Appunti del corso Tecnologie delle strutture aerospaziali metalliche e in composito (parte 3)

IL RINFORZO

Il rinforzo nei materiali in composito possono essere

● Fibre lunghe

● Fibre corte

● Fibre chopped

Le fibre hanno la caratteristica di essere dei fili cilindrici di una lunghezza più o meno lunga a

seconda delle esigenze e diametri caratteristici compresi tra i .

5 ÷ 25 µ

Il rapporto fibra matrice si fa in volume ma alcuni produttori utilizzano le frazioni in peso

perciò bisogna stare attenti.

Quindi il rinforzo dei materiali compositi sono singole fibre estremamente sottili e realizzate

in diverso modo. Il diametro piccolo e delle altre proprietà le rende nocivo per l’essere

umano.

Una singola fibra avvolta su una bobina costituisce il filamento e da tali derivano tutte le

possibili disposizioni dei rinforzi

● FILAMENTO

○ Un unico filo avvolto su una bobina

● GRUPPI DI FILAMENTO

○ Più filamenti costituiscono un filato e vengono utilizzati perché sono più

maneggevoli da utilizzare.

○ FILI (TOWS)

■ Hanno una sezione triangolare

■ Non presentano alcun intreccio

○ FILATI (YARN)

■ Hanno una sezione esagonale

○ ROCCHETTI (ROVINGS)

■ Sono più YARN

■ I fili sono tutti nella stessa direzione e non presentano alcun intreccio

■ Rappresenta la disposizione ideale dei pacchetti di fibra che posso

realizzare perché nell’intermezzo è presente la resina minima.

■ Il numero di fibre che posso avere su un filato sono 5K, 6K, 7K,..... Il

numero XX ci indica il numero di fibre usate in un filato in migliaglio.

Per esempio: un filato di fibre di vetro 10K al suo interno ha 10 mila

fibre di vetro.

A questo punto a seconda di come dispongo i vari filati posso avere delle diverse tipologie

di tessuti

● UNIDIREZIONALI

○ Sono dei filati disposti secondo una direzione e vengono spesso utilizzati per

realizzare i tessuti pre preg. Sono tenuti insieme da un filo non strutturale cioè

non offre alcuna resistenza.

● BIDIREZIONALI (TESSUTI)

○ Un’altra tipologia di impacchettamento è quando tesso le fibre in un tessuto a

trama e ordito

○ Un vantaggio nell’impiego di tessuti per le strutture aerospaziali, in particolare

per i tessuti strettamente intrecciati, è il risparmio di peso, la minimizzazione

delle dimensioni delle cavità dove va a inserirsi la resina, il mantenimento

dell'orientamento delle fibre durante il processo di fabbricazione

○ Uno svantaggio dell’impacchettamento a trama e ordito è che nello spazio

vuoto che si forma va a inserirsi la matrice. Di conseguenza la frazione

volumetrica di fibra che otterrò è più bassa. Ciò rappresenta uno svantaggio

perché in generale più resina metto e più decadono le proprietà meccaniche

del composito

○ I tessuti normalmente li fanno già a 0°- 90°quindi nella progettazione devo

tenere in considerazione questo angolo. Inoltre presenta delle simmetrie,

perciò ruotandolo di 90° e -90° ho le stesse caratteristiche.

○ Se volessi realizzare un laminato composto da 0°/45°/90°/-45°, la sequenza

di laminazione di un laminato è molto importante, per questo è preferibile

utilizzare un tessuto perché tali coprono due angoli.

○ I tessuti sono costituiti da Town e Yarns. Il tessuto più utilizzato è il plain o il

satin

■ La tessitura satin consiste nel svolgere un passaggio sotto alla trama

e più di un passaggio sopra.

■ Mentre l’ordito del plain passo una volta sopra la trama e una volta

sotto.

■ La conseguenza dell’architettura di queste due configurazioni è che Il

plain ha una tessitura più omogenea mentre il satin è più

drappabile perché dà maggiore libertà di movimentazione alle fibre.

In generale svolgere più passaggi sopra alla trama da parte dell’ordito

aumenta la possibilità di formazione delle pieghe.

● TESSUTI NON TESSUTI

○ La tessitura la sovrapposizione di due o più strati di tessuto unidirezionale

senza intrecci

○ Le fibre sono trattenute insieme da cuciture non strutturali

● TESSUTI TRIDIMENSIONALI E MULTIASSIALI

○ Sono molto importanti nell'industria aerospaziale perché con tali tessuti

realizzo le preforme le quali sono delle strutture tridimensionali che vengono

realizzate con lo scopo di formare la forma preliminare del componente per

poi essere impregnate con la resina.

○ Ovviamente un tessuto tridimensionale ha tante cavità

○ Garantisco una isotropia di maggiore entità e hanno una migliore permeabilità

rispetto ai tessuti impilati

○ TIPOLOGIE

■ I tessuti 2.5 sono tessuti non tessuti cioè dei tessuti tenuti insieme da

un filetto. La caratteristica di tali tessuti è che non c’è filetto strutturale

rinforzante. È costituito da fili di ordito e trama non intrecciati in due

direzioni ortogonali e tenuti insieme attraverso il filetto

■ Triaxial Wave Tali vengono realizzati in branding, sono piani e i fili

intrecciati tra di loro che vanno nelle 3 direzioni.

■ Ho la tessitura 4d, ovvero ci sono fili che vanno dove vogliono e c’è

molto spazio per la resina

DIFFERENZA TRA FILO E TESSUTO

● FILATO

○ Gli unidirezionali sono come dei capelli quindi non si reggono in piedi perciò

per tenerli uniti metto un filetto di materiale scarso in modo tale che io li posso

maneggiare

● TESSUTO

○ Offrono una maggiore flessibilità per la disposizione in forme complesse

○ I tessuti sono piatti e il numero di volte che faccio su e giù mi determina la

drappeggiabilità di una superficie. Una maggiore drappeggiabilità mi

permette di avere un foglio senza delle pieghe

○ Il vantaggio dei tessuti è che stanno in piedi da soli

○ Il Tessuto è più comodo per essere trattato e pre impregnato. Inoltre ha la

capacità di tenersi in piedi da sé

Quando compro un tessuto lo compro in funzione della grammatura. Nota la grammatura e

la percentuale in di fibra sò quanto pesa il composito per metro quadro.

Ricapitolando ho tessuti

● Uniassiali

● Biassiali

● Multiassiale

LEZIONE 03/04/2024

Abbiamo parlato dei materiali compositi e ci siamo concentrati nella parte dei tessuti cioè il

rinforzo del materiale composito.

Per applicazioni aerospaziali si utilizzano i tessuti perché garantiscono una maggiore

resistenza rispetto alle fibre particellari.

Abbiamo visto varie tipologie di tessitura tra cui

● plain

● satin

I quali sono tessuti planari a trama e ordito

Inoltre abbiamo definito i tessuti non tessuti, tra cui i tessuti 2.5 D e in ultimo abbiamo

introdotto le tessiture multiassiali tra cui le 3D e le 4D. L’utilizzo di questi ultimi tessuti è nei

processi produttivi in cui ho bisogno di un preforma ovvero una sagoma predefinita del

componente da realizzare in tessuto secco che successivamente deve essere bagnata di

resina. Per realizzare queste tessiture così particolari ci sono diverse tecniche e esistono

diversi macchinari.

BRAIDING

La tecnica del Braiding è una tessitura circonferenziale attorno a un mandrino la quale

mi permette di realizzare una preforma che mi consente di dare una impregnatura più

efficiente al tessuto. È molto utile qualora volessi realizzare dei nozzle per dei rocket oppure

se volessi realizzare dei cerchioni per le automobili.

Con il braiding riesco a intrecciare il filamento su un mandrino il quale ha la sagoma del

componente da realizzare. Il vantaggio di svolgere il braiding è che riesco a intrecciare il

filamento integralmente svolgendo una tessitura continua.

L’alternativa al braiding è prendere un tessuto e avvolgerlo attorno al mandrino che

costituisce la parte e successivamente fissarlo sovrapponendolo leggermente. In questo

modo ho una discontinuità la quale è una debolezza e un doppio spessore.

Come viene realizzato il Braiding?

Il Braiding è realizzato disponendo dei filamenti su un mandrino che si sposta all’interno di

un telaio. La velocità del mandrino e la velocità con cui svolgo l’intreccio determina l’angolo

di braiding. Il mandrino quando si sposta ha una velocità detta di take up e un’altra

velocità caratteristica del processo è la velocità di intreccio delle bobine nel mandrino.

Il Braiding viene realizzato da un macchinario costituito da un disco (anello) in cui vengono

montate parecchie bobine di filamento. Le bobine ruotano ruotano attorno all’asse di

simmetria dell’anello e ruotano attorno al loro asse e poi c’è il mandrino che viene tirato alla

velocità di take up

Le diverse tipologie di Braiding

● 2D BRAIDING

○ Nei 2D braiding ho un tessuto biassiali che viene realizzato con Rovings o

larghi Tows e vengono fabbricati da intrecciatori circolari

○ Durante il processo di 2D-Braiding si ha una superficie ondulata che può

essere più o meno accentuata a seconda del tipo di intreccio. La seconda

immagine nella figura 6.16 è un tipico intreccio 2D dal quale si può osservare

che durante la fabbricazione si ottiene una ondulazione

■ Il fatto che un filamento viene intrecciato ovvero passa sopra e sotto

mi dà uno spessore maggiore. Tanto più l’angolo di Braiding è ampio e

tanto più viene spesso il rinforzo.

○ Il fatto che il tessuto venga ondulato mi può creare svantaggi nella preforma

■ Maggiore compressibilità nella direzione dello spessore

■ Minore rigidità e resistenza in trazione e compressione

■ Una fibra ondulata è più facile da rompere a compressione

■ Si può avere un contenuto di fibra non omogeneo con il rischio di

creare dei punti in cui si accumula la resina e ho la difficoltà nel

raggiungere un maggiore del

50%

■ Si possono formare delle bolle d’aria il quale è un difetto e se tali

superassero una certa dimensione il composito non può essere

accettato

○ Vantaggi

■ Ho un flusso di fibra ottimo

■ Una migliore resistenza interlaminare

■ Il fatto che ci siano degli spazi tra le fibre è vero che mi abbassa

però mi fa impregnare bene la fibra perché ci sono dei canali in cui la

matrice può scorrere

■ È una tecnica veloce

■ Altro vantaggio è che da origine a dei compositi bilanciati cioè che

hanno la direzione della fibra con lo stesso angolo sia nella direzione

positiva che negativa

● 3D BRAIDS

○ I 3D Braids vengono realizzati aggiungendo una fibra che scorre lungo l'asse

del mandrino

○ Vantaggi

■