mediante pressa) che fornisce la forma finale al pezzo.

Uno schema riassuntivo del processo descritto è:

Geometrie ottenibili – con questa tecnologia vengono generalmente realizzate forme abbastanza semplici e con spessore pressoché uniforme.

Stampi - Per questa produzione vengono utilizzati stampi in acciaio, a volte anche cromati o nichelati, per avere una maggiore resistenza alla corrosione ed abrasione tipici di questo tipo di processo. Tali stampi sono montati su presse che possono applicare alti valori di pressione (tonnellate applicabili in chiusura e durante l’esecuzione della compressione).

Tempi ciclo - possono essere nell’ordine dei 5 min o anche superiori.




PROCESSO di STAMPAGGIO:

Come già accennato precedentemente è necessario l’utilizzo delle pre-forme per la corretta e

veloce esecuzione del processo, la cui preparazione prevede una serie di fasi consecutive, tra cui

le principali sono: taglio del pre-preg; laminazione; riscaldo; preformatura; il tempo ciclo totale

di questa fase è stimabile in circa 10 min:




A questo punto il materiale pre-formato è pronto per la successiva e fondamentale fase di stampaggio a compressione in pressa.

Materiale - il materiale utilizzato come già detto è pre-impregnato di carbonio adatto allo stampaggio a compressione, con contenuto tipico in fibra fino al 65%,; la resina utilizzata èepossidica; tale resina però non è la stessa utilizzata negli altri processi che prevedono il materiale pre-impregnato (che possiamo considerare standard), infatti queste resine devono avere delle peculiarità specifiche e presentare delle caratteristiche particolari dovendo subire un gradiente termico molto elevato in un tempo molto breve.

Altri materiali utilizzati:

-) TMC – Thick Moulding Compound;

-) HexMC – Hexcel Moulding Compound;

-) Advanced Compounds – Green Compounds, Low weight Compounds, Carbonfiber Compounds; biocompounds.



presse a piani riscaldati




Presse a piani riscaldati –

Queste tipologie di presse sono le attrezzature di produzioni più semplici in assoluto, sono dotate di stampo e controstampo, vengono utilizzate per produrre particolari con forme molto semplici.

In queste macchine essendo la direzione di applicazione della forza (pressione) verticale, la percentuale di compattazione che riescono a fornire al particolare da produrre è pressochécostante se la geometria del pezzo è piana (o assimilabile a piana), ma differisce molto tra le diverse zone se la geometria è piuttosto complicata.



pultrusione



pultrusione

Si tratta di una tecnologia che permette di produrre, in continuo, dei profili lineari a sezione costante. Il processo è molto simile all’estrusione, li differenzia principalmente il sistema di alimentazione, in quanto, durante l’estrusione il materiale viene spinto attraverso la matrice, nella tecnologia della pultrusione viene invece tirato dalla matrice stessa.Il processo utilizza come fibre di rinforzo sia carbonio ma particolarmente fibra di vetro e consta di una serie di fasi in sequenza continua che parte dai filati secchi che vengono introdotti in un bagno di impregnazione e quindi legati alla matrice di resina; le fibre impregnate vengono poi tirate e fatte passare in una sorta di struttura a pettine che le introduce in una stazione di pre-formatura (non riscaldata) che definisce una sorta di pre-forma, oltre che definire anche le dimensioni del profilato, compattando le fibre tra loro.A questo punto si ha l’introduzione delle stesse nello stampo riscaldato (fase di curing) con sezione e forma del prodotto finale da realizzare; come sempre l’effetto della temperatura èquello di far avvenire la polimerizzazione della resina.

Breve descrizione della tecnologia:



pullforming



pullforming

E’ una tecnologia produttiva molto simile a quella appena vista della pultrusione; caratterizzante questo processo è quello di permettere la produzione “in continuo”di particolari con sezioni e spessori variabili, ma soprattutto con curvature.Ogni fase antecedente lo stampo è identica a quella della pultrusione, successivamente il grezzo viene portato nello stampo, che si presenta aperto e riscaldato, dal sistema che provvede alla movimentazione dello stesso (che quindi lo “tira”); alla chiusura dello stampo inizia il processo di catalisi che porta alla completa polimerizzazione della resina.Se lo stampo è a singola impronta, si ottiene un solo particolare a ciclo, se invece lo stampo e multi-impronta, ad ogni ciclo si ottengono più particolari. Il processo è caratterizzato da una presenza in % volumetrica delle fibre inferiore, ed è anche proprio grazie a questo aspetto che si possono ottenere sezioni e spessori variabili, oltre alle curvature già menzionate prima; tutto ciò con delle buone caratteristiche meccaniche risultanti del particolare prodotto.

Breve descrizione della tecnologia:



filament winding (FW)



filament winding (FW)

Breve descrizione della tecnologia

E’ una tecnologia produttiva che permette di realizzare particolari cavi avvolgendofibre di rinforzo impregnate di resina in modo continuato su un mandrino rotante, che ha la forma del particolare da produrre; l’avvolgimento avviene in modo elicoidale, a spirale e con angoli di inclinazioni sia a dx che a sx del mandrino in maniera predefinita, in questo modo per passaggi successivi si arriva ad ottenere gli spessori di progetto e quindi le caratteristiche di resistenza del manufatto previste in fase di progettazione. Al termine del processo vi è il passaggio necessario in forno per la definitiva polimerizzazione della resina costituente il particolare.



wrapping



wrapping

E’ una tecnologia produttiva praticamente identica a quella appena vista del FW, la sostanziale differenza è che, al posto dei fili utilizzati nel FW, nel Wrapping vengono utilizzati nastri e tessuti pre-impregnati, che sono sempre avvolti nella fase finale da termoretraibili o vacuumbag, che forniscono anche la compressione necessaria al laminato. Si ottengono prodotti di forma tubolare con un ottimo aspetto estetico, ma soprattutto caratterizzati da un rapporto elevato tra spessore e caratteristiche meccaniche risultanti. E’possibile realizzare forme tubolari a sezione variabile e rastremate con anche eventualmente spessori variabili; sono però da utilizzare mandrini smontabili (quando possibile) oppure costruiti con materiali solubili.




braiding


E’ una modalità di tessitura molto semplice e versatile; le peculiarità dei manufattiprodotti con questa tecnica sono la conformabilità (superfici a doppia curvatura), la stabilità torsionale e resistenza all’impatto. Nel processo di braiding anche più sistemi di fili sono intrecciati per realizzare una unica struttura integrata. Il braiding ha molti punti in comune conil filament winding.

Il braiding non eguaglia il filament winding in termini di contenuto in fibre, può però realizzare forme più complesse; ciò conferisce elevata integrità strutturale,resistenza all’impatto, tenacità intra- e inter-laminare.Con questa tecniologia sono possibili riduzioni di costo superiori al 50% rispetto al filament winding grazie ai risparmi di manodopera ed alle semplificazioni di progetto.

Possono essere utilizzati materiali asciutti o pre-impregnati intrecciandoli in maniera controllata sopra una forma/mandrino rotante e rimovibile. Si possono così ottenere diverse forme,orientazioni e frazioni volumetriche delle fibre.



braiding

Braiding Technology video

https://www.youtube.com/watch?v=vps0zGnZ1i0



I COMPOSITI TERMOPLASTICI



compositi termoplastici

Definizione:

Vengono definiti polimeri termoplastici quei polimeri formati da catene lineari o da catene poco ramificate, non legate l'una con l'altra (ovvero non reticolate); si trovano normalmente con due tipi principali di struttura: amorfa o semi-cristallina.




ELENCO dei PRINCIPALI MATERIALI TERMOPLASTICI STANDARD :

(source Tecnologie e Materiali Aerospaziali, Dipartimento Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano)

E DEI POLIMERI AD ALTE PRESTAZIONI:

Nylon (generalmente definito PA, PA6 o PA6.6): polimero poliammidico semicristallino.Polietilene (PE) : polimero che può essere sia amorfo (trasparente) che cristallino (bianco); Polipropilene (PP) : polimero semi-cristallino. Polistirene (PS; detto anche polistirolo); Polivinilclururo (PVC).




Perché utilizzare i compositi a matrice termoplastica?

Le resine termoindurenti sono tendenzialmente di tipo fragile e non possono essere rifuse o

ristampate, mentre le resine termoplastiche hanno comportamento tenace ma soprattutto

possono essere recuperate e rifuse, oltre che stampate nuovamente.

Elenchiamo ora i principali vantaggi e svantaggi nell’utilizzo dei materiali compositi termoplastici

rispetto ai termoindurenti:

Vantaggi :

-) Elevata resistenza all’impatto (resilienza) così come elevata resistenza alla rottura;

-) Presentano un valore di deformazione e carico di rottura (circa 10%) maggiore rispetto ai

termoindurenti (circa 1-2%), la cui conseguenza diretta è una migliore resistenza alla

propagazione della cricca all’interno dei laminati stessi;

-) Possibilità di avere valori variabili del contenuto di fibra, anche all’interno dello spessore, tra lo

0 ed il 65%;

-) Possono subire ulteriori trattamenti termici anche successivi al primo;

-) Shelf-life (vita utile del prodotto – stabilità dei componenti una volta miscelati): in pratica

illimitata;

-) Possono essere sottoposti a cicli di processo molto rapidi;

-) Un costo delle materie prime inferiore a quelli caratteristici dei sistemi termoindurenti;

-) Possono essere quasi completamente riciclati, quindi si ha un impatto ambientale tendenzialmente

minore.




Svantaggi:

-) Processabilità non ancora completamente conosciuta (soprattutto sui materiali di ultima generazione, es. Peek, PPS, ecc..) e implementata;

-) Costi elevati;

-) Scarsa reperibilità;

-) Temperature di processo molto alte;

-) E’ molto complicato incorporare le fibre all’interno della matrice fusa;

-)Presentando un elevato valore di viscosità, questo ha la conseguenza di incidere negativamente

sulla bagnabilità della resina (cioè la resina stessa impregna con maggiore difficoltà le fibre), al

contrario di quanto avviene per i termoindurenti.

Risultato : tutti questi aspetti hanno fatto sì che gli sviluppi dei materiali termoplastici siano stati

molto meno importanti rispetto a quello dei materiali termoindurenti.




PRODUZIONE MATERIALI TERMOPLASTICI RINFORZATI : si utilizzano generalmente tre

diverse metodologie:

-) Stampaggio – tramite tecniche di stampaggio ad iniezione o per estrusione, che producono pellets contenenti al loro interno fibre sia corte (3-13 mm) che lunghe; tale produzione tende però a danneggiare le fibre, inoltre esse tenderanno ad avere una direzione privilegiata, direzione lungo la quale l’effetto generato dal rinforzo è più elevato rispetto alle altre direzioni.

-) Miscelazione di fibre – sono materiali che si ottengono miscelando opportunamente fibre di rinforzo con fibre del polimero, questo fa sì che siano materiali disponibili solo in percentuali precise delle fibre che li formano, così come per le tipologie di polimeri disponibili. Normalmente questi materiali vengono usati con le tecnologia della pultrusione.

-) Laminazione (prepregs) – sono materiali ottenuti mediante impregnazione di fibre e/o tessuti di rinforzo con delle resine di tipo termoplastico; a loro volta possono poi essere uniti tra loro a formare laminati di spessori maggiori. Una tecnologia tipica per tali materiali è quella della termoformatura.




TECNOLOGIE DI TRASFORMAZIONE: le diverse tecnologie di trasformazione che maggiormente si prestano alla trasformazione dei compositi a matrice termoplastica sono quelle relative allo stampaggio in pressa, filament winding, pultrusione, roll-forming, a cui si deve aggiungere la tecnologia di termoformatura tipica di questa sola famiglia di materiali.

Roll – forming – dove vengono usati dei

rulli sagomati (singolo o a coppie) che per

passaggi successivi forniscono la materiale

la sua forma definitiva; ovviamente anche

qui vi sono le fasi di riscaldo e

raffreddamento che sono particolarmente

delicate.




Termoformatura

La termoformatura di compositi termoplastici è in tutto e

per tutto identica a quella che viene effettuata con altri

materiali di tipo plastico o con lamiere metalliche, vi è

un’unica sostanziale differenza in quanto nei laminati

rinforzati con fibre continue, non è possibile avere delle

deformazioni normali nel piano del laminato, ma solo

deformazioni flessionali e, in misura estremament

limitata delle deformazioni di taglio (scorrimento).

Il processo di termoformatura di un materiale composito

termoplastico è caratterizzato da: un pre-consolidamento

degli strati di materiale, riscaldo ad una temperatura

superiore alla Tg o Tm e dalla sua formatura finale in

una pressa a piani caldi.




PARAMETRI di PROCESSO:

Nel processo di stampaggio il prepreg (preforma) formato da materiale termoplastico viene

riscaldato fino ad arrivare ad una temperatura che permetta alla matrice polimerica utilizzata di

fondere; a questo punto il materiale portato in questo stato è in grado di essere deformato

durante l’applicazione della pressione.

I parametri principali che governano lo stampaggio di un materiale termoplastico sono:

-) Riscaldo e quindi temperature di Tg e Tm;

-) Formatura;

-) Velocità di raffreddamento.

CONSOLIDAMENTO:Fondamentale per queste tipologie di materiali è il cosiddetto “consolidamento” che consiste nel permettere al polimero di fluire tra i diversi strati, formando così una matrice di tipo continuo.




Esempi di particolari realizzati con materiali compositi termoplastici standard:

Esempi di compositi termoplastici ottenuti utilizzando matrici ad alte prestazioni sono:

(materiali PEI/Carbonio sandwich

– source Fokker Technologies)

(PA/carbonio, braccio di sospensione

settore automotive – source Cetim)

(materiali PPS/vetro Bordi alari A380 Airbus

settore aeronautico – source Composite World)

(PA6.6/fibra di vetro, barra anti-intrusione

Portiera, settore automotive – source DuPont)




(source AirGulf)

Airgulf : timone di coda (materiali PPS/carbonio) settore

aeronautico – le diverse parti sono incollate strutturalmente

con tecnologia ad induzione:

(source AgustaWestland)

AgustaWestland : elenco di particolari realizzati con compositi

termoplastici ad alte prestazioni per elicottero e foto di uno di essi:

(source AgustaWestland)



posizionamento delle tecnologie / materiali



posizionamento delle principali tecnologie

Le varie tecnologie di stampaggio possono essere classificate in funzione di due parametri più significativi degli altri.

Principali parametri di valutazione

• Le caratteristiche meccaniche del particolare stampato. Questo parametro può essere anche visto come la quantità di fibre contenuta nel particolare stampato, ricordando che le caratteristiche meccaniche sono una funzione diretta del contenuto di fibre.

• La produttività, intesa come inverso della lunghezza del tempo ciclo.

Una volta chiarito l’obiettivo del particolare da produrre (Caratteristiche meccaniche? Produttività? Entrambe?), la corretta scelta della tecnologia èaiutata dalla visione dei posizionamenti e delle definizioni dei campi di utilizzo ottimali.



posizionamento delle principali tecnologie

Contenuto di fibre / Produttività (processi)

Hand lay-up Autoclave

FilamentWinding

Pultrusion

CompressionMoulding

RTM

Pro

ductivity

Fiber Content



Produttività / Performances (processi e materiali)

posizionamento delle principali tecnologie/materiali



Produttività + Stampabilità / Proprietà meccaniche










ESEMPI PRATICI : SETTORE AUTOMOTIVE - SPORT, LUXURY CAR, MASS VOLUME PRODUCTION, MOTORBIKE



automotive

LA CAPOSTIPITE: MONOSCOCCA McLaren MP4 --- Anno 1981

Source : McLaren Ltd



automotive

…e oggi …ormai 35 anni di esperienza !

source : Ferrari SpA, Williams Grand Prix Engineering

Ltd; Mercedes-Benz Grand Prix Ltd



automotive

…sarà il futuro ?

Source : FIA - Formula-e Holdings Ltd



automotive

Source : FIA - Formula-e Holdings Ltd



automotive

GT - Endurance

Source : Audi AG; Aston Martin Lagaonda Ltd;

Porsche AG; Bentley Motors Ltd



automotive

LaFerrari

Source : Ferrari SpA



automotive

Aventador e Sesto Elemento

Source : Lamborghinii SpA



automotive

Huayra Coupè - Zonda

Source : Pagani Automobili SpA



automotive

P1 GTR e 570S

Source : McLaren Ltd



automotive

Source : Chevrolet

Corvette Stingray



automotive

Source : Aston Martin Lagonda Ltd

Aston Martin One-77



automotive

Source : Jaguar Land Rover

Jaguar C-X75



automotive

4 C

Source : Alfa Romeo – FCA Italy SpA



automotive




automotive

Telaio posteriore

in alluminio

Telaio anteriore

in alluminio

Monoscocca centrale

In carbonio




automotive


ALUMINUM

FRAME (1)

CFRP

SAFETY

CELL

ALUMINUM

FRAME (2)

Carrozzeria – materiale SMC (Sheet Moulding Compound)



automotive

Video produzione Alfa Romeo 4C

Source : Repubblica TV ; Alfa Romeo – FCA Italy SpA



automotive

(source BMW AG)

i Project : i3 , i8



automotive

(source BMW AG)



automotive

(source BMW AG)



automotive

Source: BMW AG

Nuova BMW Serie 7 (2016)



automotive

https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=cHRsXWnE-qQ

Video nuova BMW Serie 7 (2016)



automotive

Nuova VW GOLF 2016

Source: Motor Trend



automotive

Non solo body and chassis ……

(source Hexion Inc.)



automotive

(source Hexion Inc.)

Peso = 1,53 Kg Peso = 2,66 Kg

AUDI A6 Avant



automotive



automotive

(source Hutchinson SNC)

(source Lamborghini SpA)



motorbike

(source RiBa Composites Srl)

(source Ducati Corse)



ESEMPI PRATICI : SETTORE TRASPORTI



trasporti

(source Hyde Group Ltd)

(source Penso Ltd)



trasporti

(source Frazer London Cab Ltd)



ESEMPI PRATICI : SETTORI AEROSPACE/AERONAUTICAL/HELICOPTER




aerospace/aeronautical



(source Rocket Lab Ltd)




(source Alenia Aermacchi)





Boeing 787-8 Dreamliner

(source Boeing)








(source Boeing)




(source Boeing)



(source Boeing)


Autoclave per produzione 777XLunghezza 37 m; diametro 8,5 m



(source Boeing)




(source Boeing; Airbus; Rolls Royce)




(source Boeing; Toray; Airbus)




(source Airbus; Composite Today)


A350 XWB - Ala dimensioni : Lunghezza 32 m, larghezza 6 m.La più grande singola parte realizzata in materiali compositi utilizzata nel settore dell’aviazione civile ad oggi.



(source Boeing; Airbus; Toray)




Boeing 787-8 Dreamliner : linea di montaggio




Boeing 787-8 Dreamliner : Main Parts Supply Chain





(source Airbus)




(source Airbus)




(source Agusta Westland)




(source Agusta Westland)




(source Airbus Helicopters)

H160







(source Facebook – CompositeToday)



ESEMPI PRATICI : SETTORE EOLICO



eolico



(Eolico offshore fisso)

(Eolico offshore galleggiante)

eolico



(Mini Eolico domestico)

eolico



ESEMPI PRATICI : SETTORE MARINE



(source Prada – Luna Rossa Challenge)

marine



(source Oracle Racing & Emirates Team New Zealand)

marine



(source Oracle Racing & Prada Luna Rossa Challenge)

marine



(source Wally)

marine



(source UIM Class 1 Powerboat Championship)

marine



ESEMPI PRATICI : SETTORE COSTRUZIONI / PONTI e PASSERELLE PEDONALI



costruzioni

Rinforzi, ristrutturazioni ed adeguamento sismico :

Trave in c.a. consolidata con nastri in carbonio

Pilastro - Fasciatura con tessuti in carbonio

(source Its srl)



Costruzioni

Ancoraggio pilastri/muri perimetrali

Cerchiatura con nastri in fibre di carbonio

(source Its srl)



costruzioni

Fasciatura in fibra di carbonio

(source Its srl)



ponti e passerelle pedonali

(source Fiberline DK)











strutture



ESEMPI PRATICI : SETTORE DIFESA



(source Morgan Composites Ltd)

difesa



(source Morgan Composites Ltd)

(source Cobham Co.)

difesa



ESEMPI PRATICI : SETTORE MEDICALE



(source Morgan Composites Ltd.)

Apparecchiature mediche – Barella per la terapia ai raggi X, leggera e resistente,Realizzata con materiale a bassa densità densità e che quindi ècoerente per la trasparenza dei raggi X

medicale



Esoscheletri :

medicale



Esoscheletri :

medicale

Robot operai in linea di montaggio



medicale

(source Core77; Hmi Basen; ADI )



ESEMPI PRATICI : SETTORI VARI



vari

(source RiBa Composites SpA – Top Carbon srl)



vari

(source RiBa Composites SpA)

(source Custom6 srl)



vari

(source Chevis)



COMPOSITI CARBOCERAMICI



Costruzione di dischi freno carboceramici - video

https://www.youtube.com/watch?v=DuNoNYpgLlA



NANOCOMPOSITI



nanocompositi

DEFINIZIONE :Un nanocomposito è un materiale solido multifase dove una delle fasi ha una, due o tre dimensioni minori di 100 nanometri (nm), o strutture aventi distanze che ripetono la nano-scala nelle diverse fasi che costituiscono il materiale.

Dal punto di vista meccanico, i nanocompositi si differenziano dai materiali compositidenominati convenzionali per via del rapporto superficie/volume fase di rinforzo elevatissimo. I materiali di rinforzo possono essere di diverso tipo quali particelle, fogli o fibre (per es. i nanotubi di carbonio); l'area di interfaccia tra la matrice e la fase (o fasi) dirinforzo è di solito un ordine di grandezza superiore a quello dei materiali compositi definitivi convenzionalmente standard. La elevata quantità di area di superficie di rinforzo ottenuta significa che una quantitàrelativamente piccola di rinforzo su nanoscala può avere un effetto osservabile ed importante sulle proprietà in macroscala del composito quali: proprietà ottiche, proprietà dielettriche, la resistenza al calore o diverse proprietà meccaniche come la rigidezza, la resistenza meccanica, la resistenza all'usura e all’urto.

NANOCOMPOSITI A MATRICE – Ceramica; Metallica; Polimerica



BIOCOMPOSITI



biocompositi

Biofibre + bioresineSi definisce biocomposito un materiale in cui si ha la somma di una matrice (costituita da resina biologica) e da un rinforzo di fibre naturali (in genere derivati da piante o di cellulosa). Quindi i biocompositi sono caratterizzate dal fatto che: la resina normalmente di derivazione petrolchimica èsostituita da una resina vegetale o animale, e / o le fibre (come la fibra di vetro, di carbonio o aramidica) sono sostituite dalle fibre naturali (quali fibre di legno, canapa, lino, cotone, iuta, ecc.)

Attualmente rappresentano una delle ultime frontiere tecnologiche e vengono ampiamente utilizzati per le loro caratteristiche di facile riciclabilità e quindi di salvaguardia ambientale (essendo appunto biodegradabili), oltre ovviamente all’aumento delle proprietà meccaniche ad hai costi relativamente contenuti.

I prevalenti settori di utilizzo sono: biomedicale; automotive; sport; arredamento.

BIOCOMPOSITI :

(source Composite Evolution Ltd)



domande? considerazioni ?

Domande ? / Considerazioni ?



ringraziamenti/riferimenti

Grazie per l’attenzione

Ing. Andrea Rottigni

Via G. Acerbis, 1024022 Alzano Lombardo (BG)Mobile +39 338 2906142E-mail [email protected]

https://it.linkedin.com/pub/andrearottigni/26/8a9/626

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