Tecnologie delle CostruzioniTecnologie delle Costruzioni ... (Parte 2).pdf · Tecnologie delle CostruzioniTecnologie delle Costruzioni Aerospaziali COMPOSITI PARTE 2 Prof. Claudio

Tecnologie delle CostruzioniTecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

COMPOSITICOMPOSITI

PARTE 2

Prof. Claudio ScarponiIng. Carlo Andreotti

PROCESSI TECNOLOGICI PER LA FABBRICAZIONE DEI COMPOSITI:LAMINAZIONELAMINAZIONE

P l i i i i t d l d i i diPer laminazione si intende la deposizione distrati (lamine) di un materiale su unostampo che conferisce la forma geometricad id tdesiderata.

La deposizione può essere manuale oautomatica.

Il materiale deposto può esserepreimpregnato oppure si può impregnaredirettamente sullo stampo.direttamente sullo stampo.

In ambito aerospaziale si impiega solo ilpreimpregnato.

Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti

Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 2


Gli stampi possono essere “maschi” o “femmine”,oppure si può avere la combinazione dei dueoppure si può avere la combinazione dei due.







La superficie a contatto con lo stampo ha una perfettafinitura superficiale



finitura superficiale.


Caratteristiche e requisiti per lo stampo:Di grande importanza è la scelta del materiale per lostampo. Da tale scelta dipende il numero diparticolari da produrre e le dimensioni finali delpezzo prodotto.Particolare attenzione va posta al coefficiente didilatazione termica per il problema dei ritiridifferenziali tra attrezzo e stratificato (i coefficienti diattrezzo e composito sono spesso molto diversi).Assenza di porosità.Inerzia termica.Il costo dello stampo varia molto al variare delmateriale di cui è costituito.






PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO:DISPOSIZIONE SULLO STAMPODISPOSIZIONE SULLO STAMPO

Il processo di fabbricazione di un laminato pieno puòh i l dessere schematizzato nel modo seguente:

Estrazione del rotolo di preimpregnato dal frigorifero.Attesa del raggiungimento della temperatura ambiente.

ll “ l ” b h d lTrasporto nella “clean room”, ambiente che prevede leseguenti regole:Controllo della temperatura e dell’umidità.Controllo della puliziaControllo della pulizia.Presenza di sovrapressione all’interno per impedirel’ingresso di aria non filtrata.Obbligo per il personale di indossare speciali tute eObbligo, per il personale, di indossare speciali tute ecamici da lavoro e di toccare il materiale esclusivamentecon mani guantate.Divieto di bere, mangiare e fumare.



, g


Taglio delle tele sulle sagome. Le caratteristiche del taglioi di isono riportate di seguito:

Deve essere effettuato secondo il ciclo di fabbricazioneutilizzando le opportune attrezzature.Devono essere ridotti al minimo gli scarti.Devono essere ridotti al minimo gli scarti.




Si possono tagliare gli strati al momento della stratificazione(consigliabile per prove e prototipi), oppure tagliarli tutti

d l di i i t tt d l di i i lisecondo le dimensioni tratte dal disegno e posizionarli unosull’altro con il separatore originale secondo la sequenza dellasuccessiva stratificazione.Il taglio può essere effettuato con coltelli taglienti o con forbici.Non si deve mai tagliare direttamente sugli strati già stratificatio sull’attrezzo.

Applicazione di un agente distaccante sullo stampo.St tifi i l d ll t l t li t ll tStratificazione manuale delle tele pretagliate sullo stampo(le tele sono disposte rispettando l’ordine e la giustaangolazione delle fibre rispetto agli assi di riferimento dellaminato, riprodotti sullo stampo)., p p )Compattazione mediante spatole e rulli in modo da evitare laformazione di sacche di aria, che resta intrappolataall’interno degli strati.



Preparazione del sacco a vuoto.

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO:ESECUZIONE DEL SACCO A VUOTOESECUZIONE DEL SACCO A VUOTO

L’esecuzione del sacco a vuoto è una serie di operazioni preparatorieall’ingresso in autoclave dello stratificato fresco che consistono in:Applicazione di un agente distaccante per separare lo stratificatodall’attrezzo.Applicazione di uno strato pelabile (“peel ply”) nelle superfici dasottoporre ad ulteriori cicli di lavorazione (verniciatura, incollaggi,p ( , gg ,ecc.).Applicazione di un foglio di Tedlar autoadesivo (“bondable Tedlar”): èun foglio di polivinilfluoruro, che si incolla allo stratificato durante ilciclo di polimerizzazione nelle parti interne per protezione al postociclo di polimerizzazione nelle parti interne, per protezione al postodella verniciatura.Applicazione di un film separatore Fep (“Fep parting film”) dimateriale plastico, che si usa come separatore tra lo stratificato e ilmateriale del saccomateriale del sacco.Applicazione di uno strato di materiale di ventilazione superficiale(“surface breather”): è un materiale sintetico molto poroso che ha loscopo di favorire la circolazione dell’aria aspirata dalla pompa a vuoto

d i l tili h i il d t il i l di li i i



e dei volatili che si sviluppano durante il ciclo di polimerizzazione.


Applicazione di materiale di ventilazione perimetrale (“edgebreather”): consiste in alcuni strati di tessuto di fibra di vetro a tramabreather”): consiste in alcuni strati di tessuto di fibra di vetro a tramalarga di almeno 1’’ di larghezza, che ha la stessa funzione delmateriale di ventilazione superficiale.Applicazione di una contropiastra (“pressure plate”): si tratta di un

l l d ll ( ) h h lsottile lamierino di alluminio (non sempre impiegato), che ha lafunzione di conferire al particolare un’eccellente finitura superficiale.Applicazione di uno strato di materiale assorbente (“bleedermaterial”): è uno strato con funzioni di assorbimento della resina ineccesso.Applicazione del sacco, detto “vacuum bag”: è un film di materialeplastico (essenzialmente nylon), che copre tutti gli altri elementicitati; ad esso si applicano le prese per la pompa a vuoto e le; pp p p p ptermocoppie per il controllo della temperatura del pezzo.Applicazione di un sigillante per il sacco (“vacuum sealer-tape”): è uncordone sintetico che ha lo scopo di assicurare una tenuta ermeticafra il sacco e lo stampo



fra il sacco e lo stampo.


Una volta preparato il sacco si collega il pezzo alla pompa a vuoto e si crea una depressione di 0.73 kg/cm2, rilevata da sonde di misura.






PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO:CICLO DI CURA IN AUTOCLAVECICLO DI CURA IN AUTOCLAVE

L’autoclave è un contenitore nel quale è possibile ottenere unapressione positiva (generalmente dell’ordine di 3 atm) e una

t t (i 350 °F)sovratemperatura (in genere 350 °F).







Le fasi di un ciclo di polimerizzazione (“curing”) possono essereriassunte nei seguenti punti:Introduzione dell’insieme stampo-stratificato-sacco in autoclave echiusura della stessa.Innalzamento della pressione fino a 20 psi.Eliminazione del vuoto nel sacco mediante collegamento conEliminazione del vuoto nel sacco mediante collegamento conl’atmosfera esterna.Aumento della pressione fino al valore richiesto per il materiale dellostratificato (circa 50 psi).Ri ld t l t d l fi ll t t diRiscaldamento lento e graduale fino alla temperatura dipolimerizzazione.Mantenimento della temperatura per il tempo necessario allapolimerizzazione (circa 3 ore).Raffreddamento lento e graduale fino a 60÷70°C.Diminuzione della pressione di autoclave fino alla pressioneatmosferica e apertura dell’autoclave.Estrazione dell’insieme dall’autoclave



Estrazione dell insieme dall autoclave.Raffreddamento quasi a temperatura ambiente.


Rottura del sacco e rimozione del composito, sotto cappa diaspirazione per motivi di sanità ambientale:

Necessità di mezzi di rimozione idonei per evitare ilNecessità di mezzi di rimozione idonei per evitare ildanneggiamento del composito.Problema del “ritorno” (spring back): il modo di rimozione piùsemplice consiste nel porre ad una estremità del pezzo unblocchetto di plastica o di legno e nel picchiarvi sopra con unmartelletto (poiché questo procedimento causa danni ai laminatimartelletto (poiché questo procedimento causa danni ai laminatipiù sottili, questi sono rinforzati, nell’area in eccessodell’estremità, con strati aggiuntivi di preimpregnato).

Operazioni di finitura.Ispezione e collaudo.



p


Tipico ciclo di cura:



PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENOPROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO

Il flusso di resina, funzione della pressione applicata aparità di altre condizioni, può avvenire:Dai bordi del laminato.Dalle facce.

Effetto della temperatura:Effetto della temperatura:Cinetica della reazione di cura:Velocità di reazione.Grado di reazione massimoGrado di reazione massimo.Viscosità.Degradazione della resina.



PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENOPROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO

Effetto del grado di cura:Incremento del peso molecolare ed evoluzione dellapviscosità (fino al gel point).Grado di reticolazione ed evoluzione del modulo(dopo il gel point).( p g p )Sviluppo di calore.Resistenza ambientale.

Effetto della viscosità:Impregnazione delle fibre.Consolidamento del laminato.Flusso di resina.Pressione ed energia per il flusso di resina.



g pAllontanamento di aria e volatili.

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH”PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN SANDWICH

Il pannello “sandwich” è una struttura costituita daun “core” (il nido d’ape o “honey-comb”) e da duepiastre incollate mediante un adesivo strutturale.

L’utilità di tale pannello è di conferire alla strutturaun’elevata rigidezza flessionale e torsionale e un’altaresistenza al taglio.

EspansoEspanso

Adesivo

L i tLaminato




Nella normale tecnica recente, il “core” di honeycomb èsostituito da schiume leggere e porose.

Molte fasi relative alla fabbricazione delle strutture“sandwich” sono comuni a quanto descritto per ilaminati pieni.

Si parlerà della realizzazione di pannelli che subisconoun ciclo di polimerizzazione.

Le fasi relative alla fabbricazione di un pannello“sandwich” sono:Taglio del “kit” di tele.Taglio dell’adesivo a film.




Preparazione del nido d’ape: lo strato di “honey-comb” va lavorato con mezzi meccanici (fresatura), in modo da ottenere i

tt i ti i i t ti i ficaratteristici smussi mostrati in figura.




Preparazione dello stampo.Stratificazione: in questo caso bisogna porre unaparticolare cura nel rivestire il nido d’ape con ilp ppreimpregnato.Sacco a vuoto.Cura in autoclave.Cura in autoclave.Rimozione della parte.Finitura.







Esempi di configurazione delle celle di “honey-comb”:







Esempi di pannelli “sandwich”:




Assi principali del nido d’ape:



FILAMENT WINDINGFILAMENT WINDING

Il “filament winding” è una tecnologia di avvolgimento di unfil i d d d i l ifilo intorno ad un corpo rotante detto mandrino, la cuiforma determina la geometria del composito da realizzare.




Per ottenere i migliori risultati durante la lavorazione di unmanufatto da realizzare in composito si devono prenderemanufatto da realizzare in composito, si devono prenderealcune precauzioni:Agenti di distacco.Copertura superficialeCopertura superficiale.Vuoto, pressione e temperatura.

I fattori che concorrono alle caratteristiche geometricheI fattori che concorrono alle caratteristiche geometrichee strutturali del manufatto, sono diversi, i più importantisono elencati di seguito:Metodi di avvolgimento.Mandrino.Tipo di impregnazione.Polimerizzazione.




Altro aspetto fondamentale è lo studio della traiettoria di avvolgimento punto cruciale per la realizzazione di un avvolgimento, punto cruciale per la realizzazione di un buon manufatto.

I principali tipi di avvolgimento sono:I principali tipi di avvolgimento sono:Polari, con angoli compresi tra 0° e 20°.




Circonferenziali, con angoli di circa 90°.




Elicoidali, con angoli compresi tra 20° e 85°.

ω(t)

v(t)v(t)




L’angolo di avvolgimento è fissato istantaneamente dalrapporto tra la velocità di rotazione del mandrino e lavelocità di traslazione del carrello .



FILAMENT WINDINGFILAMENT WINDINGUna distinzione tra le tecniche di avvolgimento può essere fatta in

funzione del meccanismo di impregnazione delle fibre.V tili t d t d l iVengono utilizzate due metodologie:avvolgimento bagnato (wet winding).avvolgimento a secco (dry winding).




Caratteristiche dei mandrini:Devono resistere agli sforzi di compressione provocati dalle fibreDevono resistere agli sforzi di compressione provocati dalle fibredurante l’avvolgimento e presentare un’elevata rigidezza assiale.Devono mantenere sufficienti proprietà meccaniche ad altatemperatura.Devono essere facilmente rimossi.

Tipologie di mandrini:Mandrini fissiMandrini fissi.Mandrini removibili.

Gonfiabili.Collassabili.In materiale fragile.Fondente.A superficie cilindrica.



A superficie conica.


Per garantire una buona qualità del manufattoPer garantire una buona qualità del manufattoè importante effettuare una serie dicontrolli sulla resina. In particolare sideve:deve:Controllare la composizione del bagno edalimentare continuamente la vaschetta.Controllare la temperatura e l’umiditàrelativa del bagno.Isolare e trattare a parte la resina direcupero ottenuta dalla strizzatura eraschiatura delle fibre di rinforzo.



FILAMENT WINDINGFILAMENT WINDINGDi grande importanza è il controllo del tiro del filo, che può essere

realizzato con diversi sistemi:Si pone un freno sul cilindro ove è inserita la bobina di materialeda avvolgimento.Si utilizza un sistema meccanico in cui il filo passa attorno a duecilindri, fissati su una piattaforma che può ruotare rispetto ad un, p p passe verticale. Il meccanismo è riportato nella seguente figura:

Si ili i id li h ll il f h i l



Si utilizza un sistema idraulico che controlla il freno che agisce sulsupporto delle bobine.

FILAMENT WINDING:ESEMPI DI MACCHINE PER FILAMENT WINDINGESEMPI DI MACCHINE PER FILAMENT WINDING









DEFINIZIONE DEI PARAMETRI DI SCELTA E INDIVIDUAZIONE DELLE TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE PIU’ PROMETTENTIDELLE TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE PIU’ PROMETTENTI

Alcune considerazioni sui “costi” in relazione alla scelta delletecnologie:tecnologie:Il “costo” è un aspetto che riveste un’enorme importanza.E’ un aspetto comune a tutte le tecnologie.La bassa consistenza della domanda non consente unaLa bassa consistenza della domanda non consente unaserializzazione, pertanto l’ammortamento diventa uno scoglioestremamente impervio per la riduzione dei prezzi.

Costo dei materiali:Costo dei materiali:La fibra più economica è il vetro E.Il costo del vetro S è circa il doppio.Il costo del carbonio ad alta resistenza è circa 20 volte.Il costo del carbonio ad alto modulo è circa 25 volte.Il costo del Kevlar è circa 8 volte.La differenza di costo tra le resine è più contenuta (oscilla tra il30% il 40%)



30% e il 40%).


Costi non ricorrenti:Progetto strutturaleProgetto strutturale.Progetto e fabbricazione delle attrezzaturespecifiche.

d l l l lProve di sviluppo tecnologico relative a materiali,processi, controllo di processo e qualificazionedelle strutture.C l ù l dCostituiscono la parte più rilevante dei costi.

Costi ricorrenti:Costi di fabbricazione (ore di lavoro).Costo dei materiali.Energia impiegata



Energia impiegata.


Vantaggi della laminazione dapreimpregnato:Ottima qualità del prodottoOttima qualità del prodotto.Ottima riproducibilità delle caratteristiche.Basso peso (ottimizzazione degli spessori).p ( g p )Ottima finitura superficiale.Basso onere di progettazione.Utilizzo di impianti esistenti e di “know-how”consolidato.




Svantaggi della laminazione da preimpregnato:Svantaggi della laminazione da preimpregnato:Elevato costo del materiale.Elevati costi di fabbricazione (manodopera).Elevati tempi di fabbricazione.Elevato numero di giunti strutturali.Forte presenza di vibrazioni (discontinuità e giunti).Forte presenza di vibrazioni (discontinuità e giunti).Elevata manutenzione.Scarsa ricaduta industriale (tecnologia giàsviluppata)sviluppata).Elevato costo degli stampi.Rigidità della produzione (stampi).




V t i d l “fil t i di ”Vantaggi del “filament winding”:Basso costo del materiale.Struttura monoliticaStruttura monolitica.Minimo numero di giunti strutturali.Bassi tempi di fabbricazione.pOttima ricaduta industriale.Facile diversificazione della produzione(mandrino e software).




Svantaggi del “filament winding”:Scarsa finitura superficialeScarsa finitura superficiale.Peggiore riproduzione della geometria.Elevato peso (spessori costanti nellap ( psezione).Elevato costo dei mandrini.Maggiore onere di progettazione.Maggior numero di vuoti e di ariaintrappolata



intrappolata.

Documents

Tecnologie delle CostruzioniTecnologie delle Costruzioni ... (Parte 2).pdf · Tecnologie delle CostruzioniTecnologie delle Costruzioni Aerospaziali COMPOSITI PARTE 2 Prof. Claudio